全息照片及其原理

全息照片及其原理摘要本文描述了筆者所見到的一張全息照片的特點，并利用全息照相的基本原理和白光再現(xiàn)全息的原理對所觀察到的部分現(xiàn)象進行一些簡單的解釋。關(guān)鍵詞全息照相白光再現(xiàn)全息從1948年伽柏首次提出全息照相的思想，到1971年伽柏因全息技術(shù)獲得諾貝爾物理學(xué)獎，再到如今的白光記錄全息技術(shù)，短短六十年，全息技術(shù)被廣泛運用到工業(yè)、醫(yī)學(xué)、生物、軍事等多個領(lǐng)域，并體現(xiàn)出其強大的優(yōu)勢。一、現(xiàn)象描述筆者曾在大學(xué)期間進入到學(xué)校的演示實驗室，并在那里見到了一張全息照片，并觀察到若干現(xiàn)象：全息照片長約50cm,寬約30cm，厚約4cm。除了照片外，沒有其他任何輔助裝置。全息照片內(nèi)容為三件青銅器，包括背景，物體在內(nèi)，整張照片均為青綠色。全息照片具有極強的立體感，層次感，可以從各個角度觀察照片中物體的各面。二、原理解釋全息照相基本原理物體發(fā)出的光包含光的振幅和光的相位兩方面的信息并可以用復(fù)

數(shù)形式表示A(x,y)=a(x,y)ei屮(x,y)并且光用復(fù)數(shù)表示后滿足復(fù)數(shù)的運算規(guī)則。在普通攝影中，相片只是記錄了景物反射光的強弱，即振幅信息。如果能在拍攝過程中，同時記錄下光的振幅和相位信息，就能記錄下立體信息，這就是的全息攝影思想。但由于所有的記錄介質(zhì)只能對光強有響應(yīng)，所以應(yīng)將光的相位信息轉(zhuǎn)化為光強信息記錄下來。常用的方法是干涉法。拍攝原理如圖一所示。激光器發(fā)射出的光被分束器分成兩部分。其中一部分照射到物體上，通過物體的漫反射反射到感光膠片上，稱為物光；另一部分則直接照射到感光膠片上，稱為參照光。二者發(fā)生干涉，記錄下光的信息。設(shè)物光為O(x,y)=o(x,y)ei屮°(x，y),類似的那么參照光則為R(x,y)二r(x,y)ei屮小)，二者在膠片上干涉有A(x,y)=O(x,y)+R(x,y)則光強為I(x,y)二A(x,y)-A*(x,y)二02(x,y)+r2(x,y)+2o(x,y)r(x,y)cos3—屮)or經(jīng)查閱資料，全息底片經(jīng)過沖洗后，全息圖上各點振幅透過率與入射光強度有如下關(guān)系T(x,y)=T0+kI(x,y)其中為I(x,y)振幅透過率，T(x,y)為入射光強。再現(xiàn)物體的像的時候，用和參照光一樣的再現(xiàn)光照射全息圖，則有M(x,y)=T(x,y)-R(x,y)=IT+ko2(x,y)+kr2(x,y)Rx,y)+kr2(x,y)O(x,y)+P(x,y)0通過利思的離軸全息，即可將這三部分分離開。其中第二部分正比于原物光，與原物光具有相同的振幅分布和相位分布。與正常相片僅僅記錄光強信息不同，全息圖的再現(xiàn)發(fā)出的是正比于物光的光，包括振幅和相位，因而再現(xiàn)時能顯示出光全部的信息，具有極強的立體感，可以從各個方向進行觀察。白光再現(xiàn)全息原理事實上，筆者所見的全息圖僅有4cm厚，并未發(fā)現(xiàn)全息再現(xiàn)時發(fā)射參考光的裝置，僅僅是在白光下直接觀察。上述討論僅僅是考慮到參考光與物光干涉形成的二維干涉條紋。經(jīng)查閱資料，“由于乳膠膠片具有一定厚度，但是它是透明的，故在其內(nèi)部也存在著物光與參考光的相互干涉，干涉條紋也被記錄下來，經(jīng)過處理后得到三維全息圖，相當于三維衍射光柵。”“與晶格類似，可以用白光再現(xiàn)?！比绻麊紊庵瞥傻娜D，當用白光照射時，與X光在晶格中衍射一樣，如果入射光的入射角0和波長九滿足布拉格方程2dsin0二九那么存在干涉極大，從而可以得到原物的虛像。所以說，這種三維光柵衍射對波長具有選擇性，可以代替原來的參照光作為再現(xiàn)光，從而可以通過白光照射直接全息再現(xiàn)，即通過白光還原影像。以上是反射全息原理，說明可以通過白光照射取代激光器照射，從而可以直接觀察相片，無需其他裝置；并且正是由于其對波長的選擇性，使觀察到的虛像為同一波長，同一顏色。并且，經(jīng)查閱，當用波長為632.8nm激光（He-Ne激光器）制作全息片，由于乳膠收縮等一系列原因，白光再現(xiàn)時，實際觀察到的像并非紅色，而是青綠色的。三、結(jié)論由于全息圖記錄下了光的振幅和相位信息，再現(xiàn)時發(fā)出正比于原物光的光，因而具有極強的立體感，形象逼真，并可以從各個角度觀察。通過反射全息原理制作的全息圖全息再現(xiàn)時可用白光代替參考光，所以可以直接觀察，十分方便。由于三維光柵衍射對于光具有選擇性，所以觀察到相片為一種顏色，比如筆者所見到的青綠色。四、結(jié)束語全息照相不僅可以拍攝出效果極佳的相片，還可以用于信息的大容量存儲，產(chǎn)品的防偽與檢測等多個方面，并發(fā)揮著巨大的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，相信在不久的將來，每個人都能擁有一張自己的全息照片。參考文獻王家慧,張連娣等.大學(xué)物理實驗教程.2009呂廣娟，張孝林，段新超.白光再現(xiàn)全息照相.