激光全息圖像技術

激光全息圖像技術第1頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:簡介...

英國科學家丹尼斯·伽柏(DennisGabor)在1948年提出了新的兩步無透鏡成像法—波前重現(xiàn)原理。伽柏通過實驗發(fā)現(xiàn)，如果有一個合適的相干參考波和一個物體衍射波同時存在，此衍射波的振幅和位相的信息就能被完全記錄下來。伽柏還證明了這樣記錄下來的全息圖（hologram）通過相干光照射全息圖可得到原來物體的像。由于受光源條件的限制，在激光出現(xiàn)以前，全息術的研究進展緩慢，在1960年激光器誕生之后，提供了理想的相干光源，全息術得到迅速發(fā)展。全息術在干涉計量、信息貯存、光學濾波等方面獲得了廣泛的應用，已成為一種有效的光信息貯存和顯示技術。伽柏因此獲得了1971年度的諾貝爾物理學獎。

全息第2頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:簡介...

設備第3頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:實驗概要...

了解全息照相基本原理。

熟悉全息照相的實驗技術。

觀察和分析全息照相的成像特性。

第4頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:基本原理...

普通照相是運用透鏡的成像原理，使物體在感光底片上成像，其記錄的僅是物體表面發(fā)射的光或反射的光。而全息則利用干涉原理，使感光片上不僅記錄光的強度，還記錄了光的相對相位。所謂全息就是把物體發(fā)出或反射的光信號的全部信息，包括光的振幅和相位全部記錄下來，在再現(xiàn)被攝物體時就能得到物體的立體像。所以全息照相實際上是一種兩步成像的照相技術，第一步記錄下復雜的干涉圖樣，得到一幅全息圖，稱為記錄過程。第二步照明全息圖，再現(xiàn)出原始物體光波，得到與物體不可分辨的像，稱為再現(xiàn)過程。全息第5頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:基本原理...

全息拍攝光路圖：

第6頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:基本原理...

上圖是全息照相記錄過程的原理圖，感光片除受到來自物體的光束照明外(注意沒有任何成像裝置)，還受到另一光束(稱為參考光)的照明。如果物光和參考光是高度相干的，則物光和參考光在底片上迭加干涉，其物光的振幅信息被轉換成干涉條紋的明暗對比度，物光的位相信息被轉換成干涉條紋的形狀和疏密分布記錄下來。這樣一張記錄了干涉花樣的底片經(jīng)處理后，就是一張全息片。

全息拍攝：

第7頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:基本原理...

全息過程：

全息照相借助于相干的參考光束和物光束相互干涉來記錄物光振幅和相位的全部信息。全息圖上干涉圖樣的明暗對比程度反映了物光波相對于參考光波之間振幅的變化，而干涉圖樣的形狀和疏密變化反映了物光波和參考光波之間的相位變化。全息照相過程包含記錄和再現(xiàn)兩過程（1）用干涉方法記錄物光波的全部信息；（2）用衍射方法再現(xiàn)物體的光學現(xiàn)象。第8頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:實驗方法...

曝光將全息底片放置在照相框架上，藥膜面向被拍攝物體，放好底片后稍微等幾分鐘，待系統(tǒng)穩(wěn)定后再開始曝光，曝光時間由激光功率、物體大小和漫反射性能、底片的感光靈敏度等來定。最佳時間應通過試拍確定。第9頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:實驗方法...

沖洗沖洗包括顯影、定影和漂白，其方法和普通照片沖洗完全相同。漂白是為了增加衍射效率，提高再現(xiàn)像的亮度。這是因為底片經(jīng)過漂白，是將原來形成的銀粒變?yōu)閹缀跬耆该鞯幕衔铮@樣記錄采取了光程中間的空間變化形式，而不像原初振幅全息圖那樣是光密度的空間變化。顯影用D19型顯影液，顯影時間一般在3秒。定影用F5型定影液，定影時間一般在5秒。漂白用R-10漂白液體，漂白時間待全息底片透明即可。第10頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:實驗方法...

再現(xiàn)1將拍攝好的全息照片放回原照相底片架，擋住物光束和被攝物體，用原參考光照明，像即呈現(xiàn)在原物所在的位置。2用另一束激光沿原參考光方向照射全息圖，觀察再現(xiàn)像，改變位置，再觀察虛象，比較觀察結果，說明立體的視覺效應。3改變全息圖至擴散鏡的距離，觀察虛象的位置和大小變化，并用理論公式說明。4用一張直徑約4-5mm小孔光闌遮住全息圖，通過小孔觀察再現(xiàn)象的變化。5用未擴束的氦氖激光直接照射全息圖，除再現(xiàn)虛象外，在透射光一側的白屏上還會有兩個“再現(xiàn)實象”，仔細觀察兩個像的區(qū)別。第11頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:儀器剖析...

沖洗平臺：

第12頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:儀器剖析...

光學平臺：

第13頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:儀器剖析...

曝光定時器：

第14頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:儀器剖析...

照度計第15頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:內容與步驟...

拍攝全息圖：（1）先熟悉實驗室設置情況，在不關燈情況下了解各實驗設備的使用方法，布置實驗拍攝光路，使物光和參考光的光程基本相等。（2）調整光路使物光和參考光的夾角不宜太大，否則會使干涉條紋間距過小，對感光底片分辨率的要求更高。目前國產(chǎn)全息干版分辨率已達3000條/mm左右，所以一般控制在45°即可滿足拍攝要求，但也不宜太小，否則再現(xiàn)時和零級衍射波重疊，影響再現(xiàn)象的觀測。（3）關燈在暗室情況下測量在底片處物光和參考光的光強比，一般控制在1：3到1：8之間。（4）將底片夾裝上全息干版，注意藥膜面必須朝著物光方向。（5）最后檢查一下光路、光程和光強比，待整個系統(tǒng)穩(wěn)定幾分鐘后進行曝光，曝光時間由實驗室根據(jù)具體情況給出。（6）在暗室中對底片進行處理，即顯影、停顯、定影、水洗后晾干。注意在操作中不要損傷藥膜面。第16頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:內容與步驟...

全息圖的重現(xiàn)：（1）將全息圖在白光下觀察，并與普通照相照片比較，有何不同？（2）用擴束鏡將激光擴束后照射全息圖（圖a）,盡可能使光照方向和原參考光方向相同，仔細觀察再現(xiàn)虛像的位置、大小、特征，并移動眼睛位置，觀察視差效應。再移動全息圖前后位置及改變上下位置，觀察虛像的大小變化情況。（3）用一小孔貼近全息圖，通過小孔觀察虛像，看到的是局部還是全部？為什么？（4）實像的觀察（圖b）,直接用激光束照射全息圖，用一毛玻璃屏找實像，觀察實像的大小、特征。

第17頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:實驗動畫...

第18頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:疑難解答...

說出普通照相與全息照相的區(qū)別？答：普通照相只記錄物光的振幅；而全息照相即記錄物光的振幅又記錄物光的相位。一個是二維圖象，一個是三維圖象。2.一張破碎的全息圖殘片能重現(xiàn)物體的全貌嗎？答：能，但分辨率要受一定的影響。

第19頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:注意事項...

1.光學平臺，He-Ne激光器，電動快門及曝光定時器，反射鏡及分束器，擴束鏡，全息干版及底片架。上述器件均用磁性底座固定在光學平臺上，所有的光學元件表面嚴禁手摸。2.檢查全息平臺的穩(wěn)定性能，一定要保證絕對平穩(wěn)。3.物光與參考光的光程差必須小于所使用的激光的相干長度，最好使它們的光程大致相等。4.物光束與參考光束的光強比選擇要適當，以使全息照片具有最大的衍射效率。一般來說，物光束與參考光束的光強比取在1：2—1：5之間。5.參考光與物光之間的夾角要適當，以小于30度為宜。第20頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:參考資料...

1.大學物理實驗教程浙江大學出版社。2.大學物理實驗武漢大學出版社。3.大學物理導論清華大學出版社。4.普通物理實驗高等教育出版社。5.改變世界的物理學復旦大學出版社。6.固體物理學中南大學出版社。7.工程光學機械工業(yè)出版社。8.英漢物理學詞匯北京大學出版社。9.物理實驗手冊機械工業(yè)出版社。10.普通物理實驗高等教育出版社。11.大學物理通用教程北京大學出版社。12.現(xiàn)代光學基礎北京大學出版社。13.電子儀器與測量技術中國科技大學出版社。14.大學物理浙江大學出版社。第21頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:國際基本單位…

物理量符號名稱長度m米質量kg千克（公斤）時間s秒電流強度A安[培]熱力學溫度K開[爾文]物質的量mol摩[爾]發(fā)光強度cd坎[德拉]第22頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:基本物理常量…

物理量符號數(shù)值單位光速C299792458m/s里德伯常數(shù)R∞10973731.568549m-1

電子電荷e1.60217733?10-19C普朗克常量h6.6260755?10-34j.s電子靜止質量m9.1093897?10-31kg精細結構常量α7.29735308?10-3第一輻射常量c13.7417749?10-16W.m2第二輻射常量c20.01438769m.K阿伏加德羅常數(shù)NA6.0221367?1023mol-1

維恩位移常量b2.897756?10-3m.K真空磁導率μ

012.566370614?10-7NA-2電子伏eV1.602176462?10-19J第23頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:國際導出單位…

物理量符號名稱表示式頻率Hz赫[茲]s-1力N牛[頓]m.kg.s-2

壓強Pa帕[斯卡]N/m熱量、功、能J焦[耳]N.m功率、輻射通量W瓦[特]J/s電量C庫[侖]s.A電壓V伏[特]W/A電容F法[拉]C/V電阻Ω

歐[姆]V/A電導S西[門子]A/V磁通量Wb韋[伯]V.s磁感應強度T特[斯拉]Wb/m2電感H