全息照相实验.ppt

全息照相实验 一 光学全息概述普通照相是根据几何光学成像原理 记录下光波的强度 即振幅 将空间物体成像在一个平面上 由于丢失了光波的相位 因而失去原物体的三维信息 如果能够记录物光波的振幅和相位 并在一定条件下再现 则可看到包含物体全部信息的三维像 即使物体已经移开 仍然可以看到原始物体本身具有的全部现象 包括三维感觉和视差利用干涉原理 将物体发出的特定光波以干涉条纹的形式记录下来 使物体波前的全部信息都贮存在记录介质中 故所记录的干涉条纹图样被称为 全息图 当用光波照射全息图时 由于衍射原理能重现出原始物光波 从而形成与原物体逼真的三维像 这个波前记录和重现的过程称为全息术或全息照相 全息照相术是英籍匈牙利科学家丹尼斯盖伯 DennisGabor 发明的 1947年他从事电子显微镜研究 当时电子显微镜的理论分辨率极限是0 4nm 由于丢失了光波的相位 实际只能达到1 2nm 比分辨原子晶格所要求的分辨率0 2nm差得很多 这主要是由于电子透镜的像差比光学透镜要大得多 从而限制了分辨率的提高 为此 盖伯设想 记录一张不经任何透镜的 用电子衍射的电子波制作曝光照片 即全息图 使它能保持物体的振幅和相位的全部信息 然后用可见光照明全息图来得到放大的物体像 由于光波波长比电子波长高5个数量级 这样 再现时物体的放大率就可获得倍而不会出现任何像差 所以这种无透镜两步成像的过程可期望获得更高的分辨率 根据这一设想 他在1948年提出了一种用光波记录物光波的振幅和相位的方法 并用实验证实了这一想法 从而开辟了光学中的一个崭新领域 他也因此而获得1971年的诺贝尔物理学奖 从1948年盖伯提出全息照相的思想开始一直到50年代末期 全息照相都是采用汞灯作为光源 而且是所谓的同轴全息图 它的级衍射波是分不开的 即存在所谓的孪生像问题 不能获得好的全息像 这是第一代全息图 是全息术的萌芽时期 第一代全息图存在两个晋严重问题 一个是再现的原始像和共轭像分不开 另一个是光源的相干性太差 1960年激光的出现 提供了一种高相干性光源 1962年美国科学家利思 Leith 和乌帕特尼克斯 Upatnieks 将通信理论中的载波概念推广到空域中 提出了离轴全息术 他用离轴的参考光和物光干涉形成全息图 再利用离轴的参考光照射全息图 使全息图产生三个在空间互相分离的衍射分量 其中一个复制出原始物光 这样 第一代全息图的两大难题宣告结束 产生了激光记录 激光再现的第二代全息图 从而使全息术在沉睡了几十年之后得到了新生 进入了迅速发展年代 相继出现了多种全息方法 并在信息处理 全息干涉计量 全息显示 全息光学元件等领域得到广泛应用 由此可见 高相干度激光的出现 是全息术发展的巨大动力 由于激光再现的全息图失去了色调信息 人们开始始致力于研究第三代全息图 第三代全息图是利用激光记录和白光再现的全息图 例如反射全息 像全息 彩虹全息及模压全息等 在一定的条件下赋予全息图以鲜艳的色彩 激光的高度相干性 要求全息拍摄过程中各个元件 光源和记录介质的相对位置严格保持不变 并且相干噪声也很严重 这给全息术的实际使用带来了种种不便 于是 科学们又回过头来继续探讨白光记录的可能性 第四代全息图可能是白光记录和白光再现的全息图 它将是全息术走出实验室 进入广泛的使用领域 目前已经开始取得进展 除了用光学干涉方法记录全息图 还可用计算机和绘图设备画全息图 这就是计算全息 Computer GeneratedHologram 简称CGH 计算计算全息是利用数字计算机来综合的全息图 不需要物体的实际存在 只需要物光波的数学描述 因此 具有很大的灵活性 全息术不仅可以用于光波波段 也可以用于电子波 X射线 声波和微波波段 实际上 利思和乌帕特尼克斯的高轴全息概念就是来自于微波领域的旁视雷达 微波全息图 正如盖伯在他荣获诺贝尔奖时的演说中所指出的 利思在雷达中用的电磁波长比光波长10万倍 而盖伯本人在电子显微镜中所用的电子波长又比光波短10万倍 他们分别在相差倍波长的两个方向上发展了全息照相术 这说明科学的发展总是互相渗透 互相影响的 二 实验原理1 全息图的记录 R O H 两光波叠加后 x y 点的强度为 式中第一项 第二项为物光和参考光的光强 对H上任一点 x y 这两项为常数 第三项 第四项为干涉项 反映了两相干光的振幅和相对位相的关系 可见在底片H上 干涉图样将物光波的振幅和位相两种信息全部记录下来了 2 全息图的再现若感光干板H的曝光和显影都控制在线性部分 即振幅透过率t随曝光量H的变化关系 则感光干板H上各点的振幅透过率t x y 与光强I x y 成线性关系 即式中 为常数 其中是t H曲线线性部分的斜率 为了重现物光波 一般是用参考光波相似的光照射全息图 设再现光波复振幅为则透过全息图后的复振幅分布为其中 以上讨论表明 全息图相当于一个复杂的衍射光栅 再现光波经全息图后 透射光包括三个不同的部分 如图所示 式中右边的第一项和第二项与再现光波只相差一个常系数 称为直射光或0级衍射波 C 虚像 实像 H 第三项和第四项所产生的光波在0级衍射波的两侧 称为 1级和 1级衍射波 当取再现光波与参考光波相同即时 1级衍射波准确地再现原来的物光波 只是振幅大小有变化 这是一发散波 它在全息图后面形成了与物体完全相同的虚像 称原始像 1级衍射波包含了物光的共轭波 它是一束会聚波 其会聚点就是实像的位置 一般来说实像有畸变 若要得到无畸变的实像 需用一束与参考光波共轭的再现光波照射全息图 三 实验光路及内容1 实验光路 玻璃面 乳胶面 H M2 BS He Ne激光器 M1 全息照相的拍摄与再现实质上是光的波前记录和波前再现 记录的是物光和参考光波前干涉条纹 再现的是1级衍射光 2 实验内容拍摄一张菲涅耳全息图 使用天津产全息干板 其分辨率为3000 mm 经曝光后显影 3分钟 定影 5分钟 干燥后放原底片夹上以参考光照射 看其再现的虚像 3 光路的调整与操作 光路中各元器件要调节共轴 参考光 物光两光束的光程差大约为零 最大不能超过5厘米 光斑扩束大小要适中 充分利用光能 底片全部照到且均匀为宜 约cm 光路调整好后 据光能的强弱确定曝光时间 曝光时间用曝