11-全息照相.doc

实验十一 全息照相 英国科学家丹尼斯伽柏(Dennis Gabor)在1948年提出了新的两步无透镜成像法波前重现原理。伽柏通过实验发现，如果有一个合适的相干参考波和一个物体衍射波同时存在，此衍射波的振幅和位相的信息就能被完全记录下来。伽柏还证明了这样记录下来的全息图（hologram）通过相干光照射全息图可得到原来物体的像。由于受光源条件的限制，在激光出现以前，全息术的研究进展缓慢，在1960年激光器诞生之后，提供了理想的相干光源，全息术得到迅速发展。全息术在干涉计量、信息贮存、光学滤波等方面获得了广泛的应用，已成为一种有效的光信息贮存和显示技术。伽柏因此获得了1971年度的诺贝尔物理学奖。 本实验通过拍摄三维物体的全息图并重现其立体图像，从中理解全息照相的原理及其特点，了解全息照相的拍摄过程和摄影暗室操作技术，为进一步学习和开拓应用这一新技术奠定初步的基础。 【实验目的】 1了解全息照相基本原理。 2熟悉全息照相的实验技术。 3观察和分析全息照相的成像特性。 【实验原理】 1什么叫全息照相？全息照相和一般照相的区别我们知道普通照相是把来自物体的光波(简称物光)通过照相机镜头成像，在照相机底片平面上将物体发出或散射的光波的强度分布记录下来，我们称它为一步成像。见图1。因为底片上的感光物质只对光强度有响应，而光波的位相分布没有被记录下。因此普通照相所得到的是物体的二维平面图像，物体的三维特征消失了，它所记录的只是物体的光强分布，也即只记录物光的振幅，而没有把物光的全部信息(振幅和位相)记录下来。图1 全息照相则完全不同，它不用照相机镜头或其他成像装置，而是利用干涉和衍射的原理来记录和再现物体的光波，因而是一种完全新型独特的照相技术。它用干涉的方法把被摄物体的光波的全部信息振幅和位相都记录下来，因而称为全息照相。在全息底片上丝毫看不出被摄物体的像，而只是一些互相重叠杂乱的干涉花样。当要观察被摄物体时，可利用衍射现象，把物体光波重新再现出来。由于再现的是原来物体光波，因而得到的是一个真实的、具有视差的、大景深的三维图像。综上所述，可知全息照相实际上是一种两步成像的照相技术，第一步记录下复杂的干涉图样，得到一幅全息图，称为记录过程。第二步照明全息图，再现出原始物体光波，得到与物体不可分辨的像，称为再现过程。 2物光的记录和再现 图2是全息照相记录过程的原理图，感光片除受到来自物体的光束照明外(注意没有任何成像装置)，还受到另一光束(称为参考光)的照明。如果物光和参考光是高度相干的，则物光和参考光在底片上迭加干涉，其物光的振幅信息被转换成干涉条纹的明暗对比度，物光的位相信息被转换成干涉条纹的形状和疏密分布记录下来。这样一张记录了干涉花样的底片经处理后，就是一张全息片。在图2中，设底片平面为XY平面，、分别表示参考光在XY平面上的振幅和位相分布，因此参考光在XY平面上的复振幅为：同样设由物体发出的物光波在XY平面上的振幅和位相分布为：参考光和物光在底片平面处相遇相干，合成复振幅为：+图2=+合成光强为：由上式可知，前两项分别是参考光和物光的强度，而第三项取决于它们的相对位相关系。由此可知物光波的振幅和位相二者信息均已被记录下来，而这实际上也就是二相干光波的干涉图样被记录下来了，这样的一张全息图实际上是一种较复杂的光栅结构。因为物体上任一发光点发出的物光在整个感光底片上各点都和参考光相遇发生干涉，因而在整个感光底片上各处都有该发光点的信息记录，所以一张全息图上每一点都包含了该物体的全部信息。将曝光后的底片经过显影和定影等暗室技术处理后晾干就成为一张全息图。如果我们控制曝光量的变化范围在该底片的t-H曲线的线性区域内，而且参考光的强度|A|2在整个记录表面是均匀的，则显影后底片的振幅透过率为： 其中t0和为一常量，对于负片为负值，对于正片为正值。将I(x,y)代入上式得：其中和为一常量，对于负片为负值，对于正片为正值。将代入上式得： 当为均匀分布时，令则：当用一束相干的光波照射全息图时，设照射光波复振幅为，则透过全息图的复振幅为：如果再现光波与参考光相同，即，则由可见：在全息图后面出现了四个光波，其中一个，除了振幅大小有改变外，原来的物体光波再现出来了，在全息图后面迎着这个光波观察时，将可看到原物体的虚像，而且当人的眼睛换一个位置时，可以看到物体的侧面象，原来被挡住的地方也露出来了。普通的照片无论如何也不能看到物体原来被挡住的那一部分。式中第四项即与物光的共轭光波有关，通常它形成一个实像。不过这个实像是原来物体的前面变成了后面，外边翻到了里边。实像和虚像分别是再现光束照射全息图时，透射光的一级衍射波形成的两个象。发散的1级衍射波在全息片的前面即原来物体的地方形成一虚像，会聚的1级衍射波在全息片的后面形成一实像。和只和照射光与物光光强有关的光波，四个光波的出现是照射光经过全息图衍射的结果。【实验装置】光学平台，He-Ne激光器，电动快门及曝光定时器，反射镜及分束器，扩束镜，全息干版及底片架。上述器件均用磁性底座固定在光学平台上，所有的光学元件表面严禁手摸。【实验内容】1. 拍摄全息图（1）先熟悉实验室设置情况，在不关灯情况下了解各实验设备的使用方法，布置实验拍摄光路，使物光和参考光的光程基本相等。（2）调整光路使物光和参考光的夹角不宜太大，否则会使干涉条纹间距过小，对感光底片分辨率的要求更高。目前国产全息干版分辨率已达3000条/mm左右，所以一般控制在45即可满足拍摄要求，但也不宜太小，否则再现时和零级衍射波重叠，影响再现象的观测。（3）关灯在暗室情况下测量在底片处物光和参考光的光强比，一般控制在1：3到1：8之间。（4）将底片夹装上全息干版，注意药膜面必须朝着物光方向。（5）最后检查一下光路、光程和光强比，待整个系统稳定几分钟后进行曝光，曝光时间由实验室根据具体情况给出。（6）在暗室中对底片进行处理，即显影、停显、定影、水洗后晾干。注意在操作中不要损伤药膜面。2.全息图的重现（1）将全息图在白光下观察，并与普通照相照片比较，有何不同？（2）用扩束镜将激光扩束后照射全息图（图a）,尽可能使光照方向和原参考光方向相同，仔细观察再现虚像的位置、大小、特征，并移动眼睛位置，观察视差效应。再移动全息图前后位置及改变上下位置，观察虚像的大小变化情况。（3）用一小孔贴近全