对全息照相的分析与改进

对全息照相的分析与改进 内容摘要 文章对全息照相的实验原理进行了分析 找出了影响实验成功率的诸多因素 例 如实验台的抗震性 被摄物体的选择 物光与参考光的光强比和夹角 全息底片的选 取和最后的冲洗过程 并对这些因素进行了分析 提出了改进全息照相的具体办法 力求得到完美清晰的图象 例如实验台抗震性的提高 实验中可以采用具有良好散色 性的玩具或者涂上荧光粉的玩具作为被拍摄的对象 物光与参考光的夹角最好在 30 到 35 度之间 光强比在 1 3 到 1 4 之间 全息底片的选取要注意三个因素 光谱范围 分辨率本领和灵敏度 并对这三个方面之间的关系进行了分析 提出了具体的改进方 法 通过实验证明 以上的改进做法确实提高了全息实验的成功率 得到了更加清晰 的图片 关键词 激光全息照相 物光 参考光 光程差 光强比 干涉 衍射 The analysis and improvement that takes Hologram a picture to principle Abstract In this paper we analyze the test of hologram principle find out a lot of factors that influence the success such as anti seismic of the experimental platform the choice of the object the angle and intensity of the material light and reference light the selection of holographic film and the flushing process Then we make some analyses to these factors and put forward some concrete methods to improve the experiment For example we could increase the property of anti seismic of the platform The experiment can be used with good color powder coated with phosphor toys it will be best that the angel between the object light and the reference light is in 30 to 35 degrees and that the light intensity is between 1 3 to 1 4 We also must pay attention to three factors of the holographic film the spectral range and the resolution ability and sensitivity and the relationship between these three aspects The experimental results show that the improved above practice is really improve the holographic experimental ratio and we got clearer pictures Key Words laser holographic photographic object light Reference light Optical path difference the light intensity interference diffraction 目 录 一 全息照相的基本原 理 1 一 全息照相原理简 介 1 1 实验过 程 1 2 全息再 现 2 二 全息照相分析与改 进 4 一 影响全息照相成功率的因 素 4 1 实验平台稳定性的影 响 4 2 被摄物的影响 4 3 光路调节的影 响 4 4 参考光和物光光强的影 响 4 5 全息底片的影 响 4 6 冲洗和漂白的影 响 4 二 改进全息照相的措 施 4 1 要有稳定的实验系 统 4 2 拍摄对象要有良好的散射性 能 4 3 光强比的调 节 5 4 物光与参考光夹角的选 择 5 5 全息底片选取的科学 性 6 结束 语 7 参考文 献 8 致 谢 8 对全息照相的分析与改进 引言引言 随着时代和科技的进步 全息照相技术也得到了很好的发展 尤其是在 20 世纪 50 年代以后 激光的出现 使全息照相技术更上了一个台阶 从此 全息照相在现代的 科技中占有了重要的位置 近几年来 全息术在各个领域都得到了广泛的应用与发展 例如 在计算机 医学 军事等等方面都得到了很好的发展 全息照相是应用光的相 干原理进行的 因此对实验环境的要求很高 所以 我们对影响实验环境的因素作了 具体的分析 并提出了改进的方法 使实验得以准确进行 得到的图片更加清晰 大家知道 光是电磁波的一种 电场强度可以在光波中产生感光作用和生理的作 用 物体上的每一点向外界发射出来的波向四面八方传播 有反射光和透射光等 这 些光我们称之为物光 物体之所以能够被人眼接收 是因为物体所发射出来的物光到 达了人眼 我们所观察到的物光上的任何一点 都携带有物体上那部分的全部信息 所以无论我们眼睛瞳孔的大小 都可以观察到整个物体 普通全息照相是根据波动光学的原理制作完成的 它使用透镜系统将所指对象的 立体图呈现在底片上 然后在照片上得到所要拍摄的场景的立体图 这种照相技术只 是记录了所拍对象的光强和位置 但是 他显然不能记录物体的相位 最后得到的是 一张二维图像 而全息照相并没有利用透镜的成像原理 它所得到的是一张三维图像 接下来 我们了解一下全息照相的原理 一 全息照相的基本原理 一 全息照相原理简介 1 实验过程 全息照相技术可以简单得分为两个过程 即 干涉照相 衍射再现 2 3 1 拍摄过程 如图 1 所示 1 从激光器中发射出来的光分成了两束 第一束光经过扩束后照到 全息底片上 我们称之为参考光束 第二束光照射到物体上 又通过物体表面反射到 全息底片上我们将它称之为物光 两束光在全息底片上发生相干叠加 形成了干涉条 纹 产生的全息图就是将干涉条纹记录下来 全息图不仅反映了振幅信息 同时也反 映了相位信息 在记录全息图像时 每一点的散射球面波在扩散后都覆盖了整个底片 所以得到的全息照片上的每一点都记录了整个物体的信息 如果全息底片破碎 我们 同样可以观察到得到完整的全息图像 2 记录过程 建立如图 2 所示的坐标系 设物光的复振幅为 tyx cosA A 01 参考光的复振幅为 cos A A 02 tyxyx 其中和分别是物光与参考光在底片上的相位分布 由叠加原理得 底片上的 1 A 2 A 总场为 A A A 21 yxyxyx 因为光强为复振幅的平方 得 cosAA2AA 21 2 2 2 1 I 其中和分别为物光波与参考光波独立照射时的光强度 第三项为相干项 该项 2 1 A 2 2 A 反映了物体上某点的相位情况 2 全息再现 如图 3 所示 用一束激光照射全息底片 全息底片上的每一条干涉条纹相当于 一个光栅 使之再产生衍射波 当光波经过全息底片衍射时候 在其后面会出现一 系列的衍射波 其中 零级条纹可以看做是衰减后的入射光束 其中一级衍射波与 物体原始位置发出来的波完全一致 形成了虚像 另一级衍射波则形成了实像 参考光束 物点 全息底片 Y X 图 2 Z 扩束 仪 L 扩束仪 L 反光镜 M 快门 分光镜 激光器 反光镜 M 图 1 激光束 全息底片 第一级 零级 第一级 实像 虚像 图 3 二 全息照相分析与改进 一 影响全息照相成功率的因素 1 实验平台稳定性的影响 我们知道 实验环境对实验的成功有着至关重要的影响 6 尤其是做光学实验 如果周围环境有微小的震动也会影响光路的稳定性 外界的震动会传到实验台使其跟 着产生震动 由于全息底片上记录的是参考光和物光的干涉条纹 由于这些条纹非常 细 很小的周围环境震动都会引起干涉条纹的模糊 因此 全息照相要有良好的防震 系统 2 被摄物的影响 使用方向性强的激光束照射物体时 与平面物体不同 被照射的三维物体由于表 面凹凸不平 5 使全息底片上只记录了能照射到的物体的某些部分 这样由于物光分 布不 均匀只能在全息底片上记录物体的部分像 3 光路调节的影响 一般来说 要获得清晰的干涉条纹 要求光的相干性要好 如果两个相干光的光 程差相差较大时 就会影响条纹的质量 同时 物光和参考光的角度选取也会影响到 实验的成功 夹角越大 干涉条纹就会越细 我们可以在较大范围内观察到全息图 但同时对全息底片的分辨率也有更高要求 4 参考光和物光光强的影响 我们知道 实验中得到的全息底片上的像 就是参考光和物光在底片上形成的干 涉条纹的叠加 要想得到清晰图片 两光束的光强比也会影响底片的质量 所以 参 考光和物光的光强比也会对实验产生影响 我们必须加以分析 5 全息底片的影响 全息底片是现在全息照相中常用的记录介质 其选择时候要注意以下三个方面 光谱范围 分辨本领和灵敏度 一般来说 不同光源所选择的底片不同 底片的分辨 本领要高 还要尽量保证灵敏度高 6 冲洗和漂白的影响 全息照相的冲洗非常关键 是否能得到一张好的清晰的图片 就要看冲洗的技术 如果操作不适当是不会得到预期效果的 冲洗和漂白过程要把握药水的用量 配置顺 序 另外还要注意时间的选择 药水的温度 二 改进全息照相的措施 好的全息图不仅要求图像清晰 还要求立体感强 亮度高 要想得到好的全息图 必须严格把握每个步骤 力求做到完美 从原理上看 要求到达全息底片上的参考光 和物光应该尽量满足相干光的条件 即 两列波的频率相同 振动方向相同 位相差 恒定 我们对影响全息照相的因素进行逐一分析 1 要有稳定的实验系统 一般我们要求 实验装置应该有稳定的 防震的系统 最简单的方法是在一块较重 的铁板下放三个气垫 目前实验所采用的平台为气动平台 我们在调节好光路装置后 通常要将实验原件和实验台固定起来 在曝光时 应该尽量避免大声喧哗 10 不要随 意走动 保持室内的绝对安静 最好在实验装置摆放好后 将其停放一分钟再进行曝 光 这要可以保证其稳定性 得到预期效果 2 拍摄对象要有良好的散射性能 在实验中 我们最好选用瓷器的物体或者具有荧光效果之类的物体 因为这种物 体有良好的散射性能 而且这种玩具可以使光线均匀射出 将物体整个照射的通亮 可以使物光尽量多的投射到全息底片上 3 光强比的调节 全息底片上的图像的清晰程度可以用反衬度 9 来描述 minmax minmax II II 指的是暗条纹的极小强度 指的是亮条纹的极大强度 化为光强的表达式为 min I max I 2 2 2 1 21 EE E2E 通常在实验的操作中 我们选取物光和参考光的光强比在 1 2 到 1 10 之间 2 对应的 反衬度可以由下表 1 所示 表 1 光强比与反衬度的对比 3 7 光强比反衬度 1 20 8 1 30 6 1 40 48 1 50 39 1 60 33 1 70 29 所以 反衬度越大的条纹在全息底片呈现的图像就越清晰 由上表可以看出 光强比 越大全息底片上条纹明暗对比就越不清晰 光强比小则叠加后的干涉条纹整体较黑 所以 我们最好选取光强比在 1 3 到 1 4 4 物光与参考光夹角的选择 我们知道 条纹间距和物光与参考光的夹角的选取有关 我们选取激光的波长为 632 8nm 的光源和全息 I 型干板 可以得到下表 2 这一关系 从表中可以看出当夹角大 于 40 度的时候物光和参考光干涉条纹间距已经达到了数量级 而且随着角度增大 5 10 还在减小 但是选取角度偏小时 两光束接近于重合 两光束之间会产生影响 因此 夹角也不能太小 8 8 所以 我们最好选取角度在 30 到 35 度之间 4 表 2 物光参考光之间的夹角与干涉条纹间距的关系 3 7 角度 度条纹间距 cm角度 度条纹间距 cm 15 2 42 4 10 40 9 24 5 10 20 1 81 4 10 45 8 26 5 10 25 1 45 4 10 50 7 48 5 10 30 1 23 4 10 55 6 87 5 10 35 1 06 4 10 60 6 34 5 10 5 全息底片选取的科学性 目前全息照相所用的记录介质为全息底片 一般可以从以下几个方面进行选择 1 光谱范围的选取 我们通常选取经过敏化的感光胶片 不同的感光底片对应不同光源 例如 如果 我 们选取氢 氖激光器和红宝石激光器为光源 要选用对红色敏感的胶片 如果选取氩离 子激光器为光源的 就要选用蓝绿敏感的底片 具体参数选择如下表 7 7 表 3 不同激光器的光谱范围的选取 3 7 名称波长 nm 功率 mw 相干长度 cm 红宝石激光器 694 3 巨脉冲 氦 氖激光器 632 850 10020 氦 镉激光器 441 650 100 氩离子激光器 488 0 514 5 10 10008 2 分辨本领要高 两干涉条纹之间的间距 d 2sin 2 频率 1 d 2sin 2 若选取 0 63 m 60 度 则 1700 条 mm 所以我们要求全息底片的分辨率为 2000 条 毫米 一般来说干涉条纹越密则要求感光片 的粒子越细 全息底片的响应与频率有关 其关系如下图 4 所示 Vs 1 2 1 响应率 相对值 图 4 其中越高 能记录的条纹就越精细 我们所记录的全息图片就越清晰 V 为截止频 s V 率 3 全息底片灵敏度要高 灵敏度与底片上粒子的粗细有关 粒子越粗 灵敏度就越高 因此 这个概念与 上面的分辨率选取是有矛盾的 所以我们只能在保证分辨率高的情况下适合调整灵敏 度 使其配合 效果更好 再保证分辨率高的情况下 选取灵敏度高一些的底片 常 用全息底片的特性如下表 4 所示 7 表 4 不同底片的灵敏度 名称厚度分辨本领灵敏度适用波长 Kodak 125912500 5 0 8441 6 Kodak131312502632 8 Kodak649f8 Agfa 10E75728002632 8 Agfa 8E757500010632 8 Agfa 8E567500015476 0 Agfa 10E56728001 4476 0 天津全息干板 I 型 6 153000 632 8 天津全息干板 II 型 6 152800 632 8 4 全息照相的冲洗与漂白 如果显影时间过于太长 我们需要对全息底片进行漂白 有时我们将全息底片冲 洗成位相型的全息片 这样可以提高衍射效率 接下来我们必须对其进行漂白 我们 所用的漂白液配置如下表 7 表 5 漂白液的配制 水 800cc 硫酸铜 100g 氯化钠 100g 浓硫酸 25cc 加水至 1000cc 将胶片浸入漂白液中 如果在微光下底片透明则可以取出 再用水冲洗 5 分钟 然后 再将其放倒 50 的乙醇中浸泡一分钟 然后自然晾干即可 结束语 在全息照相实验中 我们应该尽量按照实验步骤的要求进行实验 以上我们所列 举的实验错误是大家做实验时候常常遇见的 得到清晰图像最关键的是要有好的相干 和稳定的激光作为光源 同时还要尽量保证参考光和物光的光程差一致 光束的光强 比与夹角都要选择合适 也要注意曝光时间长短的把握 如果满足以上条件 就可以 得到清晰的图象 当然 以上所列举的的提高实验的方法是行之有效的 希望大家在 以后的试验中予以采用 而且我们还对实验中的一些细节进行了分析和详细论述 也 希望大家给予意见和建议经过这次对全息照相的分析和研究 我们了解到了全息照相 的应用前景是非常广泛的 我们可以在各个领域中看到全息照相的身影 例如 医学 中的 B 超声波扫描 X 射线摄影 在生活中 可以制作全息电影 全息电话 全息电 视等 此外 全息照相在军事侦查上也得到了广泛的应用 在实验过程中 我们不断 摸索 总结经验 并且查阅了很多书籍 提出了以