反射白光再现全息图的制作.doc

聊城大学本科毕业论文（设计） 本科生毕业论文（设计） 题 目：反射白光再现全息图的制作 专业代码： 070201 作者姓名： 周忠辉 学 号： 2004201007 单 位：物理科学与信息工程学院 指导教师： 李丽华 2000年 5 月 25 日10目 录前言11 实验原理111全息制作的基本原理11.1.1波前的干涉记录21.1.2波前的衍射再现312反射式白光再现的基本原理42 实验装置和方法521全息照相必备的实验装置522实验方法62.2.1 拍摄光路62.2.2曝光72.2.3将曝光后的干版进行处理72.2.4再现方法72.2.5实 验 要 点83 实验结果与分析8结 论9参考文献9致 谢10摘 要本文阐述了全息照相的基本原理和实验方法：全息照相是以光的干涉、衍射等物理光学的规律为基础，利用物光与参考光在底版上叠加而发生干涉，记录了干涉条纹的底版经显影、定影成为全息图。本次实验设计了反射式白光再现全息图的拍摄光路，并且经过多次实验探索出了该实验的曝光时间和相应的显影、定影时间，制作出清晰的全息图。关键词：全息照相；干涉；衍射；白光再现。AbstractIn this paper, holography and the basic principles of experimental methods: a holographic optical interference, diffraction, and so the laws of optical physics based on the use of light and reference light in Diban superimposed on the case of interference, the interference fringes of the record Diban by contrast, fixing a hologram. The experimental design of the reflective white reproduce hologram of the optical shooting, and after several tests to explore the experimental exposure time and the corresponding enhancement, fixing time, to create a clear hologramKey words：hologram，interference，diffraction，white light reappearance 反射式白光再现全息图的制作前言激光间世以后，全息术得到迅速发展，尤其是全息图的白光再现，更是日臻完善，已经应用到诸多行业.全息图的白光再现是通过特殊的记录方法或利用某种特性来实现的.可白光再现的全息图的种类很多，但基本类型主要有三种，即象面信息、彩虹全息和反射信息.其它可白光再现的全息图，如合成全息、多层全息等是由多个彩虹全息或反射全息或象面全息以及这三种基本类型的全息图合成而致,本文将对反射式白光再现全息图的记录与再现机理进行简要的分析并经实验探索确定出该实验的曝光时间和相应的显影时间。1 实验原理11全息制作的基本原理全息照相是指一种记录被照物体反射波的振幅和位相等全部信息的新型照相技术。普通照相是记录物体面上的光强分布，它不能记录物体反射光的位相信息，因而失去了立体感。全息照相采用激光作为照明光源，并将光源发出的光分为两束，一束直接射向感光片，另一束经被照物的反射后再射向感光片。两束光在感光片上叠加产生干涉，感光底片上各点的感光程度不仅随强度也随两束光的位相关系而不同。所以全息照相不仅记录了物体上的反光强度，也记录了位相信息。人眼直接去看这种感光的底片，只能看到像指纹一样的干涉条纹，但如果用激光去照射它，人眼透过底片就能看到原来被拍摄物体完全相同的三维立体像。一张全息摄影图片即使只剩下一小部分，依然可以重现全部景物。 全息照相过程分为两步：波前的干涉记录和波前的衍射再现。1.1.1波前的干涉记录波前的干涉记录过程是：把激光束分成两束；一束激光直接投射在感光底片上,称为参考光束；另一束激光投射在物体上，经物体反射或者透射，就携带有物体的有关信息，称为物光束.物光束经过处理也投射在感光底片的同一区域上.在感光底片上，物光束与参考光束发生相干叠加，形成干涉条纹。如图一所示图中H为全息干版，O为物点，R为参考光源。若以全息图H的中心为坐标原点O，其所在平面为xOy平面建立直角坐标系，则物光和参考光在全息图平面上的复振幅可分别记为：式中，为振幅分布，为位相分布，它们都是实数。因此在全息图平面上，参考光和物光相干叠加后的光强为：设记录时全息图的曝光时间为，则全息图的曝光量为再线性记录条件下，全息图的复振幅透射率为式中为未曝光部分的透射率，为取决于干版感光特性和显影过程的常数。将（1-1-3）式代入（1-1-4）式得 （1-1-5）1.1.2波前的衍射再现波前再现过程用照明光照射全息图使其衍射。设照明光在全息图上的复振幅分布为 （1-1-6）则透过全息图的光波复振幅为。由于只研究衍射成像问题，故可忽略透射光中的常数项，而简单地写成： （1-1-7）（1-1-7）式即为全息照相的基本公式。式中第一项为振幅受到调制的照明光波，第二项是含有位相的原始像项，第三项是含有一的共轭像项。 全息照相和常规照相不同，在底片上记录的不是三维物体的平面图像，而是光场本身。常规照相只记录了反映被报物体表面光强的变化，即只记录的光的振幅，全息照相则记录光波的全部信息，除振幅外还忘记录了光波的们相。即把三维物体光波场的全部信息都贮存在记录介质中。12反射式白光再现的基本原理白光反射再现全息图是利用厚层照相乳剂记录干涉条纹，并利用布喇格衍射效应再现物像的在这种记录过程中也是利用分离的相干光束进行叠加，物光和参考光分别从记录介质的两侧入射，两束光之间的夹角接近于180因而，在全息记录介质内可建立起驻波，这样形成的干涉条纹接近平行于记录介质的表面这些干涉条纹实际上是一些平面，即形成了三维分布的空间立体光栅用图二可以说明干涉条纹的形成参考光和物光以接近180的夹角入射到干版的乳胶层上为简便分析，假设参考光和物光均为平面波且与乳胶面的法线构成相同的倾角从图中可以看到，一系列相继等相位波前穿过乳胶层，两列波的波阵面相交的轨迹为一平面，在这个平面上均为干涉最大干版的乳胶层被曝光 后，经过显影和定影处理，就形成了一些高密度的银粒子层在所假定的条件下，这些银粒子层平分物光和参考光之间的夹角这些密度高的银粒子层对于入射光来说就相当于一些局部反射平面，称为布喇格平面(图中以虚线表示)根据图二可得如下关系式：2dsin(/2)= (1-2-1)式中，d为相邻两银粒子层之间的距离，为介质中的波长以上结果是在假定的特殊条件下得出的，而在一般情况下也可以得到类似的结果实际的物光不可能是平面波，因此，物光和参考光所形成的干涉层是很复杂的原物光的全部信息就被记录在这些复杂的银层上，当用任何一束平面波照射处理好的全息图时，通过这些布喇格平面的局部反射作用就可以再现出一束原始物波，即再现出物体的原始信息其原理可用图三说明由相邻两个布喇格平面所反射的光线之间的总光程差=2dsin (1-2-2)为了使再现物像获得最大亮度，两个相邻布喇格平面的反射光之间的光程差应等于一个波长令=，由(2)式可得sin= (1-2-3)这一关系式称为布喇格条件，称为布喇格角这也就是获得最佳再现像而应满足的条件分析式(1-2-1)和式(1-2-3)可以得到下面两个结论：(1) 反射全息图在再现时，对应于某一个角度，只有一种波长的光能获得最大亮度也就是只有再现光的波长和方向满足布喇格条件时才能再现物像所以，这种全息图可以从含有多种波长的复色光源中选择一种波长再现物像，从而实现了复色光再现(2) 用白光再现时，若从不同角度观察，再现像的颜色将有所变化，即不同的角度对应着不同的光波波长，随着角的增加，观察到的波长将从短波向长波方向变化2 实验装置和方法21全息照相必备的实验装置为了拍出一张满意的全息照片，拍摄系统必须具备以下要求： (1) 光源必须是相干光源 通过前面分析知道，全息照相是根据光的干涉原理，所以要求光源必须具有很好的相干性。激光的出现，为全息照相提供了一个理想的光源。这是因为激光具有很好的空间相干性和时间相干性，实验中采用He-Ne激光器，用其拍摄较小的漫散物体，可获得良好的全息图。 (2) 全息照相系统要具有稳定性 由于全息底片上记录的是干涉条纹，而且是又细又密的干涉条纹，所以在照相过程中极小的干扰都会引起干涉条纹的模糊，甚至使干涉条纹无法记录。比如，拍摄过程中若底片位移一个微米，则条纹就分辨不清，为此，要求全息实验台是防震的。全息台上的所有光学器件都用磁性材料牢固地吸在工作台面钢板上。另外，气流通过光路，声波干扰以及温度变化都会引起周围空气密度的变化。因此，在曝光时应该禁止大声喧哗，不能随意走动，保证整个实验室绝对安静。我们的经验是，各组都调好光路后，同学们离开实验台，稳定一分钟后，再在同一时间内爆光，得到较好的效果。 (3) 使用高分辨率的全息底片 因为全息照相底片上记录的是又细又密的干涉条纹，所以需要高分辨率的感光材料。普通照相用的感光底片由于银化物的颗粒较粗，每毫米只能记录50100个条纹，天津感光胶片厂生产的I型全息干版，其分辨率可达每毫米3000条，能满足全息照相的要求。 (4) 全息照片的冲洗过程 冲洗过程也是很关键的。我们按照配方要求配药，配出显影液、停影液、定影液和漂白液。上述几种药方都要求用蒸馏水配制，但实验证明，用纯净的自来水配制，也获得成功。冲洗过程要在暗室进行，药液千万不能见光，保持在室温20在右进行冲洗，配制一次药液保管得当可使用一个月左右。22实验方法2.2.1 拍摄光路按图四的光路将仪器摆放好，将光源、快门（光开关）、扩束镜、物体、干版靠拢，调成同轴等高。使扩束镜出射的光束直径稍大于物体的直径。扩束后的激光投射到全息干版上，部分激光透过干版照射到被拍物上，由被拍物散射回干版的光即为物光物光和原入射光(参考光)以大约180的夹角分别从全息干版两侧入射到乳胶层中，从而在乳胶层内形成干涉图样并使乳胶层曝光2.2.2曝光a用激光功率计分别测定干版面上的物光和参考光b测定干版面上的光强，根据所用的干版的感光度估算曝光时间c关上快门，在黑暗状态下将干版放在干版架上。d等待约一分钟，在光学平台的震动和空气的波动停息后，按估算的时间进行曝光。2.2.3将曝光后的干版进行处理。a）对曝光后的干版，取下后，放在显影液中按指定时间进行显影。b）将显影完毕的干版迅速浸入停显液中，浸一分钟，然后进行水洗。c）进行定影处理，或者是转至制作位相型全息图的漂白处理d）进行干燥（不可以烘干，要自然晾干）2.2.4再现方法如图五所示，从与拍摄时参考光相反的一侧（乳剂面那侧），用电灯光等白光照射全息图，由全息图内的干涉条纹引起的布拉格反射，由所选定波长的光再现出虚像。再现时，照明用的光源如果是简单的幻灯机，则会比通常的电灯光能再现出更为鲜明和明亮的象。2.2.5实 验 要 点(1) 实验前应布置迈克尔逊干涉光路检查全息台的稳定性，使防震性能符合要求，即干涉条纹的漂移不应超过条纹间距的四分之一否则要查找引起震动的原因(2) 应特别注意干版和被摄物的固定固定干版应使用两边夹紧的干版夹被摄物应在实验前预先固定好，以便得到充分的稳定时间本实验光路中干版和被摄物之间的距离比较近，在装御干版时应特别注意不要触动被摄物(3) 干版装好后让实验系统静置1min以后再进行曝光在曝光期间应尽量避免震源、声源、热源及风源等所引起的干扰(4) 不同型号的全息干版其性能及处理方法是不同的，处理干版时应按厂家提供的配方及程序进行操作本试验用的是天津感光胶片厂生产的I型全息干版它的曝光量约为5mJ/cm2，显影液按其推荐配方配制，使用时按1:10的比例加水稀释，在20时显影30min，用F-5定影液定影，可以得到衍射效率较高的全息图(5) 光路中可以加上针孔滤波器和光栏，拦掉光束周围的杂散光，使光斑均匀布满干版和被摄物体（6）该实验光路适合于拍摄物体线度不太大、表面平坦且散射能力较强的物体，如硬币、表芯及小工艺品等3 实验结果与分析在实验时为探究最佳的曝光时间和显影时间，实验的现象如下表反射式白光再现实验数据曝光时间显影时间图像的优劣6看不清6看不清6看不清6模糊5较模糊5较模糊5一般5一般一般清晰一般一般2一般一般看不清模糊色太浅分析：不同的曝光时间对应的最佳显影时间不一样，曝光时间为4秒 显影时间为50秒时效果较好。结 论经过多次实验探索出了该实验的曝光时间和相应的显影、定影时间，制作出了清晰的反射式白光再现全息图参考文献1It. J。科利尔等。光全息学.机械工业出版社19832于美文等.光学全息及信息处理.国防工业出版社13813H.M.Smith，prinCiplesofHolography(1969)(中译本:全息学原理，8590页，科学出版社，1972年10