信息光学论文.doc

目 录 摘要 1 Abstract 2 前 言 3 1 全息照相的原理 3 2 全息的记录 3 3 全息照相的过程 4 4 全息记录 4 5 记录介质 4 6 再现 5 7 再现分析 6 8 全息照相的观察原理 6 9 全息照相的特点 6 10 全息照相技术的运用 6 11 全新照相实 6 参考文献 7 摘摘 要要 全息摄影术对大多数人而言早就不是一个新鲜概念 早在激光出现以前 伽伯为了提高电子显微 镜的分辨本领而提出了全息的概念 并开始全息照相的研究工作 1960 年以后出现了激光 为全息照 相提供了一个高亮度高度相干的光源 从此以后全息照相技术进入一个崭新的阶段 相继出现了多种 全息的方法 不断开辟全息应用的新领域 全息摄影是惟一能同时捕捉到光的三种属性的一种摄影术 通过激光技术 它能记录下光射到物体上再折射出来的方向 逼真地再现物体在三维空间中的真实景 象 关键词 全息技术 相干 参考光 物光 Abstract Holographic photography for most people is not a new concept long ago As early as the advent of laser Dennis Gabor put forward the concept of holography and holographic in order to improve the electron microscope s resolving power and began his research Laser emerged in 1960 which provides a highly coherent light sources with high brightness for holography then holographic technology went into a new phase As a variety of holographic methods have appeared and constantly open a new areas of holographic applications Holography is the only light that can capture three attributes of a kind of photography at the same time laser technology it can record the light shines on an object and then reflecting the direction of real objects in three dimensional space to reproduce the true picture Keywords Holography coherent reference light object light 前 言 当物体发射 发散或反射 的光波进入人眼是 由于光的强弱 射向 距离和颜色 波长 的不 同 因此肉眼能够识别物体的各自特征 从光波的观点看 是由于各物体发射光波的振幅 强弱 相 位 等相面形状 和波长 颜色 各不相同 如果物体实际不存在 但能得到物体的特定光波 仍然 能够看到物体逼真的像 1 全息技术就是利用光的干涉和衍射原理 将物体发射的特定光波的振幅和相位以干涉条纹的形似 记录下来 并在一定的条件下使其再现 由于记录了物体光波的全部 振幅和相位 信息 因此称为 全息术或全息照相 全息术使英国科学家丹尼斯 伽伯 Dennis Gabor 为了提高电子显微境的分辨本 领而提出的 他曾用汞灯作光源拍摄了第一张全息照片 其后 这方面的工作进展相当缓慢 直到 19 60 年激光出现以后 全息技术才获得了迅速发展 并相继出现了许多的全息方法 并开辟了全息应用 的新领域 成为光学的一个重要分支 全息术的法阵已经经历了四代 第一代为全息的萌芽时代 使 用汞灯激励同轴全息图 第二代使用激光记录 激光再现原始像和共轭像分离的离轴全息图 第三代 斯激光记录白光再现的全息术 主要有反射全息 像全息 彩虹全息和合成全息等 第四代使多色光 记录白光再现的真彩色全息 全息术不仅可用于光波波段 也可用于电子波 X 射线 微波和声波等 2 全息照相的原理 人眼能够识别物体的三维立体图象 是借助物光波的主要特征参量 振幅 波长和相位对人体视觉 的作用 光波的振幅反映了光的强弱 给人眼以物体明暗的感觉 光波的波长反映了光波的频率 给人眼以色 彩的感觉 光波的相位反映了光波等相位面的形状 给人以立体的感觉 全息照相记录 一般情况下 当两束相干光的位相相同时 合成光源的振动 相应的光强 就增强 反之 光波的振 动就减弱 而光的位相是随位置变化的 因此 光波的振动增强和减弱也随位置而变化 这样 在两束光的交叠 处就产生强弱相间的干涉条纹 条纹的分布情况反映了合成光波的位相在不同位置的变化情况 因此 利用两束光的干涉所产生的干涉条纹可以有效地把位相的变化情况记录下来 全息摄影就是利 用光的干涉把景物散射光波以干涉条纹的形式 即把光波的振幅和位相记录在感光材料上 也就是说 把物体的全部信息都记录下来 因而具有获得立体图像的许多优点 利用干涉和衍射原理 将物光波 的特征参量 振幅和相位以干涉条纹的形式记录下来 并在一定条件下使其再现 从而形成与原物 体逼真的立体图象 全息照相的过程 拍摄全息照片的基本光路大致如图 一激光光源 波长为 的光分成两部分 直接照射到底片上 的叫参考光 另一部分经物体表面散射的光也照射到照相底片 称为物光 参考光和物光在底片上各 处相遇时将发生干涉 底片记录的即是各干涉条纹叠加后的图像 关于强度 显然参考光各处的强度是一样的 但由于物体表 面的反射率不同 所以物光的强度各处不同 因此 参考光 和物光叠加干涉时形成的干涉条纹各处浓淡也就不同 1 记录 物光波的记录过程是一个光波的干涉过程 如图 设记录 平面为 xy 平面 该平面上物光波的复振幅分布为 参考光波在记录平面上的复振幅分布为 两相干光波在记录平面上的合光场的复振幅分布为 所以 合光场的光强分布为 第 1 项是物光波在记录平面上造成的强度分布 它不均匀 但实验上一般让它比参考光波弱很多 第 2 项是参考光波在记录平面上造成的强度分布 因为一般采用简单的平面波或球面波作为参考光 因此 该项近似为常数 即光斑均匀 第 3 项是物光波和参考光波的交叉项 它是物光与参考光的干涉图样 包含了振幅和相位的信息 用记录介质将它们记录下来 就是一张全息图 记录介质 记录介质一般使用 全息干板 玻璃基板上涂敷卤化银乳胶 乳胶的颗粒很小 密度大 保证干板的高 分辨率 全息干板的作用相当于一个线性变换器 它将曝光期间的入射光强线性地变换为显影后负片 的振幅透过率 如图 必须将曝光量变化范围控制在 t E 曲线的线性段内 t E 曲线上直线部分的斜率 称为全息感光度 全息图的复振幅透过率可以记为 曝光后的干板经过显影 定影处理后 就得到全息照片 全息照片呈现出来的是干涉条纹 不是物体的像 2 再现 yx yxjyxAyxO exp 00 yxjyxAyxR rr exp yxRyxOyxu yxyxyxAyxAyxAyxA yxRyxOyxRyxOyxAyxA yxuyxuyxI rrr r cos 2 00 22 0 22 0 123 yxItyxItEtyxt 000 观察全息照片的光路如图 设用复振幅分布为 的相干光束作为参 考光 部分入射光束透过干板产生衍射 绝大部分光被乳 胶吸收 少部分被反射 将合光强的分布表达式代入 有 分析再现过程 再现照明光束采用原相干参考光束 上式中各个量的物理意义见图 u1 代表再现照明光束经过全息照片后的透射波 透射率为 tb 即全息图再现中的零级衍射波 u2 由于 A02 是物光波振幅的平方 即物光波在干板上的光强分布 它在全息图上呈现一种 散 斑 的图象 称为散斑衍射晕 u3 代表了 级衍射光波 与原物光波相比 它多了 这个常系数 因而 u3 与原物光波具有相同的相位 而振幅仅相差一个常数 u3 这一项准确再现了原物光波的信息 它给人体的视觉与物光波完全相同 其反向延长线构成原 yxGi yxGi yxGt yxG yxG yxt i t yxRyxOyxGyxRyxOyxGyxAyxGtyxG yxItyxItEtyxG iiibi t 2 0 000 yxRyxGi 4321 2 22 0 uuuu yxRyxOyxOyxAyxAyxRtyxRyxG rBt 物的虚象 u4 代表了 1 级的衍射波 而原物光波 u4 与原物光波的相位信息相差一个负号 表 明再现物光波与原物光波共轭 对于波面而言 如果原物光波发散 则再现物光波是会聚的 它将 构成一个实赝像 全息照相的观察原理 全息照片不同于普通照片 其底片不显示物体的形象 而是干涉条纹叠加后的图像 冲洗时只是改 了不同部分的透光性 观察时 需利用与拍照时同频率的光的衍射原理 仍考虑相邻的两条纹 a 和 b 此 时二者为两透光缝 由惠更斯 菲涅耳原理知 处于同一波阵面上的 a b 可以当成子 波波源 其强度皆 为激光光源的强度 沿原来从物体上 O 点发来的物光的方向的两束衍射光 由几何知识知其光程差恰 为 由发光点 O 在底片上各处造成的透光缝透过的光形成的衍射条纹会使人眼感到原来的 O 点处 有一发光点 O 所有发光点的对应的衍射条纹会使人眼看到一个处于原来位置的完整的立体虚像 全息照相的特点 1 全息照片衍射形成的立体虚像是一个真正立体的 当人眼换一个位置时 便可以看到物体的侧面 像 即物体上原来被挡住的部分也可以看到 2 即使是全息照片的一块残片 也可以看到整个物体的立体象 因为拍摄照片时 物体上的点发出的 物光在整个底片上处处与参考光发生干涉 也就是说 在底片上处处都有某一点的记录 3 在用光照射底片时 在与原来物光对称方向的两束光 其光程差也为 光线汇聚将会在 O 处形 成一实像 全息技术的应用 在全息照相的基础上 全息技术还扩展到红外 微波 超声领域 进一步发展形成了全息干涉术 彩色全息 及彩虹全息和周视全息等新的全息技术 由于全息照相具有三维成像的特点 可重复记录 而且 每一小块全息底片都能再现物体的完整 其用途十分广泛 可广泛用于精密干涉计量 无损探 伤 全息光弹性 微应变分析和振动分析等科学研究 利用全息干涉术研究燃气燃烧的过程 机械件 的振动模式 蜂窝板结构的粘结质量和汽车轮胎皮下缺陷检查等已得到广泛应用 全息照相用作商品 和信用卡的防伪标记已形成产业 正在发展的全息电视还将为人类带来一场新的视觉革命 全息照相实验 漫反射式全息片的制作法是让物光束和参考光束分别从照相底板的两面进入乳胶层 如图 9 所 示 激光器发出的光经反射镜打在乳胶层上作为参考光 透过分光镜的部分光 经硬币反射后与参考 光在乳胶层处干涉 干涉条纹被记录下来 实验步骤 实验步骤 1 开始实验前 激光器预热大约 1 小时 2 摆好光路如图 9 所示 为避免参考光太强 激光束要经过一次反光镜后才打到干板上 3 余下重复方法一的 3 7 步骤 4 预热好后 关闭激光器 在暗环境下 放置好被测硬币与干版 5 打开激光器 让干版曝光 45S 后 关闭激光器 6 暗环境下 将底片置于 30 C 左右的清水中 20S 再置于异丙醇中 180S 作显影及定影 7 用吹风机将底片吹干 8 观察实验结果 yxjyxAyxjyxA yxRyxOu rr