全息照相實驗

1、全息照相實驗全息照相實驗 一、光學全息概述光學全息概述 普通照相是根據(jù)幾何光學成像原理,記錄下光波的強度(即振幅),將空間物體成像在一個平面上,由于丟失了光波的相位,因而失去原物體的三維信息。如果能夠記錄物光波的振幅和相位,并在一定條件下再現(xiàn),則可看到包含物體全部信息的三維像,即使物體已經(jīng)移開,仍然可以看到原始物體本身具有的全部現(xiàn)象,包括三維感覺和視差利用干涉原理, 將物體發(fā)出的特定光波以干涉條紋的形式記錄下來,使物體波前的全部信息都貯存在記錄介質(zhì)中,故所記錄的干涉條紋圖樣被稱為“全息圖”。當用光波照射全息圖時,由于衍射原理能重現(xiàn)出原始物光波,從而形成與原物體逼真的三維像,這個波前記錄和重現(xiàn)的

2、過程稱為全息術(shù)或全息照相。 全息照相術(shù)是英籍匈牙利科學家丹尼斯蓋伯(Dennis Gabor)發(fā)明的.1947年他從事電子顯微鏡研究,當時電子顯微鏡的理論分辨率極限是0.4nm,由于丟失了光波的相位,實際只能達到1.2nm,比分辨原子晶格所要求的分辨率0.2nm差得很多.這主要是由于電子透鏡的像差比光學透鏡要大得多,從而限制了分辨率的提高。 為此,蓋伯設(shè)想:記錄一張不經(jīng)任何透鏡的,用電子衍射的電子波制作曝光照片(即全息圖),使它能保持物體的振幅和相位的全部信息,然后用可見光照明全息圖來得到放大的物體像。由于光波波長比電子波長高5個數(shù)量級,這樣,再現(xiàn)時物體的放大率就可獲得倍而不會出現(xiàn)任何像差,所

3、以這種無透鏡兩步成像的過程可期望獲得更高的分辨率.根據(jù)這一設(shè)想,他在1948年提出了一種用光波記錄物光波的振幅和相位的方法,并用實驗證實了這一想法,從而開辟了光學中的一個嶄新領(lǐng)域,他也因此而獲得1971年的諾貝爾物理學獎。 從1948年蓋伯提出全息照相的思想開始一直到50年代末期,全息照相都是采用汞燈作為光源,而且是所謂的同軸全息圖,它的級衍射波是分不開的,即存在所謂的孿生像問題,不能獲得好的全息像.這是第一代全息圖,是全息術(shù)的萌芽時期。第一代全息圖存在兩個晉嚴重問題,一個是再現(xiàn)的原始像和共軛像分不開,另一個是光源的相干性太差。 1960年激光的出現(xiàn),提供了一種高相干性光源。1962年美國科學

4、家利思（Leith）和烏帕特尼克斯（Upatnieks）將通信理論中的載波概念推廣到空域中，提出了離軸全息術(shù)。他用離軸的參考光和物光干涉形成全息圖，再利用離軸的參考光照射全息圖，使全息圖產(chǎn)生三個在空間互相分離的衍射分量，其中一個復(fù)制出原始物光。這樣，第一代全息圖的兩大難題宣告結(jié)束，產(chǎn)生了激光記錄、激光再現(xiàn)的第二代全息圖。從而使全息術(shù)在沉睡了幾十年之后得到了新生， 進入了迅速發(fā)展年代，相繼出現(xiàn)了多種全息方法，并在信息處理、全息干涉計量、全息顯示、全息光學元件等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由此可見，高相干度激光的出現(xiàn)，是全息術(shù)發(fā)展的巨大動力。 由于激光再現(xiàn)的全息圖失去了色調(diào)信息，人們開始始致力于研究第三代全

5、息圖。第三代全息圖是利用激光記錄和白光再現(xiàn)的全息圖，例如反射全息、像全息、彩虹全息及模壓全息等，在一定的條件下賦予全息圖以鮮艷的色彩。激光的高度相干性，要求全息拍攝過程中各個元件、光源和記錄介質(zhì)的相對位置嚴格保持不變， 并且相干噪聲也很嚴重，這給全息術(shù)的實際使用帶來了種種不便。于是，科學們又回過頭來繼續(xù)探討白光記錄的可能性。第四代全息圖可能是白光記錄和白光再現(xiàn)的全息圖，它將是全息術(shù)走出實驗室，進入廣泛的使用領(lǐng)域。目前已經(jīng)開始取得進展。 除了用光學干涉方法記錄全息圖，還可用計算機和繪圖設(shè)備畫 全息圖，這就是計算全息(Computer-Generated Hologram,簡稱CGH)。計算計算全

6、息是利用數(shù)字計算機來綜合的全息圖，不需要物體的實際存在，只需要物光波的數(shù)學描述。因此，具有很大的靈活性。 全息術(shù)不僅可以用于光波波段，也可以用于電子波、X射線、聲波和微波波段。實際上，利思和烏帕特尼克斯的高軸全息概念就是來自于微波領(lǐng)域的旁視雷達微波全息圖。正如蓋伯在他榮獲諾貝爾獎時的演說中所指出的，利思在雷達中用的電磁波長比光波長10萬倍，而蓋伯本人在電子顯微鏡中所用的電子波長又比光波短10萬倍。他們分別在相差倍波長的兩個方向上發(fā)展了全息照相術(shù)，這說明科學的發(fā)展總是互相滲透，互相影響的。 二、實驗原理二、實驗原理 1.1.全息圖的記錄：全息圖的記錄： RO),(exp),(),(00yxiyx

7、AyxO),(exp),(),(yxiyxAyxRrrH 兩光波疊加后，（x,y）點的強度為 2),(),(),(yxRyxOyxI22),(),(yxRyxO),(),(),(),(*yxRyxOyxRyxO 式中第一項、第二項為物光和參考光的光強，對H上任一點（x,y），這兩項為常數(shù)。第三項、第四項為干涉項，反映了兩相干光的振幅和相對位相的關(guān)系?？梢娫诘灼琀上，干涉圖樣將物光波的振幅和位相兩種信息全部記錄下來了。)(exp)(exp0022rrorroroiAAiAAAA 2.全息圖的再現(xiàn) 若感光干板H的曝光和顯影都控制在線性部分（即振幅透過率t隨曝光量H的變化關(guān)系），則感光干板H上各點的

8、振幅透過率t(x,y)與光強I(x,y)成線性關(guān)系，即 式中 、 為常數(shù)，其中 是tH曲線線性部分的斜率。 為了重現(xiàn)物光波，一般是用參考光波相似的光照射全息圖。0( , )( , )t x ytI x y0t 設(shè)再現(xiàn)光波復(fù)振幅為 則透過全息圖后的復(fù)振幅分布為 其中： ),(exp),(),(yxiyxAyxCcc),(),(),(yxtyxCyxu),(),(),(),(4321yxuyxuyxuyxu)exp(),(01cciAtyxu)exp()(),(222ccroiAAAyxu)exp()(exp),(3oorcrciAiAAyxu)exp()(exp),(4oorcrciAiAAyx

9、u 以上討論表明，全息圖相當于一個復(fù)雜的衍射光柵。再現(xiàn)光波經(jīng)全息圖后，透射光包括三個不同的部分，如圖所示， 式中右邊的第一項和第二項與再現(xiàn)光波只相差一個常系數(shù)，稱為直射光或0級衍射波； C虛像實像H 第三項和第四項所產(chǎn)生的光波在0級衍射波的兩側(cè)，稱為+1級和-1級衍射波，當取再現(xiàn)光波與參考光波相同即 時，+1級衍射波準確地再現(xiàn)原來的物光波（只是振幅大小有變化），這是一發(fā)散波，它在全息圖后面形成了與物體完全相同的虛像，稱原始像。-1級衍射波包含了物光的共軛波，它是一束會聚波，其會聚點就是實像的位置。一般來說實像有畸變。若要得到無畸變的實像，需用一束與參考光波共軛的再現(xiàn)光波照射全息圖。 ),(),(yxRyxC 三、實驗光路及內(nèi)容三、實驗光路及內(nèi)容 1.實驗光路玻璃面乳膠面HM2BSHeNe激光器M1 全息照相的拍攝與再現(xiàn)實質(zhì)上是光的波前記錄和波前再現(xiàn)。記錄的是物光和參考光波前干涉條紋，再現(xiàn)的是1級衍射光。 2實驗內(nèi)容 拍攝一張菲涅耳全息圖，使用天津產(chǎn)全息干板，其分辨率為3000/mm。經(jīng)曝光后顯影(3分鐘)、定影(5分鐘)、干燥后放原底片夾上以參考光照射，看其再現(xiàn)的虛像。 3光路的調(diào)整與操作 光路中各元器件要調(diào)節(jié)共軸； 參考光、物光兩光束的光程差大約為零（最大不能超過5厘米）； 光斑擴束大小要適中，充分利用光能，底片全部照到且均勻為宜（約cm）； 光路調(diào)整好后，據(jù)光能的強弱確定曝光