實(shí)驗(yàn)32 激光全息照相 預(yù)習(xí)報(bào)告

激光全息照相實(shí)驗(yàn)者：馬志洪2010年04月1日（中山大學(xué)理工學(xué)院，光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)2008級(jí)3班，學(xué)號(hào)08323067）【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹繉W(xué)習(xí)全息照相的基本原理和方法。了解全息照相的主要特點(diǎn)。學(xué)習(xí)觀察全息照片的方法。【儀器設(shè)備】全息照相的整套裝置（PHYWE）?！救⒄障嗟奶攸c(diǎn)】一、全息照相與普通照相無論在原理還是方法上都有本質(zhì)的區(qū)別。（一）、普通照相是以幾何光學(xué)為基礎(chǔ)，利用透鏡把物體成像于平面上記錄各點(diǎn)的光強(qiáng)或振幅的分布，二維平面像上的點(diǎn)與三維物體各點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)，所以不是完全逼真的。（二）、全息照相是與光的干涉、衍射等物理光學(xué)的規(guī)律為基礎(chǔ)，借助于參考光波記錄物體波的振幅與相位的全部信息，在記錄介質(zhì)上得到的不是物體的像，而只有在高倍顯微鏡下才能觀察得到的細(xì)密干涉條紋，稱為全息圖。二、與普通照相相比，全息照相還具有如下特點(diǎn)：（一）、全息照相在適當(dāng)?shù)恼彰飨轮亟ㄎ锕獠ㄅc原來的物光波具有相同的深度和視差。（二）、把全息照片分成小塊，其中每一塊都可以再現(xiàn)整個(gè)圖像。（三）、全息照片可以用接觸法復(fù)制，且無正負(fù)片之分，無論是原來還是復(fù)制的都再現(xiàn)被攝物體的正像。（四）、全息照片繞垂直軸線轉(zhuǎn)，引起一個(gè)倒轉(zhuǎn)的像，讓全息照片繞水平軸線旋轉(zhuǎn)，也產(chǎn)生一個(gè)倒轉(zhuǎn)的像，但讓全息照片繞一個(gè)垂直與全息圖平面的軸線轉(zhuǎn)，則不引起像的倒轉(zhuǎn)。（五）、在同一張底片上用連續(xù)曝光方法可以重疊幾個(gè)影像，而每一張影像又不受其他影像的干擾而單獨(dú)顯現(xiàn)?！疚锢碓怼咳⒄障嗖捎孟嚓P(guān)光源的兩步光學(xué)成像過程。第一步是記錄介質(zhì)上的全息圖，第二步是在適當(dāng)?shù)恼彰飨聫娜D再現(xiàn)出物體通常的圖像。激光器發(fā)出的光經(jīng)分束器之后，一束照明物體成為景物光，另一束為參考光。兩束光成一定角度，相互干涉記錄全息圖。全息照相記錄信號(hào)如圖1所示，（x1,y1,z1=-d）為物點(diǎn)所在的面，（x’2,y’2,z’2=0）為記錄介質(zhì)所在面，P（x1,y1,z1=-d）為物點(diǎn)，R（xr,yr,zr=-d）在任意平面（xr,yr,zr）上，R點(diǎn)源與平面（x’2,y’2,0）的距離為Zr。Q（x’2,y’2,0）為記錄介質(zhì)平面上任一點(diǎn)，若物光與參考光相關(guān)，則介質(zhì)上光強(qiáng)分布為I=a02+ro2+r*a+ra*（1）其中，a=a0exp(iφa)為光波復(fù)振幅，r=r0exp(iφa)為參考波的復(fù)振幅。圖1計(jì)算φr—φa所要求的參數(shù)由于要盡量使參考光和物光獨(dú)立在記錄介質(zhì)上的照度均勻，所以在全息圖上a02和ro2變化比較慢。所以要注意相關(guān)項(xiàng)其中(3)(4)(5)其中為光波從P進(jìn)行到Q和由R進(jìn)行到Q的光程差。由圖可見，當(dāng)P點(diǎn)和Q點(diǎn)離z軸不太遠(yuǎn)，而且z1很大時(shí)，φa可以由1/z1一級(jí)近似求得（6）（7）可見干涉項(xiàng)產(chǎn)生的是明暗以(φr?φa）為變量按余弦規(guī)律變化的干涉條紋并被記錄介質(zhì)記錄下來。2．波前重建假定記錄全息圖的干版經(jīng)曝光、沖洗以后，把曝光時(shí)的入射光強(qiáng)線形變換為顯影振幅的透射率，并假定曝光量的變化范圍限于該種干版的t-E曲線的線形區(qū)內(nèi)，則干版的透射率為即（8）式中，t0為未曝光部分的透射率，K為比例系數(shù)。對(duì)同一干版，t0和K都可認(rèn)為是常數(shù)。分別為入射到干版的物光強(qiáng)和參考光強(qiáng)，它們?cè)谌D面上接近均勻。因此對(duì)于點(diǎn)源的全息圖，只有透過率與成正比的空間變化干涉項(xiàng)，在照明后能產(chǎn)生衍射。假設(shè)在全息圖形成后和再現(xiàn)前有可能把它放大或縮小，為此把全息圖平面坐標(biāo)再標(biāo)記為，式中為線放大率。假設(shè)再現(xiàn)波長(zhǎng)不必和形成波長(zhǎng)相同，它們的比值由給出。再現(xiàn)波或照明波由一點(diǎn)光源發(fā)出，如圖3所示。則全息圖平面的衍射波復(fù)振幅與上述透射率的乘積為（9）（10）(11)(12)為使全息圖能產(chǎn)生點(diǎn)源物體的像，全息圖上的再現(xiàn)波的位相和必須和球面波相當(dāng)，在全息圖上球面波位相分布的一級(jí)近似值可按式（6）寫成(13)其中為全息圖到像平面的距離，和代表像平面上像點(diǎn)的坐標(biāo)。我們必須使和與有相同的形式。若再現(xiàn)波和原參考光波完全一樣時(shí)，式（9）變?yōu)?14)顯然，式（14）右邊第一項(xiàng)是按一定的比例重建的物光波，它離開全息片以后按照惠更斯——菲涅耳原理繼續(xù)傳播時(shí)，其行為與原物在原來位置發(fā)出的光波相同（僅僅是振幅按一定的比例改變，位相改變180°），因此在全息片后面的觀察者對(duì)著這個(gè)衍射而產(chǎn)生的另一個(gè)一級(jí)衍射波，稱為孿生波如果用參考光波r和共軛光波r*（所謂共軛光波是傳播方向和原來光波完全相反的光波，是會(huì)聚于點(diǎn)源R(xr,yr,zr)的球面波）照射全息片，此時(shí)透過全息片的光波，干涉項(xiàng)可仿照式（1）寫成(15)式中等號(hào)右邊第二項(xiàng)與原來物光波的共軛光波成正比，由于是會(huì)聚于原來物點(diǎn)所在位置的光束，因此這一項(xiàng)所代表的衍射光束在原來物體所在的位置形成一個(gè)無畸變的實(shí)象，在上面的討論中，利用公式(8)分析透過全息片的衍射光束時(shí)，實(shí)際上是把全息片當(dāng)作二維的衍射光柵來處理，再照光經(jīng)衍射后，除了直接透過的零級(jí)光束外，同時(shí)存在正、負(fù)一級(jí)衍射光束。由于感光板上的乳膠有一定的厚度，而且是透明的，故其內(nèi)部也存在物光波與參考光波的相互干涉，干涉條紋也被記錄下來，經(jīng)過處理后得到的三維全息圖，相當(dāng)于三維衍射光柵。三維光柵的衍射受到布拉格條件的限制，只有物光束和參考光束的夾角較小時(shí)才能同時(shí)出現(xiàn)正、負(fù)一級(jí)衍射。當(dāng)物光束和參考光束的夾角較大時(shí)，(如接近180°時(shí))和x射線在晶格中的衍射一樣，三維光柵對(duì)光的衍射也具有波長(zhǎng)的選擇性，因此可以用單色相干光制作全息片，用普通的白光照射它實(shí)現(xiàn)波前重建。這一重建過程是三維光柵衍射的結(jié)果，從效果上看，好像是從全息片的反射光束中得到的，因此稱為反射全息，又因?yàn)椴ㄇ暗闹亟ɡ昧税坠?，所以又稱為白光重現(xiàn)全息照相。反射式全息片的制作法是讓物光束和參考光束分別從照相底版的兩面進(jìn)入乳膠層，如圖5(a)所示(圖中用直接透過底版的參考光作為物體的照明光)，兩束光的干涉極大值在顯影后形成基本上平行于底版的銀層。我們以兩束平面波的相互干涉來估計(jì)這些銀層的間距。圖6中和分別代表參考光束和物光束的傳播方向，它們的夾角為并假設(shè)都是平面波。顯然，兩組波陣面的夾角也是，每一組波陣面中相鄰兩波陣面之間的距離為，圖中豎直線代表干涉極大所在的平面，它們的間隔為，這些平面是物光束與參考光束的分角面，從圖上畫粗線的三角形可得（16）用上式計(jì)算的大小時(shí)，和應(yīng)取乳膠介質(zhì)中的數(shù)值。由式(4—16)可得（17）通常物光束和參考光束之間的夾角接近于，從而，若采用波長(zhǎng)為的激光作為光源，銀層的間距大約為，若考慮到乳膠的折射率，這個(gè)間距還要更小。用白光再現(xiàn)時(shí)，根據(jù)式(16)，白光中只有波長(zhǎng)和制作全息片時(shí)所用光波波長(zhǎng)相同的成分衍射后才能出現(xiàn)干涉極大，但乳膠經(jīng)顯影、定影和晾干后往往發(fā)生收縮，使銀層間距減小，因此能出現(xiàn)干涉極大的波長(zhǎng)比制作時(shí)光波的波長(zhǎng)要小。如用波長(zhǎng)為的紅光制作全息片，用白光再現(xiàn)時(shí)可能觀察到綠色的像?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】光路圖如圖8所示，He-Ne激光器發(fā)出的激光由分束鏡分為兩束，兩束光強(qiáng)的比例視被攝物的漫反射能力以及參、物兩光束在底片上的比例來決定。參考光束和物光束都經(jīng)過擴(kuò)束鏡擴(kuò)束，移動(dòng)擴(kuò)束鏡的位置(或改變擴(kuò)束鏡的倍率)，放大或縮小光斑，在一定面積上的光強(qiáng)就會(huì)增大或減小。開始實(shí)驗(yàn)前，激光器要預(yù)熱大約一個(gè)小時(shí)，以免發(fā)生波長(zhǎng)振動(dòng)。由于激光經(jīng)過分束器后形成參考光和景物光，它們沿不同的路徑到達(dá)記錄介質(zhì)相互干涉從而產(chǎn)生全息圖象，實(shí)驗(yàn)時(shí)必須確保機(jī)械的穩(wěn)定性。記錄三維漫反射物體的全息片，觀察再現(xiàn)的三維物像。具體步驟如下：1．調(diào)節(jié)激光器使激光束距離底板，按圖8安排好光路（注意各個(gè)器件的坐標(biāo)位置），選擇曝光時(shí)間為40s，進(jìn)行拍攝。注意在整個(gè)曝光時(shí)間內(nèi)盡量避免走動(dòng)及大聲說話。2．拍攝完畢以后，全息片要經(jīng)過顯影、停影、定影、水漂及晾干等四個(gè)步驟以后才能觀察再現(xiàn)，整個(gè)操作過程均應(yīng)在暗綠燈下進(jìn)行，要認(rèn)真保持清潔。3.觀察拍攝到的全息片。開始實(shí)驗(yàn)前，激光器要預(yù)熱大約一個(gè)小時(shí)，以免發(fā)生波長(zhǎng)振動(dòng)。由于激光經(jīng)過分束器后形成參考光和景物光，它們沿不同的路徑到達(dá)記錄介質(zhì)相互干涉從而產(chǎn)生全息圖象，實(shí)驗(yàn)時(shí)必須確保機(jī)械的穩(wěn)定性。記錄三維漫反射物體的全息片，觀察再現(xiàn)的三維物像。具體步驟如下：1．調(diào)節(jié)激光器使激光束距離底板13cm，按圖8安排好光路（注意各個(gè)器件的坐標(biāo)位置），選擇適當(dāng)?shù)钠毓鈺r(shí)間進(jìn)行拍攝。注意在整個(gè)曝光時(shí)間內(nèi)盡量避免走動(dòng)及大聲說話。2．拍攝完畢以后，全息片要經(jīng)過顯影、停影、定影、水漂及晾干等四個(gè)步驟以后才能觀察再現(xiàn)，整個(gè)操作過程均應(yīng)在暗綠燈下進(jìn)行，但要認(rèn)真保持清潔。3．底片處理完畢以后，就可以觀察波前重建：把制作好的全息片放回原來位置(乳膠面仍對(duì)著光)，從底片后面觀察再現(xiàn)的虛像，輪流擋住照明物體的光束和參考光束，從不同方向反復(fù)觀察、比較原來的物體與再現(xiàn)的虛像；用一張帶有直徑約5mm小孔的紙片貼近全息片，人眼通過小孔觀察虛像，改變小孔在全息片上的