信息光學簡明教程 課件 【ch04】光學全息技術(shù)

第四章光學全息技術(shù)光電&儀器類專業(yè)教材信息光學簡明教程01概述一、概述由于激光再現(xiàn)的全息圖失去了色調(diào)信息，人們開始致力于研究第三代全息圖。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，科學家們又回過頭來繼續(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，它將使全息術(shù)最終走出實驗室，進入廣泛的實用領(lǐng)域。這是一個極具誘惑力的方向，正在吸引人們?nèi)パ芯亢吞剿?，目前已開始取得進展。除了用光學干涉方法記錄全息圖外，還可用計算機和繪圖設(shè)備畫出全息圖，這就是計算全息。計算全息是利用數(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，也可以用于聲波和其他電磁波段(包括X射線、微波等)。他們分別在相差101°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。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。實際上，利思和烏帕特尼克斯的離軸全息概念就來自于微波領(lǐng)域的旁視雷達——微波全息圖。一、概述02波前記錄與再現(xiàn)一、波前記錄1用干涉方法記錄物光波波前波前記錄過程如圖所示。設(shè)傳播到記錄介質(zhì)上的物光波波前為傳播到記錄介質(zhì)上的參考光波波前為則被記錄的總光強為一、波前記錄2記錄過程的線性條件下圖是負片的t-E曲線，橫坐標E表示曝光量，縱坐標t表示振幅透過率。此外，我們還必須假定全息干板具有足夠高的分辨率，以便能記錄全部入射的空間結(jié)構(gòu)。這樣，全息圖的振幅透過率就可記為假定參考光的強度在整個記錄表面是均勻的，則如果全息圖的記錄未能滿足上面指出的線性記錄條件，將影響再現(xiàn)光波的質(zhì)量。二、波前再現(xiàn)1衍射效應(yīng)再現(xiàn)物光波波前用一束相干光波照射全息圖，假定它在全息圖平面上的復振幅分布為C(x，y)，則透過全息圖的光場為再看U?項，當照明光波是與參考光波完全相同的平面波或球面波時，透射光波中的第三項為二、波前再現(xiàn)1衍射效應(yīng)再現(xiàn)物光波波前當這一光波傳播到觀察者眼睛里時，可以看到原物的形象。由于原始物光波是發(fā)散的，所以觀察到的是物體的虛像，如上圖所示。這一項稱為全息圖衍射場中的+1級波。波前記錄是物光波波前與參考波前的干涉記錄，它使振幅和相位調(diào)制的信息變成干涉圖的強度調(diào)制。這種全息圖被再現(xiàn)光波照射時，它又起一個衍射光屏的作用。正是由于光波通過這種衍射光屏而產(chǎn)生的衍射效應(yīng)，使全息圖上的強度調(diào)制信息還原為波前的振幅和相位信息，再現(xiàn)了物光波波前。因此，波前記錄和波前再現(xiàn)的過程，實質(zhì)上是光波的干涉和衍射的結(jié)果。二、波前再現(xiàn)2波前再現(xiàn)過程的線性性質(zhì)

隨著光學全息技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種類型的全息圖，從不同的角度考慮，全息圖可以有不同的分類方法。從物光與參考光的位置是否同軸考慮，可以分為同軸全息和離軸全息。從記錄時物體與全息圖片的相對位置分類，可以分為菲涅耳全息圖、像面全息圖和傅里葉變換全息圖；從記錄介質(zhì)的厚度考慮，可以分為平面全息圖和體積全息圖。三、全息圖的基本類型03同軸全息圖和離軸全息圖一、同軸全息圖蓋伯最初所提出和實現(xiàn)的全息圖就是一種同軸全息圖，記錄蓋伯全息圖的光路如圖所示。設(shè)相干平面波照明一個高度透明的物體，透射光場可以表示為一、同軸全息圖

二、離軸全息圖

二、離軸全息圖

二、離軸全息圖二、離軸全息圖

二、離軸全息圖04基元全息圖一、基元全息圖在圖4.4-1(a)中，參考光波和物光波均為平面波，條紋的峰值強度面是平行的等間距平面，面間距d與光束的夾角有關(guān)。圖4.4-1(b)是參考光波為平面光波、物光波為發(fā)散球面球波的情形，峰值強度面是一族旋轉(zhuǎn)拋物面。圖4.4-1(c)是參考光波和物光波均為發(fā)散球面波的情形，峰值強度面是一族旋轉(zhuǎn)拋物面。圖4.4-1(c)是參考光波和物光波均為發(fā)散球面波的情形，峰值強度面是旋轉(zhuǎn)雙曲面，轉(zhuǎn)軸為兩個點光源的連線。圖4.4-1(d)是一個發(fā)散的球面波和一個會聚的球面波相干涉，峰值強度面是一族旋轉(zhuǎn)橢圓面，兩個點源的位置是旋轉(zhuǎn)橢圓面的焦點。05菲涅耳全息圖一、點源全息圖的記錄和再現(xiàn)

二、幾種特殊情況的討論

06傅里葉變換全息圖一、傅里葉變換全息圖的記錄與再現(xiàn)根據(jù)透鏡的傅里葉變換性質(zhì)，則在全息圖平面上的物光分布為在線性記錄條件下，全息圖的復振幅透過率為從上面的結(jié)果中，我們得到一個啟示，即參考光波的形式提供了一種額外的靈活性，我們甚至可以采用空間調(diào)制的參考光來記錄一個全息圖。全息術(shù)的某些應(yīng)用，例如信息的保密存儲、文字翻譯，就是根據(jù)的這一原理。一、傅里葉變換全息圖的記錄與再現(xiàn)實現(xiàn)傅里葉變換還可以采用球面波照明方式，使物體置于透鏡的前焦面，在點源的共軛像面上得到物光分布的傅里葉變換。用傾斜入射的平面波作為參考光，也能記錄傅里葉變換全息圖。根據(jù)完全同樣的理由，也可以用球面波照射全息圖，利用透鏡進行逆傅里葉變換，在點源的共軛像面上實現(xiàn)傅里葉變換全息圖的再現(xiàn)。兩種記錄和再現(xiàn)的方法都是獨立的。一、傅里葉變換全息圖的記錄與再現(xiàn)平行光垂直照射物體，透鏡緊靠物體放置，參考點源與物體位于同一平面上，在透鏡后焦面處放置記錄介質(zhì)。根據(jù)透鏡的傅里葉變換性質(zhì)，則在全息圖平面上的物光分布為在全息圖平面上的參考光場分布為在線性記錄條件下，全息圖的復振幅透過率為參考光波的形式提供了一種額外的靈活性，我們甚至可以采用空間調(diào)制的參考光來記錄一個全息圖。二、準傅里葉變換全息圖二、準傅里葉變換全息圖三、無透鏡傅里葉變換全息圖參考光束是從和物體共面的一個點發(fā)出的一個球面波。用這種特殊光路所記錄的全息圖可稱為無透鏡傅里葉變換全息圖。用和分別代表參考光束和物光束的點光源的坐標，它們在乳膠上對應(yīng)復振幅分布可寫成三、無透鏡傅里葉變換全息圖

07像全息圖

一、再現(xiàn)光源寬度的影響二、再現(xiàn)光源光譜寬度的影響于是由圖4.7-1可得同樣，對物點、參考點源和再現(xiàn)點源均可寫出類似的表達式再現(xiàn)像由于色散在x方向的展寬線度為注意到cosθ?≈1,于是得

三、色模糊在記錄像全息圖時，如果物體靠近記錄介質(zhì)，則不便于引入?yún)⒖脊猓虼?，通常采用成像方式產(chǎn)生像光波。一種方式是透鏡成像，如圖4.7-3所示；另一種方式是利用全息圖的再現(xiàn)實像作為像光波。后者通常先對物體記錄一張菲涅耳全息圖，然后用參考光波的共軛光波照明全息圖，再現(xiàn)物體的實像。實像的光波與制作像全息時用的參考光波疊加，得到像全息圖。因此，這種方法包括二次全息記錄和一次再現(xiàn)的過程。四、像全息的制作08彩虹全息一般地說，狹縫像和物體像的位置隨波長連續(xù)變化。當觀察者的眼睛在狹縫像附近沿垂直于狹縫方向移動時，將看到顏色按波長順序變化的再現(xiàn)像。若觀察者的眼睛位于狹縫后方適當位置時，由于狹縫對視場的限制，通過某一波長所對應(yīng)狹縫只能看到再現(xiàn)像的某一條帶，其色彩與該波長對應(yīng)。同波長相對應(yīng)的狹縫在空間是連續(xù)的，因此，所看到的物體像就具有連續(xù)變化的顏色，像雨后天空中的彩虹一樣。一、二步彩虹全息記錄全息圖H時，物光束受到狹縫S的限制，只是一束細光束投射在H上，因而對應(yīng)物點D‘的信息在全息圖的y方向上只占了一小部分△H。對于這一部分全息圖，也可以叫作線全息圖。設(shè)狹縫寬為a,狹縫與H的距離為z,,則線全息的寬度為再現(xiàn)像在y方向失去了立體感，在x方向仍有立體感。由于人眼是排在水平方向上的，所以并不影響立體感。二步彩虹全息的優(yōu)點是視場大，但由于在制作彩虹全息圖時，需要經(jīng)過兩次采用激光光源的記錄過程，斑紋噪聲大，故直接應(yīng)用有困難。1977年楊振寰等研究成功一步彩虹全息術(shù)，簡化了記錄過程，在實用方面取得了進展。一、二步彩虹全息狹縫位于透鏡的焦點以內(nèi)，在狹縫同側(cè)得到其放大的正立虛像。若物體在焦點以外，則物體的像在透鏡另一側(cè)，這時的光路結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上與二步彩虹全息中第二次記錄時相同。再現(xiàn)時用參考光的共軛光照明，形成狹縫的實像和物體的虛像，眼睛位于狹縫像處可以觀察到再現(xiàn)的物體虛像。在一步彩虹全息中，也可以把物體和狹縫放在透鏡焦點以外，使它們在透鏡另一側(cè)成像，記錄時仍將全息干板置于物體像和狹縫像之間。一步彩虹全息由于減少了一次記錄過程，噪聲較二步彩虹小，但視場受透鏡大小的限制。二、一步彩虹全息二、一步彩虹全息三、彩虹全息的色模糊1.像的單色性這個線全息圖在y方向的空間頻率很高，在與狹縫平行的x方向的空間頻率卻很低，所以只討論在y方向的單色性。三、彩虹全息的色模糊

09相位全息圖

一、透鏡的點擴散函數(shù)10模壓全息圖010203白光再現(xiàn)浮雕全息圖的制作模壓全息圖需要在白光下再現(xiàn)觀察,所以用作母板的全息圖多采用彩虹全息圖。模壓在一定壓力和溫度下，利用專用模壓機將鎳板上的全息干涉條紋印刷到聚氯乙烯等熱塑料薄膜上以制成模壓全息圖。再將模壓全息圖表面鍍鋁，使之成為反射再現(xiàn)全息圖，便于人們觀察。電鑄金屬模板電鑄也稱電成型，目的是將光致抗蝕劑母板上的精細浮雕全息干涉條紋精確“轉(zhuǎn)移”到金屬鎳板上，以便在模壓機上作為“印壓模板”,對熱塑性薄膜進行大批量復制。一、模壓全息圖

11體積全息為簡單起見，取物光波和參考光波均為平面波，傳播矢量位于xz平面。合光場的復振幅分布為合光場強度的空間分布為在線性記錄條件下，記錄介質(zhì)內(nèi)振幅透過率的空間分布為t(x,y,z)取極大值和極小值的分別為一、透射體積全息圖一、透射體積全息圖對t(x,y,z)取極大值的平面波，顯影時乳膠析出的銀原子數(shù)目也最多。這些平面相對于z軸的傾角φ滿足物光與參考光相對于z軸對稱，光柵平面方程變?yōu)榍夜鈻牌矫娲怪庇趚軸。光柵間距為再現(xiàn)時用平面光波照明全息圖，將體積光柵中的每個銀層看作一面具有一定反射能力的平面反射鏡，它按反射定律把一部分入射的光能量反射回去。一、透射體積全息圖設(shè)照明光波的傳播方向與銀層平面的夾角為α,相鄰銀層平面反射光波之間的光程差為△L=2dsinα。顯然，只有當△L為再現(xiàn)光波長的整倍數(shù)時，反射光波才能相干疊加，從而產(chǎn)生一個明亮的再現(xiàn)像，其條件是2dsinα=±λ通常將上