实验7全息照相实验

1、实验71全息照相实验一、实鲨目的1）通过实验加深理解全息照相的基本原理以及实验方法：2）賞握全息照片的制作方法；3）正确观察全息虚像和实像，领会并总结全息照相的特点及其与普通照相的本质区别；3）通过光路布置过程，熟悉利掌握各种光学元件的特性及其使用方法。二、实鲨仪器盘一氛激光器、定时器、扩束透镜、分束镜、反射镜、白屏、干板、磁性表座、相片冲洗液、烧杯、 量筒三、实鲨原理全息照相是以光的干涉和衍射理论为基础的波前记录和再现技术。普通照相可以对物体的光强进行 记录和保存，小至显微镜F的图像，大至星体的图像，它已在人类生活和科学研究等方面获得了广泛的 应用，并且正在不断地提高和发展。1947年英国科

2、学家盖伯在提高电子显微镜的分辨率研究中提出了 “光学成像的一种新的两步方法”为全息照相的发展奠定了理论基础。由于当吋没有种良好的相干光 源因而进展缓慢。直到1960年以后激光的出现为全息照相提供了相干性良好的光源才获得了迅速发展。 1962年美国科学家利思用激光作光源并引入离轴参考光束的方法拍摄了第一张具有实用价值的全息 图，此后，全息照相技术得到了迅猛的发展。除激光全息外，还发展了超声全息、微波全息、红外全息 等，并在军事、科研、生产、艺术记录等方面得到广泛应用。（一）全息JH相的原理全息照相是和普通照相具的本质区别的-种显示物体二维图像的照相技术，它具有真正的视差和大 景深，因此有真正的立

3、体感。普通照相是把从物体表面发出或反射的光经透镜会聚成像，用感光胶片把像记录卜来。由于现有的 光记录介质的响应时间比光波振动的周期长得多，因此都只能记录光强一波振幅的平方，而不能直 接记录光波的位相，所以它不能得到三维的图像。全息照相不仅记录了物体光波的振幅，同时也记录了它的位相，这种方法能把物体光波波前的全部 信息都记录下来，所以称为“全息照相”，也称为波前记录。利用光的衍射原理可把物体光波还原再现 出来。全息照相不仅要记录物体光波的振幅，而且还要记录位相，而记录介质只对光的强度（振幅的平方） 敏感，因此必须把位相也转换成振幅信息并把它记录下来。光的干涉效应两列相干光波叠加而产生 明暗相间的

4、干涉条纹（干涉图案），不但与这些相干光的振幅有关，而且与相位有关。为了产生干涉效 应，记录位相，可用另一束称Z为参考光的相干光和物体光波相干涉来完成。现在通常采用的记录和再 现光路大都是利思所提出的“离轴型”全息图光路，即物光束和参考光束由明显不同的方向到达记录介质。这种全息图记录的典型光路如图71-1所示He-Ne扩束镜cH 71-1全息照相光路示竄图从激光器发出的光经分束镜分成两束，其中反射的一束到达反射镜必2,然后经扩束镜扩束后照射 全息底片（此即参考光束），另一束透射光到反射镜M,经扩束镜扩束照到物体，再由物体漫反射到 全息底片形成物光束。物光束和参考光束在全息底片上迭加，产生干涉并出

5、现各种明暗不同的条纹、圆 环、斑点等干涉图案，并由胶片上感光乳剂记录下来，经显、定影后成为一张全息照片（全息图）。全 息图上的干涉条纹形状反映物光和参考光的位相关系，而其明暗对比则反映物光的强度。图71-2全息黑片的部分放大图由图7卜1中可知，全息照相的记录过程和普通照相不同，它可以不要透镜，因此也称无透镜成像, 而记录过程实质上是一个光波干涉的过程。用数学公式可以表达如E：假设XOY为全息照相干版平面，Z轴垂直于平面，物光和参考光在该平面上分别表示为O(x,y) = 0Q(x,y)e,PoXtyR(x9y)= /?0(兀,心曲“)两列光波在底片平面上干涉后的合振幅A及光强I为A = O十万I

6、 = 6 +疋（厂 +R = ddRR，+3斤 4-0= O2 + 他2 +O0R0/妇m +0他仏询）=Oo + 他 + 2O07?0 cos（o （pR）（2）上式是全息照相记录的基本公式。T = 0I图71-3全息图的再现当把感光后的全息照片显、定影处理后，用激光照射，有一个振幅透过率T,即透射光复振幅和入 射光复振幅之比，在线性记录时，振幅透过率T和曝光时光强成正比，即：当用再现光波照射全洗照片时，设照射光波为乙=皿,肝3）则透过光波A = CT = C/?（6）02 + 町）+ C/3OR4 + C/3OR其中0是一常数，为了简单起见，常把它略去放在C。中，这样A = （902 +

7、R：匕庐 + Co 他 Q 严e（3）这就是全息图的再现，也称波前再现的公式，这说明参考光经全息图（光栅）衍射后产生三个光波：式 中第项代表的是R的直接透射部分，沿原来方向传播，即光栅的零级衍射：第二项是正比于物光波0（x, y）,是波前发散形成的物体的虚象，和当于光棚的+1级衍射彖，代表原始像，正是这一光波形成了与物体完全逼真的三维立体彖；第三项正比于O（x,y）的共轨波阵面，是会聚的波阵面，它表示在虚 象的相反的侧形成一个实象，是光柵衍射的-1级衍対彖，代表共轨像，这个象如果全息图记录不是 在非常严格的条件卞完成，一般会发生畸变，且衍射效率差，不容易观察得到。为了使全息图上干涉条纹稳定，拍

8、摄吋必须具备下列条件:51）参考光束与物光束必须具有“相干性”，即两束波之间有稳定的位相关系，所以实验中两束波是从同 i激光束分光而获得，为了获得好的相干性，实验中尽量使两束光的光程相等。2）光学系统必须有足够的机械稳定性，由于全息底片上记录的是精细的干涉条纹，如果在记录过程中 因受各种干扰（地面震动、光学零件支架的自震和变形及空气的流动等）将引起干涉条纹的混乱和 迭加，结果导致象的衍射亮度卜降，甚至可能完全看不到物象。3）记录介质要有足够的分辨率，对所使用的激光波长有足够的感光灵敏度。记录介质（感光乳胶）的 分辨本领通常以每亳米能记录明暗相间的条纹数为标准（即每亳米多少条明或暗条纹），这就要

9、求 恰当地选择物光束与参考光束之间的夹角e,夹角越大，干涉条纹的间距越密，这就要求底片具有 较高的分辨率，目前国产的超微粒全息底片的分辨本领可达3000条/亳米。（二）全息照相特点全息照相和普通照相有着不同的特点：1）普通照相过程是以几何光学的规律为基础，通过透镜成象。全息照相是以波动光学的规律为基 础，通过干涉的方法记录物光波前上各点的全部光信息，通过衍射的作用实现物光波前再现。2）普通照相底片所记录的仅是物体各点的光强（或振幅），而全息照片所记录的是物体各点的全 部光信息，包括振幅和相。3）普通照相过程中物象之间是点点对应的关系，即一个物点对应象平面上的一个象点。而全息照 相过程中物体与底

10、片之间是点面对应的关系，即每个物点所发射的光的信息记录在整个底片上。反过来 说，全息图中每一局部都包含了物体各点的光信息。4）普通照相得到的只能是二维的平面图象，而全息图能完全再现原物的波前，因而能观察到一福 非常逼真的立体图象，具有真正的体视性。5）普通照相的底片上只能有一张象。而在全息照相的底片上，只需适当改变参考光相对于全息底 片的入射角，经过多次曝光，可作多重记录，即可在同一张全息底片上记录多个全息图，而且每一个图 又可以不受其它图的干扰而单独地显现出来。6）全息图可同时重现虚像利实像，尤其在参考光采用平行光照明的情况下，特别容易观察到。重 现时，只需将全息底片做一次翻转即可。7）全息

11、图具有弥散性，即使一张打碎的透射全息图的碎片仍可通过激光照明重现所拍摄物体的完 整的形彖。8）普通照相用普通光源就可以了。全息照相是干涉记录，它要求参考光和物光是彼此相干的，因 此实验中需要使用相丁性很高的激光。（三全息的应用全息照相技术发展到现阶段，己发现它有人量的应用。例如利用全息照相町以获得三维立体图象的 特性。目前已经进行了对全息显微术、全息电影、全息电视的实验研究，逐渐接近实用。此外可利用全 息照片的干涉图样所揭示的微小光程差的变化来研究物体的形变、内部的应力分布等，在力学领域的研 究中发展起来的全息干涉计量方法也已获得较大的成功。利用全息照片町以把资料的信息存储在很小的范闱内的特点

12、实现了全息信息存储。把文字、图片或 其它资料制成的透光片作为物，可以制成这样的全息底片，使得每张透光片对应着底片上1加m2面积 的小全息图。使这些小全息图排列成规则的矩形阵列，利用声光或电光器件把一细束光按小全息图的地 址偏转作为照明光，就得到原透光片的象。以上说明，全息信息存储可以有极大的存储密度，如果再作 多重记录，则在一张全息照片上可以记录数千页透光片资料。除光学全息外，还发展了红外、微波、超 声全息术。这些全息技术在军那侦察或监视上具有觅要意义，如对可见光不透明的物体，往往对超声波“透明”，因而超声全息可用于水下侦察和监视，也可用于医疗透视以及工业无损探伤等。四、实鲨内容（-）全恵照相

13、光路调节1、按图71-1的光路摆放好磁性表座和相应的光学元器件，在干板位置上先放置毛玻璃。2、连接激光器和定时器，打开定时器电源，状态开光置于常开状态。激光输出。3、取卜两个扩束镜，调整分束镜和反射镜的位置和角度，使分束后的两束激光经反射镜后，分 别落在被照物和毛玻璃中心位置，并使从被照物上漫反射回的光尽量照射到干板上，4、测量两束光的光程，调整光路，尽量使光程相等。5、放上扩束镜，调整扩束镜的位置，使扩束后的光斑分别照亮被照物和干板，且大小适当，不 互相觅叠。6、挡住参考光束，观察毛玻璃上从被照物漫反射回的光的强度，尽量使漫反射光强一点。7、将磁性表座上的开关全部置于“ON”位置。&在定时器

14、上设定曝光时间，将状态开关置于定时状态，激光灭。取下毛玻璃，换上全息干板。9、让光学平台稳定3-10分钟，按下定时器启动按钮，激光输出，干板曝光。10、曝光完成后取下干板进行后续处理。特别注意，（1）拍摄全息照片是一项非常精细的工作，在进行第9步的操作过程中，应避免走动和触摸光学 实验平台。为避免操作定时器时引起的震动，定时器尽量不要放在光学平台上。实验室应尽 量设在一层或地卜室，并远离车辆通行的道路等震动原。（2）物光与参考光两光束的夹角应控制在30以内。（3）从分束镜到记录平面应使参考光和物体中心部位物光的光程尽量相等，由于激光的相干长度 有限。（4）物体与干版架的距离一般应控制在20cm

15、以内，太大会导致物光较弱，不利于记录。（二调节曜光时间应根据所用激光器的功率、被拍摄物面的反射率状况以及所用全息底片的灵敏度，确定适合的曝光 时间，可能需要反复尝试。采用红敏光致聚合物干板，本实验可能需要60-120秒的曝光时间。（三显影及定影对于红敏光致聚合物干板，曝光后的干版处理方法如下；1、在蒸懈水内静置浸泡5秒钟。2、在纯度为40%异丙醇中静置脱水1020秒钟。3、在纯度为60%异丙醇中静置脱水60-80秒钟。4、在纯度为80%异丙醇中静置脱水1520秒钟。5、在纯度为100%异丙醇中脱水观察6080秒钟。6、取出后，迅速用吹风机热风快速吹干，直到出现清晰明亮的图像为止，此时就得到-张

16、漫反射 的三维全息图。（四全息图的再现1、再现虚像的观察（1）将拍摄好的全息照片放回原照相底片架，挡住物光束，移走被摄物体，用原参考光照明，像即 呈现在原物所在位置上，拍摄下全息图再现像；（2）并使眼睛左右、前后慢慢移动，观察像的变化。（3）改变全息图到扩束透镜之间的距离，观察再现虚像的位置和大小的变化。（4）用一张有小孔的纸片覆盖在全息照片乳胶面一侧，通过小孔观察像的变化，注意有无放大、缩 小、缺陷或其它变化。2、再现实像的观察（1）将全息图绕垂直轴旋转180度，使乳胶面向着观察者，移去参考光路中的扩束镜，用未经扩 束的激光束照射全息照片的玻璃基面，在观察者侧用毛玻璃屏接收并观察再现像：（2）分别改变入射光束的入射点及毛玻璃屏到全息照片的距离，观察并记录屏上所获得像的变化;（3）找出像质最佳位置，即为实像位置，比较它与虚像位置Z间的