实验三 全息技术

1、实验三 全息技术 1948年，英国物理学家伽伯为了提高电子显微镜的分辨能力，发明了一种利用干涉和衍射的照相新技术。它不是记录物体的平面影像，而是记录物体上各点的完全信息振幅和位相，因此后来称这种技术为全息技术。1962年利恩等人利用激光做光源，成功地进行了三维物体光波波前的记录和重建，全息技术进入了迅速发展时期。因此它在精密计量、无损检验、信息存贮和处理、遥感技术和生物医学等方面有着广泛的应用。现在，全息技术已成为一门仍在不断发展的新技术学科，并得到越来越多的应用。本实验将通过静态光学全息照片的拍摄和再现观察，了解光学全息照相的基本原理、主要特征以及操作要领。还要了解全息双曝光技术的基本原理，

2、主要特征和操作要领。一、实验目的 1.了解全息照相的基本原理和全息双曝光技术的基本原理。2.学习静物全息照相的拍摄方法和双曝光技术的拍摄方法。3.了解再现全息物象的性质和方法。二、实验原理 全息照相是一种二步成像的照相术。第一步如图3-1所示，采用相干光照明，利用干涉原理，把物体O在感光材料H处的光波波前记录下来，H经显影、定影处理后，这种记录就被保存下来，H被称为全息图。第二步如图3-2所示，利用衍射原理，按一定条件用光照射这全息图H，原先被记录的物体光波的波前，就会重新被激活出来在H右方继续转播，就像原物O在原位发出的一样。但要注意，这时H左方原物已取走，激活的是光波在H左方已不存在，所以

3、，我们在H右方按重建的光波看到的“物”，只不过是与原物完全相同的一个三维像。1、 物体光波波前的记录摄制全息图（1） 参考光和物光的干涉。如图3-1所示。物光O和参考光R是相干的，它们的电矢量E的振动，在H所在的xy平面上的分布为e0(x,y)cos和er(x,y)cos,其中e0(x,y)，er(x,y)、分别是O和R的振幅分布和初位相分布，在固定点是定值。需注意，e0(x,y)，er(x,y)是物体各点衍射到（x,y）点的光叠加后的振幅和位相，根据波的独立传播特性 e0(x,y)cos又是一群物体各点独立的衍射波。在振动用复数表示时，把纯时间因子分离出来，于是得到O和R的复振幅（复矢量）分

4、布为 图3-1物光波前的记录 图3-2物光波前的重建 （1） （2）E0，Er的叠加（即“干涉”）后的振幅分布E=E(x,y)=E0(x,y)+Er(x,y). (3)合振动的强度分布为 I=I（x,y）= (4)上式中E与E*量是共扼复数，所以 （5）为了便于分析，上式可改写成 （6）由此式可知，是基本恒定的，它是xy平面上的平均光强，是“直流”项；是随坐标变化的，是“交流”项。后者携带着O光和R光的振幅和位相信息，因而是信息项，它的光强在平面上按坐标周期性的变化，因而形成了干涉条纹。 特别是，当点物和点参考源都位于无限远，即O和R光皆为平行光时，干涉条纹是最简单的明暗相间的直线条纹，xy平

5、面上光强的空间频率(某一物理量在单位长度上的重复次数叫做它的空间频率)是单一方向的单一值尤其是ere0时，光强是在04e02之间变化，条纹的对比度最好设二平面波的夹角为2，波长为A，对称入射H，易得xy平面上光强的空间频率为 N(2sin)/ (7) 容易推想，当物体有一定大小时，H处的光强分布极其复杂，它是一系列空间频率的大小不同、方向不同、强度也不同的干涉条纹的叠加，也就是构成了一个空间频率谱，简称频谱图3 -3 乳胶的特性曲线把上述光强分布用感光介质线性地记录下来，也就记录了O光和R光在xy平面上的振幅和位相信息(2)记录介质有银盐乳胶、光致抗蚀剂等多种记录介质，前者仍是最常用的记录材料

6、负性乳胶干版的感光特性如图3-3所示，田中是振幅透过率，是曝光量为了便于理解振幅透过率曲线，简述一下此曲线的测定：用一束强度恒定的单色光(如激光)照射干版，干版处的光强I可用激光功率计测定，光路中插入一可调减光器，调节光强和感光时间t,使干版不同的位置有不同的曝光量It干版经显影定影处理后，再用恒定的光强照射相应的位置，透过的光强仍用激光功率计测定设入射光强为i。，透过光强为i，固光强跟振幅的平方成正比，于是振幅透过率对原先感过光的各位置逐一测量后就可描出曲线从曲线可以看出，在不很大的中间那段，可用方程 (8)近似表示式中是常数,o是负片可见在一定范围内，振幅透过率和曝光量是线性关系(3)物体

7、光波波前的记录摄制全息图将上述干版放在xy平面处，让它的感光量I(x，y)t落在线性区，再经显影定影处理后，xy平面上的光强分布I(x，y)就转变成了干版上的振幅透过率分布，从而得到厂物体光波的全息图H 将代入式(8)中，则全息图的振幅透过率分布为 (9)式中 近似为常数上式可改写为 (10)可见全息图的振幅透过率也是按坐标周期性变化的联系前述直线于涉条纹，可知它的全息图就是一块简单直线刻纹的光栅按e0=er及式(7)设计可制作全息光栅一般的全息图就是一块刻纹密度各处不一、方向不一、透光程度不一的极复杂光栅，直纹光栅只是其中最简单者而已 2物体光波波前的重建再现物体像全息照相的第二步如图3-2

8、所示，按一定条件用光，最便捷的就是用原参考光，照射上述全息图H，照射光通过全息图复杂光栅的衍射，图中每一点的衍射子波，就包含了原物体上各点照射到图上该点的所有光波，图中许多的点的衍射子波叠加后，在H右方就合成出了原物O的光波波前，并继续向右传播不用透镜，迎着此光看去就能看到“原物O”，但原物已挪走，光并不是发自原物O，所以看到的实际上是原物O的一个虚像不用透镜就有成像作用是全息图的一大特点 波前重建用数学式子表达就是，在月，的照射下，透过全息图的振幅分布为 显然，上式第一项 (11)是再现照明光Er的波前，是Er透过全息图的0级衍射波第二项 (12)是Er透过全息图的l级衍射波，但它却和原物O

9、的光波波前完全相同，只是有所减弱而已(如要更强，只需加强再现照明光即可)由它所形成的虚像称为初始像，通常说的再现，就是指再现初始像第三项 (13)是Er透过全息图的一1级衍射波，它形成与初始像共轭的有所失真的实像由于图中每点都载有物体各点光的完全信息，所以由一般全息图任意割出的一小块，仍能再现物体像，这是全息图的又一特点三、实验光路图图3-4（1）氦-氖激光器 （2）渐变分光镜 图3-5（1）氦-氖激光器 （2）渐变分光镜（3）全反射镜 （4）过半镜扩乘镜 （3）全反射镜 （4）过半镜扩乘镜（5）载物台 （6）漫射屏 （5）试件 （6）漫射屏四、实验装置(1)2.5mw氦-氖激光器 1套 (2

10、)80mm渐变分光镜 1件(3) 35mm全反射镜 2件 (4) 过半镜扩束镜 2件 (5)载物台 1件 (6) 试件 1件 (7)漫射屏 1件五、实验步骤1全息图的拍摄(1)按实验光路图3-4准备光学元器件。(2)确定实验光路中心高度。(3)将激光器调整至中心高度，射出的激光束调整到与防震台面保持平行。(4)按实验光路图3-4布置渐变分光镜、全反射镜、载物台(放置被测物体)与漫射屏。激光束经过分光镜后分成两束(物光和参考光)，最终物照射在漫射屏上。(5)转动渐变分光镜，调整透射光(物光)和反射光(参考光)的光强分配，最终照射在漫射屏上的物光与参考光的光强比在1：11：5之间。(6)适当调整全

11、反射镜的位置，使物光和参考光的光程大致相等。两者间的夹角在2030之间。(7)在光路中放置过半球扩束镜，获得均匀的发散光。（8）遮住激光束，在暗房环境下将漫射屏换成全息干板，并对全息干板进行曝光。(9)对经过曝光的全息干板作显影、定影、冲洗处理。（10)激光以参考光相同的角度照射全息干板，实施全息再现。2两次曝光全息干涉图的拍摄 (1)按实验光路准备光学元器件。(2)确定实验光路中心高度。(3)将激光器调整至中心高度，射出的激光束调整到与防震台面保持平行。(4)按实验光路布置渐变分光镜、全反射镜、试件与漫射屏。激光束经过分光镜后分成两束(物光和参考光)。最终物照射在漫射屏上。(5)转动渐变分光

12、镜，调整透射光(物光)和反射光(参考光)的光强分配，最终照射在漫射屏上的物光与参考光的光强比在1：11：5之间。(6)适当调整全反射镜的位置，使物光和参考光的光程大致相等。两者间的夹角约在2030之间。(7)在光路中放置过半球扩束镜，获得均匀的发散光。(8)遮住激光束，在暗房环境下将漫射屏换成全息干板，并对全息干板进 行第一次曝光（两秒）。(9)所有光学元件均保持不动，对试件中心加一微小的变形，再对全息干板进行第二次曝光。(10)对经过曝光的全息干板作显影、定影、冲洗处理。(11)激光以参考光相同的角度照射全息干板，实施全息再现。六、保养与使用须知 1仪器的工作环境：温度应控制在26(2以下，5C以上；相对湿度在70以下。 2去除光学