全息照片及其原理

全息照片及其原理摘要本文描述了笔者所见到的一张全息照片的特点，并利用全息照相的基本原理和白光再现全息的原理对所观察到的部分现象进行一些简单的解释。关键词全息照相白光再现全息从1948年伽柏首次提出全息照相的思想，到1971年伽柏因全息技术获得诺贝尔物理学奖，再到如今的白光记录全息技术，短短六十年，全息技术被广泛运用到工业、医学、生物、军事等多个领域，并体现出其强大的优势。一、现象描述笔者曾在大学期间进入到学校的演示实验室，并在那里见到了一张全息照片，并观察到若干现象：全息照片长约50cm,宽约30cm，厚约4cm。除了照片外，没有其他任何辅助装置。全息照片内容为三件青铜器，包括背景，物体在内，整张照片均为青绿色。全息照片具有极强的立体感，层次感，可以从各个角度观察照片中物体的各面。二、原理解释全息照相基本原理物体发出的光包含光的振幅和光的相位两方面的信息并可以用复

数形式表示A(x,y)=a(x,y)ei屮(x,y)并且光用复数表示后满足复数的运算规则。在普通摄影中，相片只是记录了景物反射光的强弱，即振幅信息。如果能在拍摄过程中，同时记录下光的振幅和相位信息，就能记录下立体信息，这就是的全息摄影思想。但由于所有的记录介质只能对光强有响应，所以应将光的相位信息转化为光强信息记录下来。常用的方法是干涉法。拍摄原理如图一所示。激光器发射出的光被分束器分成两部分。其中一部分照射到物体上，通过物体的漫反射反射到感光胶片上，称为物光；另一部分则直接照射到感光胶片上，称为参照光。二者发生干涉，记录下光的信息。设物光为O(x,y)=o(x,y)ei屮°(x，y),类似的那么参照光则为R(x,y)二r(x,y)ei屮小)，二者在胶片上干涉有A(x,y)=O(x,y)+R(x,y)则光强为I(x,y)二A(x,y)-A*(x,y)二02(x,y)+r2(x,y)+2o(x,y)r(x,y)cos3—屮)or经查阅资料，全息底片经过冲洗后，全息图上各点振幅透过率与入射光强度有如下关系T(x,y)=T0+kI(x,y)其中为I(x,y)振幅透过率，T(x,y)为入射光强。再现物体的像的时候，用和参照光一样的再现光照射全息图，则有M(x,y)=T(x,y)-R(x,y)=IT+ko2(x,y)+kr2(x,y)Rx,y)+kr2(x,y)O(x,y)+P(x,y)0通过利思的离轴全息，即可将这三部分分离开。其中第二部分正比于原物光，与原物光具有相同的振幅分布和相位分布。与正常相片仅仅记录光强信息不同，全息图的再现发出的是正比于物光的光，包括振幅和相位，因而再现时能显示出光全部的信息，具有极强的立体感，可以从各个方向进行观察。白光再现全息原理事实上，笔者所见的全息图仅有4cm厚，并未发现全息再现时发射参考光的装置，仅仅是在白光下直接观察。上述讨论仅仅是考虑到参考光与物光干涉形成的二维干涉条纹。经查阅资料，“由于乳胶胶片具有一定厚度，但是它是透明的，故在其内部也存在着物光与参考光的相互干涉，干涉条纹也被记录下来，经过处理后得到三维全息图，相当于三维衍射光栅。”“与晶格类似，可以用白光再现。”如果单色光制成的全息图，当用白光照射时，与X光在晶格中衍射一样，如果入射光的入射角0和波长九满足布拉格方程2dsin0二九那么存在干涉极大，从而可以得到原物的虚像。所以说，这种三维光栅衍射对波长具有选择性，可以代替原来的参照光作为再现光，从而可以通过白光照射直接全息再现，即通过白光还原影像。以上是反射全息原理，说明可以通过白光照射取代激光器照射，从而可以直接观察相片，无需其他装置；并且正是由于其对波长的选择性，使观察到的虚像为同一波长，同一颜色。并且，经查阅，当用波长为632.8nm激光（He-Ne激光器）制作全息片，由于乳胶收缩等一系列原因，白光再现时，实际观察到的像并非红色，而是青绿色的。三、结论由于全息图记录下了光的振幅和相位信息，再现时发出正比于原物光的光，因而具有极强的立体感，形象逼真，并可以从各个角度观察。通过反射全息原理制作的全息图全息再现时可用白光代替参考光，所以可以直接观察，十分方便。由于三维光栅衍射对于光具有选择性，所以观察到相片为一种颜色，比如笔者所见到的青绿色。四、结束语全息照相不仅可以拍摄出效果极佳的相片，还可以用于信息的大容量存储，产品的防伪与检测等多个方面，并发挥着巨大的作用。随着科学技术的发展，相信在不久的将来，每个人都能拥有一张自己的全息照片。参考文献王家慧,张连娣等.大学物理实验教程.2009吕广娟，张孝林，段新超.白光再现全息照相.