激光全息图像技术

激光全息图像技术第1页，共26页，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:简介...

英国科学家丹尼斯·伽柏(DennisGabor)在1948年提出了新的两步无透镜成像法—波前重现原理。伽柏通过实验发现，如果有一个合适的相干参考波和一个物体衍射波同时存在，此衍射波的振幅和位相的信息就能被完全记录下来。伽柏还证明了这样记录下来的全息图（hologram）通过相干光照射全息图可得到原来物体的像。由于受光源条件的限制，在激光出现以前，全息术的研究进展缓慢，在1960年激光器诞生之后，提供了理想的相干光源，全息术得到迅速发展。全息术在干涉计量、信息贮存、光学滤波等方面获得了广泛的应用，已成为一种有效的光信息贮存和显示技术。伽柏因此获得了1971年度的诺贝尔物理学奖。

全息第2页，共26页，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:简介...

设备第3页，共26页，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:实验概要...

了解全息照相基本原理。

熟悉全息照相的实验技术。

观察和分析全息照相的成像特性。

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普通照相是运用透镜的成像原理，使物体在感光底片上成像，其记录的仅是物体表面发射的光或反射的光。而全息则利用干涉原理，使感光片上不仅记录光的强度，还记录了光的相对相位。所谓全息就是把物体发出或反射的光信号的全部信息，包括光的振幅和相位全部记录下来，在再现被摄物体时就能得到物体的立体像。所以全息照相实际上是一种两步成像的照相技术，第一步记录下复杂的干涉图样，得到一幅全息图，称为记录过程。第二步照明全息图，再现出原始物体光波，得到与物体不可分辨的像，称为再现过程。全息第5页，共26页，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:基本原理...

全息拍摄光路图：

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上图是全息照相记录过程的原理图，感光片除受到来自物体的光束照明外(注意没有任何成像装置)，还受到另一光束(称为参考光)的照明。如果物光和参考光是高度相干的，则物光和参考光在底片上迭加干涉，其物光的振幅信息被转换成干涉条纹的明暗对比度，物光的位相信息被转换成干涉条纹的形状和疏密分布记录下来。这样一张记录了干涉花样的底片经处理后，就是一张全息片。

全息拍摄：

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全息过程：

全息照相借助于相干的参考光束和物光束相互干涉来记录物光振幅和相位的全部信息。全息图上干涉图样的明暗对比程度反映了物光波相对于参考光波之间振幅的变化，而干涉图样的形状和疏密变化反映了物光波和参考光波之间的相位变化。全息照相过程包含记录和再现两过程（1）用干涉方法记录物光波的全部信息；（2）用衍射方法再现物体的光学现象。第8页，共26页，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:实验方法...

曝光将全息底片放置在照相框架上，药膜面向被拍摄物体，放好底片后稍微等几分钟，待系统稳定后再开始曝光，曝光时间由激光功率、物体大小和漫反射性能、底片的感光灵敏度等来定。最佳时间应通过试拍确定。第9页，共26页，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:实验方法...

冲洗冲洗包括显影、定影和漂白，其方法和普通照片冲洗完全相同。漂白是为了增加衍射效率，提高再现像的亮度。这是因为底片经过漂白，是将原来形成的银粒变为几乎完全透明的化合物，这样记录采取了光程中间的空间变化形式，而不像原初振幅全息图那样是光密度的空间变化。显影用D19型显影液，显影时间一般在3秒。定影用F5型定影液，定影时间一般在5秒。漂白用R-10漂白液体，漂白时间待全息底片透明即可。第10页，共26页，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:实验方法...

再现1将拍摄好的全息照片放回原照相底片架，挡住物光束和被摄物体，用原参考光照明，像即呈现在原物所在的位置。2用另一束激光沿原参考光方向照射全息图，观察再现像，改变位置，再观察虚象，比较观察结果，说明立体的视觉效应。3改变全息图至扩散镜的距离，观察虚象的位置和大小变化，并用理论公式说明。4用一张直径约4-5mm小孔光阑遮住全息图，通过小孔观察再现象的变化。5用未扩束的氦氖激光直接照射全息图，除再现虚象外，在透射光一侧的白屏上还会有两个“再现实象”，仔细观察两个像的区别。第11页，共26页，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:仪器剖析...

冲洗平台：

第12页，共26页，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:仪器剖析...

光学平台：

第13页，共26页，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:仪器剖析...

曝光定时器：

第14页，共26页，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:仪器剖析...

照度计第15页，共26页，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:内容与步骤...

拍摄全息图：（1）先熟悉实验室设置情况，在不关灯情况下了解各实验设备的使用方法，布置实验拍摄光路，使物光和参考光的光程基本相等。（2）调整光路使物光和参考光的夹角不宜太大，否则会使干涉条纹间距过小，对感光底片分辨率的要求更高。目前国产全息干版分辨率已达3000条/mm左右，所以一般控制在45°即可满足拍摄要求，但也不宜太小，否则再现时和零级衍射波重叠，影响再现象的观测。（3）关灯在暗室情况下测量在底片处物光和参考光的光强比，一般控制在1：3到1：8之间。（4）将底片夹装上全息干版，注意药膜面必须朝着物光方向。（5）最后检查一下光路、光程和光强比，待整个系统稳定几分钟后进行曝光，曝光时间由实验室根据具体情况给出。（6）在暗室中对底片进行处理，即显影、停显、定影、水洗后晾干。注意在操作中不要损伤药膜面。第16页，共26页，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:内容与步骤...

全息图的重现：（1）将全息图在白光下观察，并与普通照相照片比较，有何不同？（2）用扩束镜将激光扩束后照射全息图（图a）,尽可能使光照方向和原参考光方向相同，仔细观察再现虚像的位置、大小、特征，并移动眼睛位置，观察视差效应。再移动全息图前后位置及改变上下位置，观察虚像的大小变化情况。（3）用一小孔贴近全息图，通过小孔观察虚像，看到的是局部还是全部？为什么？（4）实像的观察（图b）,直接用激光束照射全息图，用一毛玻璃屏找实像，观察实像的大小、特征。

第17页，共26页，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:实验动画...

第18页，共26页，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:疑难解答...

说出普通照相与全息照相的区别？答：普通照相只记录物光的振幅；而全息照相即记录物光的振幅又记录物光的相位。一个是二维图象，一个是三维图象。2.一张破碎的全息图残片能重现物体的全貌吗？答：能，但分辨率要受一定的影响。

第19页，共26页，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:注意事项...

1.光学平台，He-Ne激光器，电动快门及曝光定时器，反射镜及分束器，扩束镜，全息干版及底片架。上述器件均用磁性底座固定在光学平台上，所有的光学元件表面严禁手摸。2.检查全息平台的稳定性能，一定要保证绝对平稳。3.物光与参考光的光程差必须小于所使用的激光的相干长度，最好使它们的光程大致相等。4.物光束与参考光束的光强比选择要适当，以使全息照片具有最大的衍射效率。一般来说，物光束与参考光束的光强比取在1：2—1：5之间。5.参考光与物光之间的夹角要适当，以小于30度为宜。第20页，共26页，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:参考资料...

1.大学物理实验教程浙江大学出版社。2.大学物理实验武汉大学出版社。3.大学物理导论清华大学出版社。4.普通物理实验高等教育出版社。5.改变世界的物理学复旦大学出版社。6.固体物理学中南大学出版社。7.工程光学机械工业出版社。8.英汉物理学词汇北京大学出版社。9.物理实验手册机械工业出版社。10.普通物理实验高等教育出版社。11.大学物理通用教程北京大学出版社。12.现代光学基础北京大学出版社。13.电子仪器与测量技术中国科技大学出版社。14.大学物理浙江大学出版社。第21页，共26页，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:国际基本单位…

物理量符号名称长度m米质量kg千克（公斤）时间s秒电流强度A安[培]热力学温度K开[尔文]物质的量mol摩[尔]发光强度cd坎[德拉]第22页，共26页，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:基本物理常量…

物理量符号数值单位光速C299792458m/s里德伯常数R∞10973731.568549m-1

电子电荷e1.60217733☓10-19C普朗克常量h6.6260755☓10-34j.s电子静止质量m9.1093897☓10-31kg精细结构常量α7.29735308☓10-3第一辐射常量c13.7417749☓10-16W.m2第二辐射常量c20.01438769m.K阿伏加德罗常数NA6.0221367☓1023mol-1

维恩位移常量b2.897756☓10-3m.K真空磁导率μ

012.566370614☓10-7NA-2电子伏eV1.602176462☓10-19J第23页，共26页，2023年，2月20日，星期日SPECTRUM:国际导出单位…

物理量符号名称表示式频率Hz赫[兹]s-1力N牛[顿]m.kg.s-2

压强Pa帕[斯卡]N/m热量、功、能J焦[耳]N.m功率、辐射通量W瓦[特]J/s电量C库[仑]s.A电压V伏[特]W/A电容F法[拉]C/V电阻Ω

欧[姆]V/A电导S西[门子]A/V磁通量Wb韦[伯]V.s磁感应强度T特[斯拉]Wb/m2电感H