1、实验 II光学全息照相光学全息照相是利用光波的干涉现象，以干涉条纹的形式，把被摄物表面光波的振幅和位相信息记录下来，它是记录光波全部信息的一种有效手段。这种物理思想早在 1948 年伽柏（D.Gabor）即就已提出来了，但直到 1960 年，随着激光器的出现，获得了单色性和相干性极好的光源时,才使光学全息照相技术的研究和应用得到迅速地发展。光学全息照相在精密计量、无损检测、遥感测控、信息存储和处理、生物医学等方面的应用日益广泛，另外还相应出现了微波全息，X 光全息和超声全息等新技术，全息技术已发展成为科学技术上的一个新领域。本实验通过对三维物体进行全息照相并再现其立体图像，了解全息照相的基本原
2、理及特点，学习拍摄方法和操作技术，为进一步学习和开拓应用这一技术奠定基础。实验目的了解光学全息照相的基本原理和主要特点；学习静态光学全息照相的实验技术；观察和分析全息全图的成像特性。仪器用具全息台、HeNe 激光器及电源、分束镜、全反射镜、扩束透镜、曝光定时器、全息感光底版等。基本原理全息照片的拍摄全息照相是利用光的干涉原理将光波的振幅和相位信息同时记录在感光板上的过程.相干光波可以是平面波也可以是球面波，现以平面波为例说明全息照片拍摄的原理。如图 1 所示，一列波函数为tiaey21、振幅为 a、频率为 、波长为 的平面单色光波作为参考光垂直入射到感光板上。另一列同频率、波函数为tirTti
3、Bebey22的相干平面单色光波从物体出发，称为物光，以入射角 同时入射到感光板上，物光与参考光产生干涉，在感光板上形成的光强分布为 axbaIcos22(1)由此可见，在感光板上形成了明暗相间的干涉条纹。条纹的间距为sind(2）可见，在感光底板上的光强分布和干涉条纹间距都受光波的振幅和相位所调制。在实际情况中，物光是来自于物体上的漫反射光，其波阵面很复杂，因此，感光底板上的干涉条纹并不是等间距的平行条纹，而是呈现出非常复杂的干涉图样，只是在极小的范围内可近似看作等间距的平行条纹。激光束经分束镜后分成两束，一束光经反射镜 M1 反射后又经 L1 扩束均匀地照在被摄物体上，再从物体表面反射到感
4、光底板上，这束光称为物光。同时使另一束光通过反射镜M2 反射后又经 L2 扩束后直接照在感光底板上，这束光称为参考光。当物光和参考光满足相干条件时，在感光底板上形成干涉图样。由于物光的振幅和相位与物体表面各点的分布和漫反射光的性质有关，所以，干涉图样与被摄物体有一一对应的关系，这种把物光波的全部信息都拍摄下来的方法称为全息照相。2物体的再现由于全息照相在感光底板上形成的是干涉图样，所以，观察全息照片时，必须用与原来参考光完全相同的光束去照射，这束光称为再现光。物体的再现的光路原理如图 3 所示。对于再现光，全息照片相当于是一个透过率不同的复杂“光栅” ，而再现过程实际上是干涉图样的衍射过程。再
5、现光经全息照片衍射后的光强分布为)3(2 iaxiaxcbebacI其中 c 为常数。可见，再现光经全息照片衍射后沿三个方向衍射，第一项为再现光沿原来方向的光波，相当于光栅衍射的零级衍射光波。第二、三项相当于光栅衍射的+1、-1 级衍射光波。第一项光强没有变化，不储存信息，所以没有使用价值。第二项光波光强与物光的振幅和相位成正比，传播方向与物光的传播方向相同，这时如将被摄物体移开，眼睛迎着物光的传播方向观察全息照片，就能够在被摄物体的原处观察到被摄物体的虚象。第三项光波光强与第二项光波光强共轭。当物光为发散光时，共轭光为会聚光。如果在被摄物体的对称位置上放一接收屏，可再现被摄物体的实象，此实象
6、与被摄物体共轭，称赝象。3全息照相的特点全息照相是利用光的干涉和衍射原理，而普通照相则是利用光的透镜成象原理。另外，全息照片上的每一点都记录了整个物体的信息，因此，所以全息照片具有可分割的特点。由于全息照片记录了物光的全部信息，所以再现出的物体的象是一个与被摄物体完全相同的三维立体象。实验装置与实验环境1. 相干性好的光源。对于一般较小的漫射物体，常用 HeNe 激光器作为相干光源，它输出激光束的波长为 632.8nm，功率为 13 mW 这种激光器工作稳定、相干性好, 能获得较好的全息图象。2.合理的光路。选择合适的光路是获得优质全息图的关键之一。氦氖激光器相干长度一般不小于激光器腔长的 1
7、/41/2，图 2 是拍摄反射全息照片的光路图。对光路的一般要求有：尽可能减少物光与参考光的光程差，一般控制在 2 厘米以内；参考光与物光的光强比一般选在 2：1 10：1 范围内，为此需要选取合适的分束镜或在光路中加入衰减镜来控制。投射在感光底版上的参考光与物光之间的夹角一般选取在 1545之间,这样可以使干涉条纹的间距大些，从而降低对照相底板分辨率和系统防震要求，并避免再现象与零级衍射重和，而影响对再现象的观察。为了减少光的损失和提高抗干扰能力，在设计光路系统时所使用的光学元件应越少越好。3.高分辨率的记录介质。记录全息图象需要采用分辨率、灵敏度等性能良好的感光底版，因为一般全息干涉条纹是
8、非常密集的，干涉条纹密度为 n=sin/, n 是条纹的空间频率， 是物光和参考光的夹角， 是记录光波的波长。对于 =45时，全息图上的干涉条纹可达 1200 条/毫米，故要采用每毫米大于 1200 线的感光底版。分辨率的提高使感光度下降，所以嚗光时间比普通照片长，且与激光强度、被摄物大小和反光性能有关，一般需几秒、几十秒，甚至更长。用于氦氖激光的全息底版对红光最敏感，所以全息照相的全部操作可在暗绿灯下进行。嚗光后的显影、定影等化学处理过程与普通感光底片相同。 良好的减震装置。拍摄全息照片必须在防震性能良好的全息台上进行，以保证光学系统各元件有良好的机械稳定性，拍摄时每一光学元件都不能有任何微
9、小移动或震动。轻微的震动或气流的扰动,只要使光程差发生波长数量级的变化，条纹即会模糊不清,再现像的亮度和再现视场范围大小会受到影响。所以被摄物体、各光学元件及全息底版必须严格固定。实验的内容熟悉全息设备，了解各部件的性能、作用和使用方法。全息照片的拍摄如图 2 所示在全息台上布置并牢固装夹各光学元件，调节各光学元件的中心等高，使激光的光束大致与实验平台平行。调整光路元件，不放 L1 、L2 ,使经过分光镜的两束光即物光和参考光都均匀照射到光屏上。调物光路和参考光路大致等光程，并且两束光的夹角在 1545范围内。放入 L1 、L2 ,使激光均匀照亮被摄物，使物光和参考光均匀地照射在光屏的同一区域
10、内，并且避免杂散光的干扰。严格防止扩束后的物光束直接照射在感光底板上。调节参考光与物光的光强比在合适范围。光路图如下图所示：由余弦定理得 cos= 6.1327.32=0.82634.3安装感光底板时需要用遮光板遮住激光，使底版的感光乳胶面面向激光束。静置数分钟后曝光，进行曝光，曝光时间由实验室给出。底板用 D19 显影液显影后，用清水冲洗干净，再放入 F19 定影液中进行定影，定影后晾干即可在激光下观察再现像。2全息照片的观察利用原拍摄光路并用与参考光相同的方向照亮全息照片，观察其再现虚像的位置、大小和亮度，并与原被摄物体进行比较。位置、大小、亮度与原像基本相同将开有小孔的遮挡板覆盖在全息照
11、片上，并改变位置，观察其再现虚像，记录观察结果。总结观察到的全息照片的特点，比较全息照相与普通照相的区别。答;全息照片利用光的干涉形成底片，得到的像是立体的。常规照相只是记录了被摄物体表面光线强弱的变化，即只记录了光的振幅；而全息照相则记录了光波的全部信息，除振幅外，还记录了光波的相位。这样就把空间物体光波场的全部信息都贮存记录了下来。然后利用全息照片对特定波长单色照明光的衍射，把原空间景象显现出来。注意事项勿用手、手帕、纸片等物擦光学元件。曝光时切勿触及全息台拍摄时应防止杂散光干扰,以免破坏全息图.不能用眼睛直接观看未扩束的激光束.全息底板是玻璃片基,注意轻放,以免弄碎.思考题为什么要求光路中物光和参考光的光程尽量相等？答：因为激光的干涉长度有限，所以尽量使光程相等为什么光学元件安置不牢，将导致拍摄失败？答：因为安置不牢会引起微小振动，光程差改变，使干涉条纹变化，导致拍摄失败。如何判断所观看到的再现物像是虚像还是实像？答：在玻片后加一光屏，若光屏有像则再现物象是实像，若无像则为虚像。
