1、全息 照 相 【实验目的】1理解全息照相的记录与再现原理以及全息照相的特点；2掌握离轴菲涅耳全息照相的拍摄方法与再现方法【仪器和用具】 防震全息台、氦氖激光器、扩束透镜（两个）、分束器、反射镜（三个）、调节支架若干，全息干版、米尺，显影液和定影液及暗房设备。 【实验原理】 年伽伯曾提出一种无透镜两步成像法，即用一个合适的相干参考波与一个物体的散射波叠加，则此散射波的振幅和相位的分布就以干涉图样的形式被记录在感光板上，被记录的干涉图称全息图。用相干光照射全息图，透射光的一部分就能重新模拟出原物的散射波波前，于是重现一个与原物非常逼真的三维图像。因为当时没有足够好的相干光源，所以几乎没有引起人们的
2、注意。年激光的出现促进了全息术的发展，并使这一想法付诸实现。目前全息术已从光学发展到微波、射线和声波等其他波动过程，成为科学技术的一个新领域。. 全息照相记录 普通照相建立在几何光学透镜成像的基础上，它只反映了像与物的各点具有光强（振幅）分布的对应关系，而缺少光波的相位信息，因此它只是一个二维平面图像。全息照相是建立在波动光学干涉和衍射规律的基础上，它不仅记录光强分布的对应关系，而且记录了相位变化的信息，因此可以复现出原物的三维图像。 全息照相的光路如图 4.16-所示。氦氖激光经反射镜、分束器、和扩束镜之后，一路成为参考光，另一路被物漫反射成为物光，二者照于感光板上叠加产生干涉图。从物体上漫
3、射的物光波，其振幅和相位受到物体的调制，振幅给出物体亮度的信息，相位给出物体位置和深度的信息。但相位信息不能直接被感光版记录，而是通过与参考光的干涉，才把物光波阵面上各点的振幅和相位转换成空间上变化的强度分布，记录在感光版上。因为干涉条纹中包含着被摄物体光波振幅和相位的全部信息，所以经过显影、定影处理的感光版叫做全息图。 . 物光波阵面的再现 激光器MMMH分束器物扩束镜扩束镜物光参考光图 4.16- 全息照相记录光路全息图如同一块复杂的光栅。如果用原参考光做照明灯，以原角度照射全息图，从另一侧迎着衍射光观察，在沿着照明光束方向传播的零级衍射光的一旁，必然出现一级衍射（图 4.16-2）。此光
4、束在相当于原物体位置处聚成一个虚像，犹如从被摄物体发出的波阵面，可称物光波阵面的再现，这就是全息照相获得的非常逼真的立体像。另一个一级衍射，在全息图后会聚成实像，称做共轭像。 . 全息记录与再现的数学表达 设平面为全息感光版平面，物光和参考光在此平面的光场分布分别表示为 tieyxOtyx),(),(（4.16-1） tiR（4.16-2）式中 ),(0,),(yxiOeyx，(R，即为复振幅，同时表达了物光和参考光的振幅和相位的分布，而感光版平面上总的复振幅分布为。感光版上的光强分布若省略(x,y) ，有 *2 ROORI *IR（4.16-3）式中：R *和 O*分别为 R 和 O 的共轭
5、复数。 照相材料的感光特性曲线（图 4.16-3）存在一个大致的线性范围。如果使曝光量E(x,y)在此范围内变化，则全息图的振幅透射率 ),(,0yxETyx（4.16-4）式中：T 为未曝光部分的透射率； 是取决于干版感光特性和显影过程的一个常量。 曝光量等于光强与曝光时间的乘积即 E=I t，代入式（4.16-）得 ),(),(0tI*)RORO （4.16-5） 这就是全息图的透射率分布函数。 在使用与原参考光相同的光波从适当方向照射全息图的时候 RT,将式（4.16-）代入，得 ItTRO)(0*) tt（4.16-6） 这里透射光波 T的每个分量都表示一个衍射级： 第一项为零级衍射波
6、，是被衰减了的再现 R 光。 第二项是物光复振幅乘以常量 )(It，这正是原始物光的再现，仍按原物光方向传播（是按一定比例重建的物光，所以再现光 IR 越强，再现像就越明亮），相当于一级衍射光。它是发散的，其延长线会聚于物体原来位置上，为虚像。 第三项 *tRO，它载有物光的共轭光波 *O，是另一个一级衍射，与物光的相位相反，在两倍于参考光偏角的方向上会聚成共轭实像。 从以上分析并结合实际观察，可见全息照相除了具有逼真的三维立体感、全面的视差特性、景深范围较大和成像亮度可调的特点以外，还能够以局部全息图再现全部物像，并且可以在同一张干版上变换角度拍摄不同的景物，再转动全息图，从不同的角度顺序观
7、察互不重叠的各幅物像。 【实验内容】 图 4.16- 透射率与曝光量关系曲线图 4.16-用全息图再现物体光波.先熟悉实验室布局和暗室设备，了解全息干版的装夹方法和各种光学元件支架的调节和使用方法。 .检查全息实验台的防震性能。. 参照图 4.16-布置光路，做好以下调节： （1）使各光学元器件中心等高，未扩束时光线与全息台平行；（2）物光和参考光的光程大致相等，光程差控制在cm 以内。 （3）投射于感光版上的物光与参考光之间的夹角在 30左右（观察再现像，宜尽量避开刺眼的直射强光）。 （4）照射到全息干版上的物光和参考光光强相差不要太悬殊。因一般被摄物的漫反射率不高，投射到面上的物光就相对偏
8、弱，所以要选择分束比合适的分束器，让较强的光照在物上。为比较物光和参考光的强度，在干版架上置一白屏，并调节扩束镜与屏的距离，使二路光强（物光：参考光）达到 12-14 左右。 . 曝光和冲洗按以下步骤进行： （1）预定曝光时间 20左右，视物的大小及其反射本领酌情增减。 （2）将激光挡住，在黑暗中或较远处的暗绿色安全灯下把全息干版夹在干版架上（必须是感光乳剂面朝向被摄物体），等一两分钟待系统稳定后即可进行曝光。 （3）把感光后的干版放在显影液中显影（显影液温度），再放入清水中漂洗，然后定影。可在暗绿灯下操作。定影后的底片应在水池中把残留药液冲洗掉，再吹干。 . 波前再现的观察：（1）如图 4.
9、16-2 所示，让再现光以原参考光束对干版的方位射向全息图，取掉物，从全息图的背面观察原物位置，在原物所在方位即发生波前再现，可见一个三维虚像。试验并解释局部遮挡对成像的影响。（2）再试以原参考光的共轭光（会聚光）或直接用未扩束的激光束从全息图的背面入射，转动全息图的角度，在另一侧用毛玻璃或白屏寻找实像并记录其相对位置。 【注意事项】 1. 眼睛绝不可直视未扩束的激光束，以免造成视网膜的永久损伤； 2. 曝光时不能走动，不能触碰全息台；3. 在化学处理过程及其前后，应拿住全息片的边缘，注意不要触摸药膜面，以免碰伤。【思考题】 （）拍摄一张优质全息图应具备哪些基本条件？ （）“再现”之前可以对全息图照片做哪些初步检验？ （）如果参考光的相位改变，是否会导致全息图的黑白颠倒？用一张全息图复制一张黑白反转的“正片”，是否能够再现出与“负片”再现像同样的像？
