1、大学物理第 1 页 共 5 页全息照相及其应用全息照相是既能记录光波振幅的信息，又能记录光波相位信息的摄影。关于全息照相的理论早在 1947 年就由英国科学家伽波提出来。但直到亮度高、颜色纯、相干性好的激光问世后，才真正拍摄出全息照相。目前，全息技术在干涉计量、信息存储、光学滤波以及光学模拟计算等方面得到了越来越广泛的应用。 一摘要：当两束相干光的相位相同，合成光源的振动就增强，反之就减弱。光的位相是随位置变化的，因此，光波的振动和减弱也随位置而变化。这样，在两束光的交叠处就产生强弱相间的干涉条纹。条纹的分布情况反映了合成光波的位相在不同位置的变化情况。因此，利用两束光的干涉所产生的干涉条纹可
2、以有效地把相位的变化记录下来。二原理：根据惠更斯-菲涅耳原理。全息照相是以光的干涉、衍射等物理光学的规律为基础，借助于参考光记录光波的振幅与位相的全部信息，在记录介质上得到的不是物体的像，而是只有在高倍显微镜下才能观察得到的细密条纹。（一） 、波前的全息记录利用干涉的方法记录物体散射的光波在某一个波前平面上的复振幅分布，这就是波前的全息记录。 图 1 漫反射全息光路图大学物理第 2 页 共 5 页o投射光的复振幅入射光的复振幅用单色的激光光源照射物体，物体因漫反射而发出物光波，波场每一点的振幅和相位都是空间坐标的函数，用 表示物光波每一点的复振幅，物光波的 O x y,z e i x y,z0
3、 0, ,全部信息包括相位和振幅两个方面，但是所有的记录介质都只对光强有响应，所以 必须把位相的信息转换成强度的变化才能记录下来，常用的转换法是干涉法。因此，为了记录物光波在照相底板上每一点振幅与位相的全部信息，我们用同一激光光源的另一部分直接照射到底板上。这个光波称为参考光，它的振幅和位相也是空间坐标的函数，其振幅用表示，参考光束通常是球面波或平面波。这样在记录底板 R x y,z ei x y,zro , ,上总光场是二者的叠加，复振幅为 ,从而底板上各点的光强分布为：式中 O*与 R*分别为 O 与 R 的共轭量， Io= O O*， IR=R R*分别为物光波与参考光波独立照射到底板上
4、时的光强，在底板上不同位置的变化比较缓慢，在全息记录中不起主要作用，而（ OR+O*R） 为干涉项， ，干涉项产生的明暗以（o-r）为变量按余弦规律变化的干涉条纹并被感光底板记录下来的。不增加任何波动信息,只有底片上的明暗条纹(此时的明暗条纹不是简单的等间隔平行直线或一系列同心圆,而是相当复杂的,见前面图示)才代表了合成光场的光强分布。至此,全息照相的记录过程就完成了。（二） 、全息再现波 前 再 现 的 理 论 依 据 是 衍 射 原 理 ， 照 明 光 波 （ 再 现 光 ） 经 过 全 息 图 衍 射 后 出 现 一个 复 杂 的 光 波 场 。 图 2 全息照相的记录及再现过程班级 0
5、9（4） 姓名 司习习 学号 09223303制成的全息图上透明区域允许光通过的成分多一些，阴暗区域允许光通过的成分少一些，具体的振幅透过率（即透射光的振幅与照相光的振幅之比）t= （则 t 为一般复数）由曝光量 E 决定的。O+RI=(O +R )(O +R)=OO+RR+OR+O*R=Io+IR+OR+O*R (1)* *大学物理第 3 页 共 5 页物光波前的再现利用了光波的衍射，如图 3 所示。用一束参考光（在大多数情况下是与记录全息图时用的参考光波完全相同）照射在全息图上，就好像在一块复杂光栅上发生衍射，在衍射光波中将包含有原来的物光波，因此当观察者迎着物光波方向观察时，便可看到物体
6、的再现像。这是一个虚像，它具有原始物体的一切特征。此外还有一个实像，称为共轭像。应该指出，共轭波所形成的实像的三维结构与原物并不完全相似。图 3 物光波的再现 三、 特点1 片上的花纹与被摄物体无任何相似之处，在相干光束的照射下，物体图像却能如实重现。2 立体感很明显（三维再现性） ，如某些隐藏在物体背后的东西，只要把头偏移一下，也可以看到。视差效应很明显。3 全息图打碎后，只要任取一小片，照样可以用来重现物光波。犹如通过小窗口观察物体那样，仍能看到物体的全貌。这是因为全息图上的每一个小的局部都完整地记录了整个物体的信息（每个物点发出的球面光波都照亮整个感光底片，并与参考光波在整个底片上发生干
7、涉，因而整个底片上都留下了这个物点的信息） 。当然，由于受光面积减少，成像光束的强度要相应地减弱；而且由于全息图变小，边缘的衍射效应增强而必然会导致像质的下降。4 在同一张照片上，可以重叠数个不同的全息图。在记录时或改变物光与参考光之间的夹角，或改变物体的位置，或改变被摄的物体等等，一一曝光之后再进行显影与定影，再现时能一一重现各个不同的图像。由于具有这些特点，全息照相术现在已经得到了广泛的应用。如前面提到的全息信息存储和全息干涉分析就是分别应用了所述的第三和第四个特点。大学物理第 4 页 共 5 页一张全息图相当于从多角度拍摄、聚焦成的许多普通照片，在这个意义一张全息的信息量相当 100 张
8、或 1000 张普通照片。用高倍显微镜观看全息图表面，看到的是复杂的条纹，丝毫看不到物体的形象，这些条纹是利用激光照明的物体所发出的物光波与标准光波（参考光波）干涉，在平面感光底板上被记录形成的，即用编码方法把物光波“冻结”起来。一旦遇到类似于参考光波的照明光波照射，就会衍射出成像光波，它好像原物光波重新释放出来一样。所以全息照相的原理可用八个字来表述：“干涉记录，衍射再现”。四、应用（一）、制作全息光学元件根据全息原理可制成全息光栅、全息透镜、全息滤波片、全息扫描器等多种光学器件。它们的共同优点是重量轻，因为全都是一种薄系统；且可以在同一张底片上记录多个全息图，得到空间重叠的全息光学元件。（
9、二）、全息干涉计量全息干涉计量是全息照相最早最主要的应用。它能实现高精度非接触性无损测量，比一般光学干涉计量有很多优点。具有三维性质，使用全息技术可以从不同视角，通过干涉量度去考察一个形状复杂的物体。，全息干涉计量可以对一个物体在两个不同时刻的状态进行对比，这就可以探测物体在段时间内发生的任何改变。由于这些优点，使全息干涉计量分析在无损检测、微应力应变测量、形状和等高线的测绘、振动分析、高速飞行体的冲击波和迅速流体的流速场描绘等多种领域中得到应用。 （三）、全息存贮随着科技的发展，人类积累了越来越多的信息，包括图片、文字资料、代码、数据等，缩微存贮已经成为信息科学技术发展的一个方向。全息存贮提
10、供了一个全新的存贮方式，其特点是大容量、高密度、高冗余度、高衍射效率、低噪声、高分辨率和高保真度。（ 四）、全息术其它方面应用利用全息照相可以进行显微放大 。 不仅如此，还能有效地提高电子显微镜的分辨本领，扩大视场深度。利用体全息图的角度选择性和颜色选择性，可以在一张全息图中贮存许多景物信息。这只要在拍摄每一景物时，把全息底片的位置转动一下就行。同样，在再现时，只需将全息图放在激光束中转动，就能把各景物互不干扰地相继显现出来。人们正在根据体全息图的这种特性研制新型的立体电影和立体电视。大学物理第 5 页 共 5 页大型全息图既可展示轿车、卫星以及各种三维广告，亦可采用脉冲全息术再现人物肖像、结
11、婚纪念照。小型全息图可以戴在颈项上形成美丽装饰，它可再现人们喜爱的动物，多彩的花朵与蝴蝶。迅猛发展的模压彩虹全息图，既可成为生动的卡通片、贺卡、立体邮票，也可以作为防伪标识出现在商标、证件卡、银行信用卡，甚至钞票上。装饰在书籍中的全息立体照片，以及礼品包装上闪耀的全息彩虹，使人们体会到 21 世纪印刷技术与包装技术的新飞跃。模压全息标识，由于它的三维层次感，并随观察角度而变化的彩虹效应，以及千变万化的防伪标记，再加上与其他高科技防伪手段的紧密结合，把新世纪的防伪技术推向了新的辉煌顶点。互动墙面 互动走廊 动感踩吧 虚拟翻书 普通触摸屏 聚音罩 雾屏成像 幻影成像 魔幻剧场 球幕 纱幕 地幕演示 水幕 3D 环幕立体影院 4D 动感影院 环幕影院 球幕影院 时光隧道 三折幕 飞翔影院 全息空间 （按住 ctrl 键进行追踪体验）实例：天津大学设计的小型全息照相机（五）参考文献 1大学物理实验教程.国防科技大学出版社.1994. 2光学.北京大学出版社.1999.9 3波动与光学.清华大学出版社.2001.1
