1、36实验 7 激光全息照相【实验目的】1了解全息照相的基本原理。2学习并掌握全息照相的基本实验技术。【实验原理】英国物理学家伽柏（D.Gabor）在 1947 年，并非从三维成像（three dimensional imaging）的目的出发，而是为了提高电子显微镜（electron microscope）的分辨率，发明了全息术（holography ） 。他提出用物体衍射的电子波制作全息图（hologram） ，然后用可见光（visible light）照明全息图来得到放大的物体像。由于省去了电子显微镜物镜（objective） ，这种无透镜两步成像过程可期望获得更高的分辨率（resolut
2、ion） ，伽柏用可见光验证了这一原理。全息术的思想渊源来自波动光学（wave optics） ，全息术的发展，不仅有赖于激光（laser）的出现，还有赖于其它方面的贡献。伽柏曾经说过： “在进行这项研究时，我站在两个伟大的物理学家的肩膀上，他们是布喇格（W.L.Bragg）和采尼克（F.Zernike） 。 ”这就是说，伽柏全息思想的萌生受到他们的启发。在发明全息术的前几年，伽柏看过布喇格的“X 射线显微镜（X -ray microscope） ”（布喇格采用两次衍射使晶格的像重现） ，并注意到如若采用布喇格的方法还不足以记录傅里叶变换的全部信息。为了解决相位记录的问题，伽柏想到了采尼克在研
3、究透镜像差（lens aberration）时使用过的“相干背景” ，即用“相干背景”作为参考波（reference wave） ，那么参考波与衍射波（diffraction wave） （物波（object wave） ）相互干涉，用照相底片记录干涉图样（interference pattern） ，便得到包含相位（phase）信息在内的干涉图样，此即全息图。在全息图上，两个波相位相同处产生极大，相反处产生极小，当用参考光照明全息图时可重建物波波前（wave front） 。由于前人未掌握波前重建，故直到 1947 年全息术的思想才在伽柏的脑子里萌生。在最初的实验里，由于所用的光源（ligh
4、t source）很弱、且相干长度（ coherent length）小，必须把每一实验器件都布置在同一轴线上（称之为同轴全息实验） ，这样不可避免的受到孪生像（共轭像（conjugate images） ）的干扰，使再现的图象不大理想，尽管如此，伽柏的实验首次实现了全息记录和重建波前，因而，标志着全息术的开端。由于当时没有理想的相干光源（coherent source） ，受到伽柏同轴全息孪生像的困扰，有成效的工作很少。到了 1962 年左右发明了激光，美国人利思（E.N.Leith）和厄泊特尼可斯（J.Upatnicks）的第一个激光全息照片以及其后的全息图的发表，马上引起巨大的轰动，他们
5、的工作清晰的表明全息图的大存储量。此外，苏联物理学家丹尼苏克，把伽柏全息术与李普曼（G.Lippmann）自然彩色照像技术结合在一起，于 1962年提出了一种体积反射再现波前原理，也就是反射全息术（reflection holography） ，为白光全息的发展打下了基础。37由于全息术的发明，1971 年伽柏荣获诺贝尔物理学奖。在获奖时他说道：“我深深懂得，这是一支年轻的、有才干的和热诚的研究队伍所完成的我希望向他们表达我的真挚的谢意，感谢他们的工作帮助我得到这个最高的科学荣誉” 。如今，全息术已发展成一门用途很广的一门学科了，相继出现了多种全息方法，开辟了全息应用的新领域，全息术不仅可用于
6、可见光波段，也可用于电子波（electron wave） 、X 射线（X-ray ） 、微波（ microwave）和声波（sound wave）等。人的眼睛可以看到一个物体，是由于物体所发出的光波（自发光或反射光）携带着物体所包含的信息传播到眼睛，由眼睛在视网膜上成像所致。光信息（light information）包含光波的波长（wavelength） 、振幅（amplitude）和相位（phase） ，它们决定了所看见物体的特征（颜色、亮暗、远近和形状） 。只要能够记录并再现该特定的光波，即就是物体不存在，但人眼看到再现的特定光波，就如同看到逼真的物体一样。记录与再现光波的这一过程就是光
7、学全息术要解决的问题。1全息照相（holograph）的基本过程普通照相利用透镜将物体成像在底片上，它只记录了物体的光强（light intensity）信息，而并未记录反映物体之间相对位置、远近的相位信息，所以看到的相片没有立体感。全息照相把物体的光强和相位信息全部记录，因而得到的是立体像。全息术利用干涉原理，将物体发射的特定光波以干涉条纹（interference fringe）的形式记录下来。由光的干涉原理可知，所形成的干涉条纹与物光波的振幅和相位有关，所以记录干涉条纹就记录了物光波的全部信息，这就是“全息图” 。用光波照明全息图，在一定条件下，由于衍射效应（diffraction ef
8、fect） ，可使记录的物体特定光波再现，该光波将产生包含物体全部信息的三维像。为了说明全息术的基本原理，先看一个最简单的例子。在图 7-1(a)中，光波 1 和2 是相干的两束平行光（parallel light） ，它们在相遇区域产生干涉，形成等间距的干涉条纹，条纹取向垂直于 1、2 两光束构成的平面（即垂直于纸面） 。P 是照相底片，曝光后经过显影、定影处理，则底片就是透光、不透光的条纹，这就是一个光栅（grating ） ，其光栅常数（grating constant ） （干涉条纹间距）为（7-1）sind（a） p d21 图 7-1 干涉法制光栅 2“2 0-1+1+11+11
9、（b）p38将该光栅放回原处，用 1 光照射，如图 7-1(b)所示，光栅衍射方程为（7-2）kdsin比较（7-1） 、 （7-2）两式，k=1 的+1 级衍射光在 =方向。所以看到的衍射光 2就如同看到原光束 2 一样。图 7-1(a)是对 2 光的记录，图 7-1(b)是对 2 光的再现。把 1 光称为参考光，2 光称为物光。而-1 级衍射光在 - 方向，对应的把 2称为共轭光波，而把 2称为原始光波。图 7-1 所示的过程就是拍摄全息光栅的基本原理。在一般光栅衍射实验中，所用衍射光栅就是这样制作的，不过为了提高衍射效率，进行了漂白处理。从以上分析可以看出，全息术分为波前记录与波前再现两
10、个过程。（1）波前记录光的干涉（interference of light）如图 7-2 所示，参考光（reference light） R 为点光源（point light source） ，物光（object light）O 来自物体表面的散射（scattering） ，这时参考光的波阵面（wave front）是球面，而物光的波阵面非常复杂。所以，O 光与 R 光在干板 P 上不同位置产生的干涉条纹的取向、间距也是各种各样的。曝光后对全息干板显影、水洗、定影、水洗、晾干，就是一张拍好的全息图，它并没有物体的影像，只是各种复杂的干涉条纹。（2）波前再现光的衍射（diffraction of
11、 light）如图 7-3 所示，把拍好的全息图放回记录光路原处，去掉物体，用原参考光照明。经全息图衍射后，产生两个衍射光波，其一是物光 O，形成原始虚像（相当于图 7-1(b)中的+1 级） ，其二是物体的共轭光，形成共轭实像（相当于图 7-1(b)中的-1 级） 。必须说明，共轭光波形成虚像（virtual image）还是形成实像（real image）与具体的拍摄光路密切相关。2拍好全息图的几个关键技术条件（1）相干光源（coherent source ）物光和参考光必须是相干光，所以用相干性（coherence）很强的激光作光源。同时，利用分束镜（spectroscope）把激光器发
12、出的光分成两束，一束作为物光，一束作为参考光，并使其光程（optical path）相等。本实验用输出波长为 632.8nm 的 He-Ne图 7-2 波前记录p物ORs共轭实像图 7-3 波前再现p原始虚像O*ORs39激光器作光源。（2）隔振平台物光和参考光形成的干涉条纹必须是稳定不变的，所以，物光和参考光必须稳定，且相对位置不变。为了避免曝光时（曝光时间几秒几十秒）各元件受外界干扰而振动，从而影响干涉条纹分布，所有光学元件放置在一块隔振的钢板平台上，并用磁铁使各元件与平台吸附在一起。 （3）物光、参考光的强度（intensity）从干涉理论可知，当物光与参考光在干板处强度相等时，干涉条纹
13、的对比度最好。而实际上，参考光直射干板，而物光经过物体表面散射到干板，散射光强与物体表面的反射率（reflectivity ）有关，因而，很难使物光与参考光的强度相等。同时全息照相不仅考虑记录时干涉条纹的对比度，还要兼顾再现时的衍射效率，所以一般使物光与参考光的光强比为 1:4 到 1:10。具体测量方法是把光电池（photoelectric cell）放在干板平面处，其输出线接至复射式灵敏电流计（galvanometer） ，分别测量物光和参考光照射光电池时灵敏电流计偏转的格数，则格数之比就是光强比。（4）全息记录干板普通照相底片是易变形的软片，而全息记录干板是表面涂有一层感光乳胶的玻璃，这
14、是由于玻璃有一定刚度，不会变形弯曲。对不同波长的激光，用不同型号的感光乳胶。从式（7-1）可以看出，物光与参考光夹角越大，形成的干涉条纹越密。所以，任何型号的全息干板均要求具有非常高的分辨率（根据（7-1）式， =30 ， =632.8nm，d=1.2710 -6m） ，即感光乳胶的银盐颗粒很细，但银盐颗粒越细相应感光速度越慢。实验所用全息型干板的感光波长范围是 530700nm ，敏感峰值（peak value）波长为 630nm。它对 He-Ne 激光最灵敏，对绿光不敏感，所以，显影时可在绿灯下观察。【实验仪器】He-Ne 激光器，全息平台及其光学附件，光电池及复射式灵敏电流计，电磁快门，
15、洗相设备。【实验内容与方法提示】本实验的关键是如何拍到一张较高质量的全息图，理解并掌握拍摄的技术要点。401实验光路。拍摄全息图的光路如图 7-4 所示。2光路调节光路调节是本实验的重要内容，也是拍好全息图的关键。首先了解各仪器的结构与功能，熟练掌握其使用与调节方法。并在干板架上插入白屏（用以接收光） ，然后按图 7-4 在全息平台上布置光路。光路调节要点：（1）激光器发出的光线及经过全反镜（total mirror） 、分束镜反射后的光线构成的平面应与平台平面平行。具体作法是，在一磁座上插入带有十字刻线的白屏（也可利用扩束镜的通光小孔） ，首先调节激光器的俯仰，使十字屏在平台上移动到不同位置
16、时，细激光束始终照在十字中心，说明激光器出射的细光束与平台平行（这一步实验室已经调节好） 。然后，按图布置各元件（先不要放置扩束镜，且各元件合理分布在平台的较大范围，不要挤在一块。分束镜反射的光作为参考光，其透射光（transmission light）作物光） 。调节分束镜、反射镜的高低、俯仰，使它们反射的细激光束均照在白屏的十字中心，这样，细激光束构成的平面与全息平台平行。调节物体的高低，使细激光束照在物的中心。（2）参考光与物光中心线的夹角 约为 20 30 左右。物离干板在 1020cm 为宜，太远则物光太弱。M 1反射的细激光束尽量照在物的正面，且尽量使干板平面正对物的正面（如同一般
17、照相时，灯光从人的正前方照射，照相机也在人的正面拍摄一样） 。（3）为了保证物光和参考光相干，用分束镜将一束光分为两部分，它们经过不同的路径在干板平面相遇干涉，但必须保证物光光程与参考光光程相等。物光与参考光的起点是分束镜，终点是干板平面。实验中用线绳测量判断两光光程是否相等。（4）细激光束直射在物中心和白屏中心，最后加入扩束镜，L 1扩束的光把物均匀照亮，L 2扩束的光把白屏均匀照亮。然后去掉白屏，眼睛处于干板位置的后方观察，微微转动物（不可移动，否则改变光程）使看到的物形象最好，且反射的光最强。物 O 干板 P分束镜 S扩束镜 L2 扩束镜 L1全反镜 M2全反镜 M1电磁快门Laser图
18、 7-4 全息照相光路41（5）物光与参考光光强之比满足要求。具体做法是，关掉照明灯和电磁快门，在干板架上插好光电池，打开灵敏电流计，调节零点；再打开电磁快门，挡住物光测量参考光照射时灵敏电流计偏转的格数；然后挡住参考光测量物光照射时灵敏电流计偏转的格数，格数之比即为光强之比。如果不满足要求，可以调节 L1到物或 L2到干板的距离，再次测量。 （注意：测量时不要碰任何元件，防止光路变化；测量完毕，把电流计旋置短路。 ）注意：光路调节中严禁用手触摸所有的光学元件表面，也不允许用擦镜纸、干棉花、手帕擦拭。发现有污垢或灰尘，请教师处理。本实验所用分束镜透过率为 70%左右，故选用透过光作为物光源，针
19、对实际情况，可先调节物光。在调节激光器、分束镜、反射镜的高低、俯仰，使它们出射、反射的细激光束均照在白屏的十字中心的基础上，按图 7-4 放置分束镜 S、全反镜 M1、被拍物及白屏。调节 M1 反射角度以及物的高低，使反射的点光束射在物体中部，旋转放置物体的底座或白屏的角度，使白屏接收到的被物体反射的光斑最强且在白屏中部，然后在 M1 及物体之间加入扩束镜 L1，以将 M1 反射的点光束扩束并正好照亮整个物体，此时沿着被物体反射的光线方向在白屏中应看到清晰的物体轮廓像，至此物光调节完毕。然后按照物光、参光等光程、夹角合适的要求，调整分束镜 S 的反射角度以及全反镜 M2 的位置与反射角度，使参
20、光入射到白屏中部，再加扩束镜 L2 将点光束扩束合适。3干板曝光一切准备工作就绪后，关掉电磁快门，在全暗或极暗绿灯下放置干板，乳胶面朝着物体（用干净的手指拿着干板的棱边，用手指在干板一角的两面轻轻一摸，粗糙者即为乳胶面） 。曝光时间与光强大小、显影温度有关，视具体情况而定。注意：一切准备就绪后，稳定几秒钟再打开电磁快门曝光；在曝光过程中严防震动，身体不要接触平台，不能说话和来回走动。4干板的冲洗曝光后的干板在暗室冲洗，按显影水洗定影水洗晾干的程序处理。显影时间由实验室提供，显影过程中可在暗绿光下观察，防止显影不足和过度。显影时须注意：干板不能长时间置于绿灯下，以防干板二次曝光，影响衍射光的透过
21、率（transmissivity） 。注意：显影时干板不能长时间置于绿灯下，以防干板二次曝光，影响衍射光的透过率；显影液和定影液不要搞混；干板的乳胶面朝上；不要用手摸乳胶面，防止脱落；水洗后自然凉干；保持暗室的卫生整洁。5全息图再现将凉干的全息图放回原位置，用原参考光照射，去掉物，在全息图的后方观察，即可看到位置、大小与原物一模一样的清晰逼真的三维立体像。（1）改变参考光到物的距离，可以使再现像放大缩小，此时，再现像的清晰程度有所改变。42（2）挡掉全息图的一部分，仍然可看到完整的物体像。（3）去掉扩束镜，用细激光束照射（增大再现光的强度） ，在全息图的另一边用白屏可以接收到共轭实像。【提高与
22、设计性内容】1白光再现全息图从全息学理论可知，只有用原参考光（位置、波长不变）再现时，才能得到与原物一模一样的清晰再现像。一旦参考光的波长改变（如用红色激光拍摄，用绿色激光再现） ，则再现像的位置、大小、清晰程度均要发生变化。所以，拍摄到的全息图用白光再现时，因白光包含紫到红七种颜色，则不同波长的光再现的像相互错开而模糊一片，只能看到彩虹状的光团，观察不到清晰的再现像。但理论研究表明，拍摄时物体离干板越近，各种波长再现像的错开量越小。当物体离干板足够近时，各种颜色的再现像几乎完全重合，人就能够看到白光再现的全息像。从图 7-4 可见，物离干板越近，物光则很难照射，所以，可用透镜把物成像在干板平
23、面附近。图 7-5 是另一种反射式像面全息图的记录光路。物（反射率较高的像章、纪念币等）几乎紧贴（约几毫米）干板乳胶面放置，扩束准直的激光束（也可用点光源）从干板背面垂直入射，由于干板是透明的，直射到乳胶的光是参考光，由物体表面反射回乳胶的光即为物光。这样拍摄的全息图，可用普通的观察方式看到白光再现的立体像。但需注意，此时所用的全息干板的乳胶层要厚。2在图 7-4 中，扩束镜 L1出射的光照在物上，物的表面产生漫反射，其每一点都可以认为是一个点光源，该点光源向干板的整个平面发射光，干板的每一点记录了物上各点的光信息。再现时只露出干板的一小部分，同样可以看到完整的物体像。也就是说，把干板打碎，小
24、碎片也能再现出完整的物体像。利用该特性，干板的很小区域可以记录一幅全息图，一块干板就能记录很多幅全息图，这就是全息的信息存储原理。如图 7-6 所示，参考光采用细光束，物体是一个木偶小人，在干板的前表面放置一个开一小孔的屏，拍照时，干板可以沿其平面移动，每移动一次，拍摄木偶的一个造型。再现时，移动干板就能看到动起来的木偶像。【分析与思考】1全息照相与普通照相有什么区别？2全息照相的实验技术要求是什么？附物p图 7-5 反射式像面全息图记录光路Laser参考光物p图 7-6 全息信息存储43反射全息术反射全息图（reflection hologram）之所以特别具有吸引力，是因为它光路非常简单，
25、容易制作，又能用白光（white light）再现，应用非常广泛。白光照明一般全息图时，由于不同波长的光衍射角度（angle of diffraction）不同，形成的像在空间的位置也不同，而且各不同颜色的像会互相部分重迭(错位)，使像模糊不清，这现象称“色模糊” 。如果全息图能具有很强的波长和角度（angle）的选择性，即满足布拉格条件（Bragg condition） ，就能从混合光（mixed light）中选择很窄的波带，从一定角度观察时，可以看到清晰的有色的像，因而可直接用白光再现。这就给应用带来很大的方便，反射全息就具备了这样的条件。如果拍摄时用三种基色(红、绿、兰)的互不相干的激
26、光器，并使激光束重迭，以相同角度拍摄同一物体，得到同一物体的三个反射全息图（可在同一底片上） ，当用白光再现时，由于不同颜色的像完全重迭在一起而产生了彩色物体的像。1光路分析设物光 O，参光 R 均为平面波（ plane wave） ，H 为记录介质 (干版)，则 O、R 与H 之间的相对位置有四种可能的关系，如图附 7-1 所示。图中(a)、(b)情况是 O、 R 在 H 的同侧，称透射全息。 (c)、(d)情况是 O、R 在H 的异侧，称反射全息。对透射全息，两束相干光所形成的条纹平行于两束光的夹角的分角线（如图中虚线所示） ，可见透射全息的干涉面（条纹）几乎垂直于乳胶面，而反射全息中，从
27、底片 H 正反两面进入的两束光在介质中形成驻波（standing wave） ，在干板乳胶面中形成平行于乳胶面的一层一层的干涉面。条纹的形成如图附 7-2 所示，设 O、R 与干板表面法线成 /2 角入射到厚乳胶面上，O 与 R波面相交形成等相面，波峰相交时产生干涉极大，曝光后经显影形成银粒密度较高的银层 d d/2/2 ROH图附 7-2HOR(a)HO R(b)HOR(d)O RH(c)图附 7-144（亮纹） ，类似镜面一样的小反射平面，称为布拉格面，相邻两布拉格面之间的距离为d，从图中几何关系可得(附 7-1)2sincosin上式称为布拉格条件(亮纹条件)，它反映了光波长及参光、物光
28、间夹角和乳胶中银层（布拉格面）间距的关系。现考虑再现像的像点位置与再现波长及像点离全息图距离之间的关系，以此来分析欲得到再现清晰像的条件。如图附 7-3 所示，设 A 为物点，AB 为一细的物光束，与全息介质交于 B 点，参光与 X 轴交于 P 点,参光与物光的夹角为 ，P 作为原点，定 PZ 轴，当物光垂直 H 时，由简单的几何关系及布拉格条件，可确定 H 中的条纹间距为(附 7-2)sind其中 为所用光源波长。再现时，波长 沿 PB 方向入射，则有 BC 方向的衍射光，并给出像点 A，其位置为cossicodZZtgx显然，当 及 有变化时，将引起像点横向位置 x 的偏离，偏离量 x 为
29、(附 7-3)tgds从(附 7-3)式可知，若 Z 很小，也就是说物很靠近底片，则即使 及 较大，仍可使x 保持在视觉容许的值以下，使再现像不致模糊不清，故物点靠近全息图时，一定波长宽度的非相干光再现的像点没有严重弥散，仍可观察，加之对波长差很大的各色光，按体全息的性质，仍有一定选择性，这些光严重违反布拉格条件而不能用于再现，故可用白光再现。 （即白光中大部分 很大的各色光均不满足布拉格条件，而不能再现，但总还有一部分 不太大的可以再现） 。类似的讨论表明可用宽广光源再现。2反射全息图的记录PCBHXXAAXZZR眼d图附 7-3OH图附 7-4 反射式像面全息图记录光路Laser45反射全
30、息的记录光路最简单，如图附 7-4 所示。 激光束经扩束准直后照在全息底片 H 上，形成参光 R，透过 H 的激光照明物体 O,再由物体反射到 H 形成物光O，O、R 在 H 的两侧，构成反射全息。由于银盐乳胶感光材料的透过率约为3050，因而要求物体的反射率要高，否则很难满足参光与物光的分束比要求。H 的乳胶面应对着物体，O、H 之间的距离通常在 1cm 以内，而且尽量使物面平行于H。从图附 7-4 可见，参光与物光的夹角 ，从(附 7-1)式得 d=/2，使用180HeNe 激光时 =6328 埃，则 d0.32m ，对全息型干板，乳胶层厚度为 615m，这样在乳胶层内就形成了 2050
31、层金属的银层，当然用更厚的乳胶层来增加布拉格面的数量，可进一步改善像的质量。如果参光和物光都是严格的平面波，这些银层就是理想的平行于底片的薄片，但因物光波前是很复杂的，实际上是形成具有复杂结构的三维立体光栅。若物体离干板较远，可采用如图附 7-5 所示的光路，利用透镜 L3 将物体成像在干扳附近，这种光路的好处是光束比可以调节，以适应不同物体的反射特性。按图附 7-4 或附 7-5 的光路，经曝光、显影、定影处理后便得到反射全息图。3再现当再现光照在底片上时，就在底片中的三维光栅上发生衍射，犹如 X 射线在晶体中的衍射一样，图附7-6 画出入射光在 I、两个银层面上的反射光（ 1） 、（2）
32、，这两束光的程差是sin2dBCA由于两个反射面上的反射光之间的光程差必须是dABC（1）（2）图附 7-6S BS MROHL1L2L3乳胶面S，激光器；BS，分束器；M，反射镜； L1、L 2，扩束镜；L3，成像透镜：H，全息干板； O，物体。图附 7-5 反射式像面全息图记录光路46波长的整数倍时，才能得到极大值，则(附 7-4)kdsin2式中 k 为整数。从公式（附 7-1）式知，在乳胶层内 d0.32m 是很小的，这样为满足(附 7-4)式，必有 k=1，即当具有不同波长的白光以一确定的入射角照明底片时，只有符合 =2dsin 的光才能有极大值，所以眼睛看到的反射光就是单色的。前面已说过，银层之间的距离 d=/20.32m 。约等于红光波长的一半，可以预期，当 =90 时，衍射光的波长应为 6328 埃，呈红色，但由于底片在晾干过程中乳胶收缩使 d 变小，故看到的往往是比红光波长短的绿光甚至兰光，若底片经防缩处理(经甲醇漂洗、丙醇浸泡)则可重现红色的像。正是这个特点，才能利用白光光源再现。再现时，乳胶面朝上(对着白光)，则看到再现实像；乳胶面朝下(背着光)，则看到虚像。
