全息衍射光电效果图

实验36　激光全息照相

1948年英国科学家丹尼斯·盖伯在研究提高电子显微镜的分辨率、克服电子透镜的像差时，提出了一种新的两步无透镜成像法：“用相干光源，采用纪录与再现两步方法”，这为全息技术奠定了理论基础。1962年，美国科学家利思（Leith）和厄帕特尼克斯（Upathiecks）利用激光作为相干光源拍摄了第一张具有实用价值的全息照片。盖伯因为在全息理论上作出了贡献，于1971年获得了诺贝尔物理学奖。

目前全息技术的应用已涉及到各个领域：军事上模拟真实目标，进行驾驶训练；艺术上可以复制历史文物，制作全息首饰、全息肖像、全息风景；工业上制作防伪商标；科学上用于全息干涉计量、测量诊断技术等。因此掌握一定的全息理论和技术已是十分必要。

【实验目的】

（1）掌握漫反射物体全息照相原理；

（2）能熟练地拍摄漫反射物体的三维全息图；

（3）能熟练地再现全息图虚像，观察全息照相的特点。

【实验仪器】

全息平台，He-Ne激光器（7mW），全息光路元件一套，曝光定时器，Ⅰ型全息干板，暗室设备。

【实验原理】

1.全息照相概述

普通照相过程中，感光材料只记录光波的光强因子而失掉了光波的另一主要因子——相位因子，所以普通照相不能完全反映拍摄物的真实面貌，只能呈现一个平面像而失去了立体感。全息照相的关键是引入了一个相干的参考光波，与从物体表面漫反射的物光波在全息干板处发生干涉，把物光携带的全部信息——强度和相位“冻结”在全息干板上，用干涉条纹的形式记录下来。即利用干涉现象把每个物点的振幅和相位信息转换成强度的函数，在二维或三维介质中以干涉图样的形式记录下来，经过显影、定影等暗室处理，干涉图样就留在干板中，这就是三维全息照片。干涉图样的亮暗对比度反映了物光波振幅的大小（即强度因子）；条纹的形状、间隔等几何特征反映了物光波的相位分布。综上所述，全息照片与普通照片的区别有两点：a.普通照相只记录物光波的强度因子而失去了相位因子，全息照相记录物光波的全部信息；b.普通照相记录的是物光波通过透镜所成的像，全息照相以干涉条纹的形式直接记录物光波本身。

全息照片上只有密密麻麻的干涉条纹，相当于一块复杂的光栅。当用记录时的参考光以同样的角度照射全息照片时，就能在光栅的衍射光波中得到原来的物光，被“冻结”在全息照片上的物光波就能“复活”。通过全息片在原来放置物体的地方就能看见一个逼真的虚像，它和原物体一模一样，这就是全息图的波前再现。

2.全息照相的数学描述

1）全息照相的记录与再现光路

漫射物体全息照相拍摄（记录）光路如图5-36-1所示。分束镜BS将激光束分成两路，一路为参考光束r，经M₁反射，D₁扩束后照到全息干板H上；另一路为物光束o，经M₂反射，D₂扩束后照射到物体上，物体的散射光照射到全息干板H上，与参考光发生干涉，形成干涉条纹。分束镜BS的分束比一般为I₀/I_r＝95/5。

图5-36-1　漫射物体全息记录光路

全息干板经显影定影处理后，放回原光路，挡住物光，仅留下参考光r照射全息干板，则对准原物光方向就能看到原物的虚像。

2）数学描述

第一步：记录

式中A₀，A_r为光波振幅，φ₀、φ为光波初相位，两光波在全息干板上发生干涉，其合光波为

合光强为：

（5-36-4）式中各项的物理意义如下：第1项（x，y）为物光强分布，第2项（x，y）为参考光光强分布，第3项和第4项为交叉项，形成干涉图像——光栅，包含了物光波的振幅信息和相位信息。

第二步：再现

全息干板经显影定影处理后，即成为一张全息图，将其放回原位仅用参考光照明，若干板处于线性工作区，全息照片的透过率t与曝光量H成线性关系，如图5-36-2所示。

图5-36-2　干板的曝光特性

式中t₀为未曝光干板的振幅透过率，β和T分别为底片感光度和曝光时间，I为（5-36-4）式表示的合光强。原参考光再现时，经全息照片衍射后的透射光光波为：

从（5-36-6）式可以看出，透过全息底片的光波由四项组成：

第1项代表沿再现光传播方向上的透射光，其振幅是再现光的t₀＋倍。因此为零级衍射光。

第2项也代表沿再现光传播方向上的透射光。但由于A₀不是常数，使透射光略有扩散。但由于A₀远小于A_r，因此该项可以忽略不计。

第3项是沿原物光波的透射光，也就是原物光波的波前再现光。我们前面讲到，沿物光波方向观察时可以看到原物之像，就是这一束光的作用，这是一个虚像，从衍射角度看，这是＋1级衍射光。

第4项式中是物光波的共轭光波，它表示与原物光传播方向相反的光，在全息底片前观察时形成实像。而的作用是使共轭物光波偏离原方向2θ，θ为物光与参考光的夹角。因此第4项代表在偏离原物光方向2θ方向上的一个实像。

全息图观察方法见图5－36－3。（对应图5－36－1光路）原物虚像观察比较简单，已如前述，只要将处理后的干板放在原位，只用参考光照明，对着原物光方向观察即可看到原物虚像，如图5－36－3（a）所示。全息图实像观察方法如图5－36－3（b）。要用原参考光的共轭光波R^＊照射全息图。然后用一块毛玻璃在图中所画物体处移动即可接收到实像。

图5-36-3　全息图观察

【实验内容与步骤】

1.检查防震情况

按图5-36-4调整光路，使两光束夹角α尽可能小。移动透镜L、使在一米远处的白屏上两束光重合并产生清晰的干涉条纹。如能观察到干涉条纹则整个体系防震情况符合要求，可以做实验，否则应检查防震情况，直至看到干涉条纹为止。

图5-36-4　干涉条纹产生光路

2.调整光路

按图5-36-1要求：

（1）调整激光束等高，可以用小孔光阑检查并调节激光器。

（2）调节照射到全息干板上的参考光和物光光强之比，使得I_r︰I₀＝2︰1～10︰1之间均可，一般调节在3︰1～5︰1之间。被摄物不能离全息干板太远，一般不要超过10cm。

（3）调节光路中反射镜M₁或M₂位置，使物光与参考光束的光程尽可能相等，要求光程差小于1cm。

（4）用一白屏代替干板固定在干板夹上，使参考光束照在白屏中间，再插入扩束镜，扩束光束中心也照射在白屏中间。挡住参考光束，首先使物光束均匀照明所拍摄的物体，再使物光束散射光也照射在白屏中间。一定要使参考光与物体散射光在白屏上重合得很好。注意：以上4点是获得优质全息图的重要条件。

（5）插入曝光定时器的光开关，试一下光开关的情况是否正常，然后选择合适的曝光时间（根据我们实验室的条件，使用的曝光时间以十几秒为合适）。使光开关处于关闭的位置。

3.拍摄全息图

关闭实验室的照明灯，准备拍摄全息图！

（1）将干板固定在干板夹上（注意药面朝光束一方，感知药面的方法是用手指触摸干板的边缘，干涩的一面为药面，光滑的为玻璃面）。

（2）稳定工作台（静台）一分钟后，启动曝光定时器。

（3）将拍摄好的干板取下，用黑纸包裹好放到口袋里，送到暗室处理。

（4）按照暗室规定将底板显影、定影、漂白、水洗、干燥等各项处理。

4.再现

（1）将处理后的干板按原方位装在干板夹上（注意正反面）。

（2）移走原物，并挡住物光束。

（3）仅用参考光照射底板。按图5-36-1或图5-36-3迎着原物光束方向观察原物虚像，并作分析。

5.注意事项

（1）眼睛不能直接对着激光观察。观察光斑时应将激光束照射在白屏上进行观察。

（2）严禁用手触摸光学元件表面。

（3）养成良好习惯，身体不要靠在光学平台上。尤其在拍摄时应远离光学平台。

预习思考题

（1）全息照片与普通照片的区别是什么？

（2）拍摄全息照片的关键在哪里？

思　考　题

（1）根据再现时观察角度范围的限制，能否在一张全息干板上记录几个物体的全息图像？如能请说明如何做。

（2）用激光束将一组物体的正面侧面充分照明然后拍出这一组物体的三维全息图。在观察虚像时，如果前排物体挡住了后排物体的一部分，能否设法将被挡的部分看清？普通照片上若发现前排物体挡着后排物体，能有办法看清吗？二者比较一下。

（3）三维全息片打碎后，用其中一小块再现观察其虚像，下列哪种说法是正确的？

①只能观察原物的一部分。

②完全不能再现虚像。

③能再现完整的虚像，和没有打碎的全息片再现的虚像无差别。

④能再现虚像，但衍射效率降低。

⑤能再现虚像，但分辨率降低。