1、全 息 照 相,前 言,全息照相，就是利用干涉方法将自物体发出光的振幅和位相信息同时完全地记录在感光材料上，所得的光干涉图样在经光化学处理后就成为全息图，当按照所需要的光照明此全息图，能使原先记录的物体光波的波前重现。这是六十年代发展起来的一种新的照相技术，是激光的一种重要的应用。,实验目的,1、学习和掌握全息照相的基本原理；2、掌握全息照相的实验技术；3、了解全息图的基本性质、观察并总结全息照相的特点。,实验原理,普通照相是把从物体表面上各点发出的光（反射光或散射光）的强弱变化经照相物镜成像，并记录在感光底片上，这只记录了物光波的光强（振幅）信息，而失去了描述光波的另一个重要因素位相信息，于
2、是在照相底片上能显示的只是物体的二维平面像。 全息照相则不仅可以把物光波的强度分布信息记录在感光底片上，而且可以把物波光的位相分布信息记录下来，即把物体的全部光学信息完全地记录下来，然后通过一定方法重现原始物光波既再现三维物体的原像。这就是全息照相的基本原则，由三维物体所构成的全息图能够再现三维物体的原像。,全息照相的基本原理是利用相干性好的参考光束R和物光束O的干涉和衍射，将物光波的振幅和位相信息以干涉条纹的形式记录在感光底片上。在底片上所记录的干涉图样的微观细节与发自物体上各点的光束对应，不同的物光束（物体）将产生不同的干涉图样。因此全息图上只有密密麻麻的干涉条纹，相当于一块复杂的光栅，当
3、用与记录时的参考光完全相同的光以同样的角度照射全息图时，就能在这“光栅”的衍射光波中得到原来的物光波，通过全息图片就能看见一个逼真的虚像在原来放置物体的地方（尽管原物体已不存在），这就是全息图的物光波前再现。,全息照相分两步，第一步是波前记录（如图12-1所示）。设H（x, y）平面为全息干板记录平面，底片上一点（x, y）处物光束O和参考光束R的复振幅分布分别为Oo(x, y)和Ro(x, y)： 图12-1 全息图记录,由于它们系相干光束，所以物光和参考光在底片上相干迭加后的光强分布为： (12-2) 若全息干板的曝光和冲洗都控制在振幅透过率t随曝光量EE=（光强）（曝光时间）变化曲线的线
4、性部分，则全息干板的透射系数t(x,y)与光强I(x,y)呈线性关系，即 t(x,y)=to+I(x,y) (12-3) 其中to为底片的灰雾度，为比例常数，对于负片0，这就是全息图的记录过程。,第二步波前再现。若用光波P照明全图，在全息图（x, y）点处该光波的复振幅为Po(x, y)，于是该光波用下式表示： (12-4) 图12-2 全息图虚像和实像 的观察,则透过全息图的光波在x-y平面上的复振幅分布为： (12-5) 这式中第一、二项代表的是强度衰减了的照明光P的直接透射光，亦称零级衍射光。第三项中，当取照明光和参考光相同时，即P(x, y)=R(x, y)，则再现光波为： (12-6
5、),RO2 (x, y)=实常数。因此这一项正比于O (x, y)，即除振幅大小改变外，具有原始物光波的一切特性，波前发射形成物体（在原来位置上）的虚像（如图12-2所示），如用眼睛接收到这样的光波，就会看到原来的“物”原始像，通常把原始像的衍射光波称为+1级衍射波。 当照明光与参考光的共轭相同时，即P (x, y)=R* (x, y)，第四项有与原始物共轭的位相， (12-7) 这意味着这一项代表一个实像，它不在原来的方向上而是有偏移，称之为“共轭实像”（如图12-2所示）。通常把形成其共轭像的光波称为 -1级衍射波。,全息照相的基本条件是： 一、参考光束和物光束必须是相干光(因此需用激光来
6、作为照相光源，且一般使物光程与参考光程相当)。 二、记录介质（底片的感光乳胶）要有足够的分辨率和对所使用的激光波长有足够的感光灵敏度。如果全息底片对于物光和参考光的照射方向是对称放置，则干涉条纹的间距公式为： （12-8） 式中为物光和参考光之间的夹角，可见夹角越大，干涉条纹的间距越小，条纹越密，这就要求底片具有较高的分辨率(通常全息记录介质的分辨率1000cy/mm)。,三、光学系统必须有足够的机械稳定性，由于全息底片上记录的是精细的干涉条纹，在记录过程中若受到某种干扰（如地面的震动，光学零件支架的自振和变形，以及空气的紊流等）则将引起干涉条纹的混乱和迭加，导致衍射像亮度下降，甚至完全看不到
7、像。因此，在曝光时间内干涉条纹的移动不得超过条纹间距的1/4。,实验装置,1、实验光路图12-3 Fresnel全息图拍摄实验光路注意到拍好全息图的基本条件，要使物光程近似等于参考光程，所拍摄的物体应有均匀的激光照明，且有较高的漫反射率，在全息干板处物光强与 图12-3 Fresnel全息图拍摄实验光路参考光强之比可控制在1:31:5。,2、光路元件（1）LaserH-N氦氖激光器；（2）K光快门；（3）BS光束分束器（4）M1,M2反射镜组；（5）C1,C2光束扩束镜组；（6）O物体；（7）H全息干板。附有防振平台、三维可调镜座、卷尺、冲洗系统、底片架。,实验步骤,1、布置好光路（参考图12
8、-3），调整光束等高，光程基本相等，并使得物光束和参考光束的夹角小于50（一般可在2050之间选择，角度稍大些为好，这样再现时+1级衍射光和0级光以及-1级衍射光可以分得开些，便于观察虚像），并且使物光和参考光的光强之比在1 ：2 1 ：9之间，通常根据物体表面漫反射的情况来定，一般选择1 ：4左右为宜。 2、将全息干板放置在底片架上，乳胶面应朝向被拍摄物体，待整个系统稳定（即在所有元件就绪后，一般需要35分钟的“静台”）后再进行曝光，曝光时间由物光的强弱而定。,3、将曝光后的全息干板在暗室内进行常规的显影、定影、水洗、干燥等处理，即可得到一张漫反射的三维全息图。 4、全息图的重现。将拍摄好的全息图放回原先的底片架上，用光束照明全息图（其乳胶面仍须朝向原物体），通过全息图就可看到一个虚像，像即呈现在原物所在的位置上，就如通过一扇窗来观察外面的物体，不论从窗（全息图）的那个角落往外看都能看到整个物体，随着观察位置的改变，再现像的透视面也随着变化，景物上远近物体的视差是明显的。,再 见,
