实验32 激光全息照相
【实验目的】
1、 学习全息照相的基本原理和方法。
2、 了解全息照相的主要特点。
3、 学习观察全息照片的方法。
【实验装置】
全息照相的整套装置（PHYWE），如图1所示：
【全息照相的特点】
全息照相与普通照相无论在原理上还是方法上都有本质上的差别。普通照相是以几何光学的折射定律为基础，利用透镜把物体成像在平面上，记录各点的光强或振幅分布，物象之间各点一一对应，但却是二维平面像上的点与三维物体各点之间的对应，因此并不完全逼真，即使一般所谓的“立体照相”也多是利用双目视差的错觉，而不是物体的真正三维图象。而全息照相是以光的干涉、衍射等物理光学的规律为基础，借助于参考光波记录物光波的振幅与位相的全部信息，在记录介质（如感光干版）上得到的不是物体的像，而只有在高倍显微镜下才能观察得到的细密干涉条纹，称之为全息图。（在感光版上看见的同心环，斑纹之类不是原来物体的真正信号，而是由给出参考光的发射镜上的灰尘微粒及其它散射物引起的。）条纹的明暗程度和图样反映了物光波的振幅与位相分布，好象是一个复杂的衍射光栅，只有经过适当的再照明才能重建原来的物光波。
与普通照片相比，全息照片还具有如下几个特点：
1）全息照片在适当的照明下重建物光波与原来的物光波具有相同的深度和视差。改变观察的位置，就可以看到景物被遮拦的物体，观察近距离的物体，眼睛必须重新调焦。
2）把全息照片分成小块，其中每一小块都可以再现整个图象。因为照片上每一点都受到参考光和被摄物体所有部分的光的作用，所以这些点就用编码的形式包含了整个图象的信息。但是当小块逐渐减小时，分辨率逐渐变差。这是因为分辨率是成像系统孔径的函数。
3）全息照片可以用接触法复制，但无正负片之分，不论是原来的还是复制的都再现被摄物体的正像。而且无论照明乳剂的反差特性如何，再现影象的反差同原物体的反差都非常接近。
4）全息照片绕垂直轴线转，引起一个倒转的像，让全息照片绕一水平轴线旋转，也产生一个倒转的像，但让全息照片绕一个垂直与全息图平面的轴线转，则不引起像的倒转。
5）最后一个特点是在同一张底片上用连续曝光方法可以重叠几个影象，而每一张影象又不受其它影象的干扰而单独显现。
【实验原理】
全息照相是一种采用相干光源的两步成像过程。第一步是在记录介质上记录由参考光和物光形成的复杂的干涉图样——全息图，第二步是在适当的照明下从全息图再现出物体通常的图像，所以全息照相的基本理论，实质上是一种较为广义的双光束干涉场的计算。
由激光束发出的相干光经分束器之后，一束照明物体成为景物光，另一束为参考光。两光束成一定的夹角入射到记录介质上，相互干涉而记录下全息图。由于记录介质只能记录振幅，可见物波的位相也是利用干涉的原理转换成相应的振幅关系加以记录的。
1、全息照相记录的信号：
如图2，
为物点所在的物平面，
为记录介质所在的像平面，
为物点，
在任意平面
上，R点源与平面
的距离为
。
为记录介质平面上任一点。若物光波与参考光是相干的，则记录介质上的光强分布为
（1）
其中，
为物点源到达全息图平面的光波的复振幅，
为全息图上参考波的复振幅。
由于做全息照相时，总是尽量使参考光和物光波独立在记录介质上的照度均匀，所以在全息图上
和
变化比较缓慢。所以这里主要注意相干项
（2）
其中：
（3）
（4）
（5）
为光波从
进行到
和由
进行到的光程差。由图可见，当点和点满足傍轴条件时，
可以由
一级近似求得
（6）
（7）
可见干涉项产生的明显以（
）为变量按余弦变化的干涉条纹并被记录介质记录下来。由于这些干涉条纹在记录介质上各点的强度决定于物光波（记忆参考光波）在各点的振幅和相位，因此记录介质上就保留了物光波的振幅和位相的信息。
2、波前重建：
常用于记录全息图的介质是照相干版或胶片，假设记录全息图的干版经过曝光、冲洗以后，把曝光时的入射光强线形变换为显影振幅的透射率，并假定曝光量的变化范围限于该种干版的
曲线的线形区内，则干版的透射率为
（8）
为未曝光部分的透射率，
为比例系数。对同一干版，和都可认为是常数。
，
分别为入射到干版的物光强和参考光强，他们在全息图面上接近均匀。因此对于点源的全息图，只有透过率与
成正比的空间变化干涉项，在照明后能产生衍射。
假设在全息图形成后和再现前有可能把它放大或缩小，为此把全息图平面坐标再标记为
，式中
为线放大率。假设再现波长
不必和形成波长
相同，他们的比值由
给出。再现波或照明波由一点光源
发出，如图3所示。则全息图平面的衍射波振幅C与上述透射率的乘积为
（9）
其中
（10）
（11）
（12）
为使全息图能产生点源物体P的像，全息图上的再现波的位相
和
必须和球面波相当，在全息图上球面波相位分布的一级近似值可按式（6）写成
（13）
其中
为全息图到相平面的距离，
和
代表相平面上像点P的坐标。
一般来说，全息图的再现波所成的物象比较复杂，像的位置、大小和虚、实会发生变化，而且还可能存在畸变等现象。但若再现波与原参考波完全一样时，式（9）变为
（14）
如果用参考波
和共轭光波
照射全息片，此时透过全息片的光波干涉项可写成
（15）
式中等号右边第二项与原来光波的共轭光波成正比，此项所代表的衍射光束在原来物体所在的位置形成一个无畸变的实像。
利用公式（8）分析透过全息片的衍射光束时，实际上是把全息片当作二维的衍射光栅来处理，再照光经衍射后，除了直接透过的零级激光束外，同时存在正、负一级衍射光束。由于感光板上的乳胶有一定的厚度，而且是透明的，故其内部也存在物光波与参考光波的相互干涉，干涉条纹也被记录下来，经过处理后得到的三维全息图，相当于三维衍射光栅。三维光栅的衍射受到布拉格条件的限制，只有物光束和参考光束的夹角较大时，（如接近180°时）和X射线在晶格中的衍射一样。三维光栅对光的衍射也具有波长的选择性，因此可以用单色相干光制作全息片，用普通的白光照射它实现波前重建。这一重建过程是三维衍射的结果，从效果上看，好像是从全息片的反射光束中得到的，因此称为反射全息，又因为波前重建利用了白光，所以又称为白光重现全息照相。
反射式全息片的制作法是让物光束与参考光束从照相底版的两面分别进入乳胶层，两束光的干涉极大值在显影后形成基本上平行于底版的银层。以两束平面波的相互干涉来估计这些银层之间的间距。
如果以a和
分别代表参考光束和物光束的传播方向。他们的夹角为
并假设都是平面波。显然，两组波阵面的夹角也是，每一组波阵面中相邻两波阵面之间的距离为
，干涉极大所在的平面的间隔为d，这些平面是物光束与参考光束的分角面，
（16）
用上式计算d的大小时，
和应取乳胶介质中的数值。由式（16）可得
图4 激光反射式全息照相
（17）
实际上参考光和物光都不是平面波，特别是物光波具有复杂的波前，因此干涉极大并非是和底版平行的理想平面，得到的全息图是复杂的三维光栅。用再照光照射这个全息片时，入射光受三维光栅衍射时所遵从的规律与X光在晶格中衍射的规律相同，它们都遵从布拉格公式。此时三维光栅的衍射等效于各银层反射光束的相干叠加，只有入射光线与银层的夹角和波长满足式（16）表示的布拉格公式时才存在干涉极大（此时公式中的d为银层间距），而且相对于银层而言，干涉极大的方向正好是入射光经银层反射后的反射方向，这时干涉极大方向正好是制作全息片时物光束的方向，因此在反射方向上得到的正是重建的物光束，对此方向可看到原物的三维虚像。
用白光再现时，根据式（16），白光中只有波长和制作全息片时所用光波波长相同的成分衍射后才能出现干涉极大，但乳胶经显影、定影和晾干后往往发生收缩，使银层间距减小，因此能出现干涉极大的波长比制作时光波的波长要小。如果参考光束和物光束从感光干版的同一侧入射，而且相对于乳胶表面而言，它们的入射角都不大的话，根据上述分析，干涉极大形成银层间距将比较大，而且接近于乳胶表面垂直。这时形成的全息图可近似看作乳胶面上的二维干涉条纹。
【全息照相拍摄条件】
1.对稳定性的要求
全息片所记录的是参考光束和物光束之间的干涉条纹，这些干涉条纹十分细密，拍摄全息照片时，极小的扰动都会使得干涉模糊，甚至使干涉条纹完全不能记录下来。简单的理论推导及实验证明，景物在曝光时间内移动
就足以使干涉条纹模糊不清。所以，为了成功地记录干涉条纹，曝光期间，原件的相对位移应小于条纹间距的几分之一。此外，空气、声波和温度的变化也会引起原件的震动，或者使空气的流动密度不均匀而导致光程变化，因此，曝光期间应避免大声喧哗、敲门、吹风等，更不能碰到防震台。缩短曝光时间也有利于减少外界震动的影响。
2.对光源相干性的要求
实验用的是
的He-Ne激光器，激光的单色性虽然很好，但普线仍然有一定的宽度
，相应的相干长度
。考虑到最坏的情况，例如多普勒展宽
时，
。为了保证物光束与参考光束相干，应是参考光路与物光路的光程接近相等。而被摄景物的景深也应该在相干长度以内。
【实验内容】
制作漫反射物体的全息片的典型光路如图5所示。He-Ne激光器发出的激光由分束镜分为两束，两束光强的比例，要视被摄物的漫反射能力以及参、物两光束在底片上的比例来决定。参考光束和物光束都经过扩束镜扩束，移动扩束镜的位置（或改变扩束镜的倍率），放大或缩小光斑，在一定面积上的光强就会增大或减小。在底片位置处参考光束强度和物光束强度的比值可用光电池配以检流计在底片架上进行测量。
开始实验前，激光器要预热大约一个小时，以免发生波长振动。由于激光经过分束器后形成参考光和景物光，它们沿不同的路径到达记录介质相互干涉从而产生全息图像，实验是必须确保机械的稳定性。
记录三维漫反射物体的全息片，观察再现的三维物像。具体步骤如下：
1、 调节激光器使激光束距离底板13cm，按图5安排好光路（注意各个器件的坐标位置），选择适当的曝光时间进行拍摄。注意在整个曝光时间内尽量避免走动及大声说话。
2、 拍摄完毕以后，全息照片要经过显影、停影、定影、水漂及晾干等四个步骤以后才能再现，整个操作过程均应在暗绿灯下进行，但要认真保持清洁。
图5 实验光路图
【实验过程与记录】
【第一周实验】
实验步骤：
1、 开始实验前，激光器预热约1小时。
2、 根据实验要求摆好光路如图6所示。为扩大光束照射范围，实验采用了两个反光镜在增加光成以扩大照射范围。
3、 预热好后，关闭激光器，在暗环境下，放置好被测硬币与干版。
4、 打开激光器，让干版曝光45S后，关闭激光器。
5、 暗环境下，将底片置于30
左右的清水中20S，再置于异丙醇中180S，作显影及定影。
6、 用吹风机将底片吹干。
7、 观察实验结果。
图6 第一周实验光路实物图 图7 第一周实验光路原理图
实验结果分析
拍出来的全息照片图像模糊，而且曝光范围小，基本算失败。
分析实验失败原因有：
1． 在设置光路扩束时，没有很好地把激光源发出的光扩束为平行光，导致相干效果下降，图像不清晰。
2． 光路中使用过多反光镜导致光强过小，从而影响干涉效果。
3． 曝光时间没有控制得很好，估计是曝光过短，导致成像不清晰。
4． 在用清水清洗干版时水温没有严格控制在30-32，影响实验结果。
5． 使用异丙醇显影定影时，冲洗时间不够，导致成像范围过小，成像不清晰。
【第二周实验】
漫反射式全息片的制作法是让物光束和参考光束分别从照相底板的两面进入乳胶层，如图9所示，激光器发出的光经反射镜打在乳胶层上作为参考光，透过分光镜的部分光，经硬币反射后与参考光在乳胶层处干涉，干涉条纹被记录下来。
实验步骤：
1、 开始实验前，激光器预热大约1小时。
2、 
摆好光路如图9所示，为避免参考光太强，激光束要经过一次反光镜后才打到干板上。
3、 余下重复方法一的3-7步骤
图7 方法二光路图
图8第二周实验光路实物图 图9第二周实验光路原理图
【实验结果分析】
经过第一周的实验总结，吸取第一周实验的教训，再三设计好光路，严格控制曝光时间和水温，持续用异丙醇冲洗直至有较明显成像才用风筒吹干。成像结果虽可见，但不那么让人满意，像模糊。分析其原因有:
1. 参考光比物光强，导致成像不清晰。
2. 参考光与物光夹角过大，导致干涉成像范围不集中。
3. 水洗时间过短。
4. 显影定影时冲洗力度过猛。
【思考题】
1.与普通照相比较，全息照相有哪些特点？
答：全息照相与普通照相相比较，特点有：
1）全息照相是以光的干涉、衍射等物理光学的规律为基础，借助于参考光波记录物光波的振幅与位相的全部信息，在记录介质（如感光干版）上得到的不是物体的像，而只有在高倍显微镜下才能观察得到的细密干涉条纹，称之为全息图。条纹的明暗程度和图样反映了物光波的振幅与位相分布，好象是一个复杂的衍射光栅，只有经过适当的再照明才能重建原来的物光波。
2）全息照片在适当的照明下重建物光波与原来的物光波具有相同的深度和视差。改变观察的位置，就可以看到景物被遮拦的物体，观察近距离的物体，眼睛必须重新调焦。
3）把全息照片分成小块，其中每一小块都可以再现整个图象。因为照片上每一点都受到参考光和被摄物体所有部分的光的作用，所以这些点就用编码的形式包含了整个图象的信息。但是当小块逐渐减小时，分辨率逐渐变差。这是因为分辨率是成像系统孔径的函数。
4）全息照片可以用接触法复制，但无正负片之分，不论是原来的还是复制的都再现被摄物体的正像。而且无论照明乳剂的反差特性如何，再现影象的反差同原物体的反差都非常接近。
5）全息照片绕垂直轴线转，引起一个倒转的像，让全息照片绕一水平轴线旋转，也产生一个倒转的像，但让全息照片绕一个垂直与全息图平面的轴线转，则不引起像的倒转。
6）最后一个特点是在同一张底片上用连续曝光方法可以重叠几个影象，而每一张影象又不受其它影象的干扰而单独显现。
2.全息照相是如何把光波的相位记录下来的？
答：全息照相是一种采用相干光源的两步成像过程。第一步是在记录介质上记录由参考光和物光形成的复杂的干涉图样——全息图，第二步是在适当的照明下从全息图再现出物体通常的图像。由于记录介质只能记录振幅，可见物波的位相也是利用干涉的原理转换成相应的振幅关系加以记录的。而干涉条纹在记录介质上各点的强度决定于物光波（记忆参考光波）在各点的振幅和相位，因此记录介质上就保留了物光波的振幅和位相的信息。
3.观察到再现像后，将全息片旋转或倒置，透过全息照片能否观察到原再现图象？
答：若旋转全息照片，无论是垂直旋转还是水平旋转，都会产生倒转的像；若倒置全息照片，则不引起像的倒转，能观察到原图像。