实验二 全息照相

教学目的：了解全息照相的原理，学习拍摄静态全息照片的基本技术和再现观察的方法 教学重点：全息照相光路调试；全息干板的正确冲洗

19xx年，盖伯（D.Gabor）首先提出全息照相原理，当时缺乏相干性好的光源，因此研究进展缓慢。直到19xx年，第一台激光器诞生，为全息的照相研究提供了相干性强的光源，利思和乌帕特尼克斯终于在19xx年成功地拍摄三维全息图像，全息照相术获得了长足进展，开辟了科学技术上一个崭新的领域。

一、实验目的

（1）了解全息照相的基本原理。

（2）掌握拍摄静物全息照片的方法，了解再现全息物像的性质和方法。

二、实验原理

普通照相只记录了物体各点的光强信息（反映在振幅上），丢掉了位相信息，得到的是一个二维平面图，不具有立体感。全息照相是利用相干光叠加而发生干涉的原理，借助于参考光波与物光波的相互干涉，记录下二种光波在记录介质上的干涉条纹，被记录干涉条纹不仅反映了物光（从物体反射的光波）的振幅信息，同时还保存了物光的位相信息，在高倍显微镜下才能观察得到记录下的干涉条纹。记录干涉条纹的全息照片可视为个复杂的衍射光栅，当用原参考光再照射该光栅时，其衍射波能重现原来的物光波，在照片后原物的位置可观察到物的三维图像。

1、全息照相记录过程

如图1所示，参考光束在全息干板所在位置与物光束相遇，在干板所在平面内竖直向上建立x轴，垂直纸面向外建立y轴。

则物光波O和参考光波R在Oxy平面内振动分布情况分别可写作：

~O?x,y??O0?x,y?exp?i?o?x,y???exp?i?t? （1）

~R?x,y??R0?x,y?exp?i?R?x,y???exp?i?t? （2）

为了书写方便，振幅O0?x,y?和R0?x,y)?分别缩写成O0和R0，相位项?O?x,y?和?

R?x,y?

分别缩写成?O和?R，物光O与参考光R在全息干板平面上相遇（假设这两束光是相干的），根据叠加原理，干板上的总场为：

U?x,y??O?x,y??R?x,y???O0ex?pi?o??R0ex?pi?R??ex?pi?t? （3） 由于干板只能记录光强分布，即合振幅的平方（注：实际上光强是与振幅的平方值成正比，并不相等，为了讨论简便，可认为它们相等）：

~~~~~I?x,y??U?x,y??U*?x,y?

?O?R?O0R0ex?pi??o??R???O0R0ex?pi??R??o??2020?? （4）

式中O02 ，R02分别是物光波与参考光波各自独立照射底版时的光强度；第三、四项为物光与参考光之间的相干项。它把物光的位相信息转化成不同光强的干涉条纹记录在照相底版上。由此可见，干板上记录下来的干涉条纹光强分布包含了物光在干板上各点的振幅和位相，因为干板上某点的光强是到达该点的参考光波与到达该点的整个物光干涉的结果。物体上每点由不同方向照射到该点的物光对该点的合成光强都有贡献，换言之，全息照片底版上的任何一小区域都记录着所有物点的信息，这也正好能解释为什么参考光照射全息照片的任意小区域上都能看到整个物体的像。

2、全息图再现

曝光后的底版经过显影与定影后，得到透光率各处不同（由曝光时间及光强分布决定）的全息片，考虑振幅透射率T（=透射光的复振幅/入射光的复振幅）是曝光量的函数，选择合适的曝光及冲洗条件，可以使得T与曝光时的光强I之间为线性关系：

T?x,y??T0?kI

?T0?kO?R??2

020???kOR00exp?i??o??R???kO0R0exp?i??R??o?? （5）

式中T0为未曝光部分的透射率，k为比例系数，它们均为常量。

当用原参考光为再观光入射全息照片时，透射光波在干板处振动分布情况可表示成： ~~U??x,y??R?x,y?T?x,y?

22?T0?kO0?R0R0exp?i?R??kO0R0exp?i?O??kO0R0exp??i??o?2?R???exp?i?t?22??????

上式表明，透射光包含三部分：

22大括号里的第一项T0?kO0?R0R0exp?i?R?是按一定比例重建的参考光，沿原来方????

向传播，即光栅的零级衍射。

大括号里的第二项kO0R0exp?i?O?与物光振动方程O0exp?i?O?完全一样，只不过振2

幅乘了一个系数kR0，这便是按一定比例重建的物光波，相当于一级衍射波。迎着这一束衍射光就可以观察到与被拍摄的物体完全逼真的三维立体图像，从不同的角度去观察，能看到原被遮住的侧面。

大括号里的第三项kO0R0exp??i??o?2?R??与物光波的共轭波有关，对应着－1级衍22

射光是会聚光束，这一级衍射光束包含了被拍摄的相位信息，同时又含有参考光的相位信息，因此重现时物像信息中相位发生了畸变，实验时可用观察屏来观察重现物像。

三、光路图

根据全息照相原理，只要将物光和参考光光路设计得能够发生干涉，那么实验一般就会成功，因此说来光路不是唯一的。实验的具体装置如图14-2所示。光源S：保证其相干性，全息照相只能使用激光光源。常用的激光器是He-Ne激光器（波长为632.8nm，功率为3mW），

?2

?20cm，为保证物光和参考由于激光谱线有一定宽度???0.002nm，相干长度L???

光发生干涉，布置光路时必须使两条光束的光程差不大于相干长度，一般常使两者光程大致相等。

电磁阀门G分束镜S反射镜M1M1

T1扩束镜T1

体O反射镜M2扩束镜T2物体O

全息干板H

图2全息照相光路图

分束镜T：将光分成相干的两束，其中一束作为物光照射到被摄物体上，另一束作为参考光照射到底版上。

全反射镜M：能根据需要改变光束方向。

扩束镜L：能扩大激光束的光斑。

全息干板H：常采用分辨率为3000条/mm的天津1型全息底版。

四、实验内容

1、 全息记录

1.1选择合适的被摄物体（选择被拍物体反射性能较好，否则物光束的强度就会很弱），并作调节光路：各光学元件等高；物光和参考光的光程相等；使得全息干板支架处的物光与参考光的强度比为1：2～1：4；两光束入射到干板处的夹角在20°~30°，使物光尽可能多地投射到全息干板上。

1.2曝光拍摄

曝光量?确定曝光时间（天津Ⅰ型全息干板的最佳曝光量约为根据曝光时间t?总照度E

60勒克斯?秒）；在暗室里的暗绿灯下把全息干版夹在胶片夹上，感光药面朝着被摄物；等1～2min，待整个系统稳定后，打开光源进行曝光，曝光后取下干版，放回暗盒。

2、全息照片的冲洗

用专用镊子夹住干板的边角处，干板的感光乳剂面朝上放入显影液显影，不断摇晃显影盆，显影时间具体要看干板显影时的灰色程度，干板颜色太白显影不够充分，太黑将会导致重现无现象；用专用镊子夹住干板的边角处，从显影液中取出立即浸入水中漂洗一下。 然后，用专用镊子将干板浸入定影液中定影5min（感光乳剂面朝上），定影过程中不断摇晃定影盆；

最后，用镊子将干板从定影液中取出，药物面朝上浸入水中漂洗1～2min，取出后晾干。

3、物像再现与观察

把制作好的全息片放回原来位置（药面仍对着光），遮住物光束，只让参考光照明底片，在全息片后面原物所在的方位可以观察到物的虚像（多角度观察，记录观察到的现象），并挪去参考光束中的扩束镜，在共轭位置用白屏来观察实像。

注意事项：

? 实验过程中不能用眼睛直视激光束，否则将会造成眼睛永久损伤，甚至致盲。 ? 物光、参考光的强度和总强度都是在干板支架处测量。

? 干板曝光过程一定要注意保持安静和阴暗的实验环境，不允许说话和走动，当室外

有较大噪声时，应等一段时间后再曝光。

实验过程记录以下数据：

物光光强： 参考光光强： 总光强： 曝光时间：

用简洁的语言准确描述所观察到两个像的特征，与普通底片做一比较。

五、思考题

（1）全息照相与普通照相有什么本质区别？（全息照相的底片记录的是物光和参考光的干涉条纹，干涉条纹包含了物光的振幅和相位信息，而普通照相的底片记录物经透镜所成像的光强信息，而丢失了相位信息；普通照相的底片是二维平面图像，而用原参考光束照射全息照相的底片，沿着原来放物的方向观察的是逼真的三维立体图像，且底片的不同区域可以再现物的不同侧面。）

（2）全息干板上是以什么形式记录了物光的振幅和相位信息的？可以用什么原理简要解释全息像的再现？（提示：全息干板以干涉条纹形式记录物光的振幅和相位信息，重现过程可用惠更斯—菲涅尔衍射原理说明全息像的再现。）

（3）为什么调节光路要尽可能使物光和参考光之间的光程差为零？（提示：激光不是严格

?2

的单色光，具有一定波长宽度??，因此其最大相干长度L?，只有当物光与参考光之??

间的光程差?比相干长度L小（??L）时，并且满足相干条件时，这两束相遇时才能发生干涉。因此调节光路时必须使得参考光与物光的光程差尽可能等于零。）

（4）为什么要把?值取小一些，但也不能太小？（提示：夹角太大，将会导致记录的干涉条纹比较密集，这样抗干扰就差，环境中任何一个小震动都可能导致失败；夹角太小，不利于重现像与零级光束分离）

（5）为什么全息底片不小心打碎后，每一碎片都能再现整个物体的像？（提示：全息底片每个小区域都记录物光的全部信息，因此每一块碎片就能再现整个物体的像，只不过像的亮度和清晰度要稍差些）

附:

如上图所示，平行光束1和2在某一平面相遇发生干涉，选取某处相长干涉作为x轴的坐标原点O，两束光各自的光程分别为r1和r2，则坐标原点处光程差要满足： ?o?r1?r2?k'?

r1?PN?r1?xsin?

r2?PM?r2?xsin?

因此光程差为： （k'取某一整数）现在我们来考察场点P的光程差，平行光束1和2到达点P的光程分别为：

?x??r1?xsin????r2?xsin??

??r1?r2??x?sin??sin??

?k'??x?sin??sin??

当光程差满足?x?k?k为整数时，即 ??

x?sin??sin???j?

?x??/?sin??sin??

?j?k?k'为整数? 干涉时形成亮条纹，由上式容易求得相邻亮条纹之间的间隔：

当对称入射时，即?????，因此相邻条纹之间的间隔为：

?x??

2sin?

当两者之间的夹角越小，条纹间隔就越小。

第二篇：全息照相实验报告(完全版)

实验5.5 全息照相

实验分析：

在这次光学实验中，拍出来的全息照片图像模糊，而且曝光范围小，基本算失败，对此我觉得我们必然在某处有错误，或者是由于实验仪器造成，因此我展开分析，实验失败原因可能有：

1.在曝光过程中有振动或位移，由于全息图上所记录的是参考光和物光的干涉条纹, 而这些条纹非常细, 在曝光过程中, 极小的振动和位移都会引起干涉条纹的模糊不清, 甚至使干涉条纹完全不能记录下来。

2.没有更好的调整好参考光和物光的光程差。参考光和物光的光程差不能太大也不能太小, 不能大于所用激光的相干长度, 否则两者不能相干, 无法在全息干板上获得干涉条纹。

3.没有更好的调整好参考光和物光的夹角。假设全息干板上干涉条纹的间距为d, 光源波长为λ。根据干涉原理, d 与参考光和物光之间的夹角θ关系为, 而干板分辨率η 与d 的关系为。可以看出, θ愈大, 所记录的干涉条纹就越细, 对干板的分辨率要求越高,故夹角θ不能太大。而夹角θ对全息图再现像时的观察窗(视角) 有影响, 夹角大, 可在较大范围内从不同角度观察物象, 反之, 观察窗则小, 因此夹角θ也不能太小。

4.光路中使用过多反光镜导致光强过小，从而影响干涉效果。

5.曝光时间没有控制得很好，曝光时间太长, 导致干板太黑, 光线的透过率降低。

6.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。

7.在显影定影时，冲洗时间不够，导致成像范围过小，成像不清晰。

实验结论：

实验中获得清晰的再现像的关键是要选用具有良好的相干性和稳定性的激光作为光源。光路的调整更是至关重要的。一个好的光路，既要使物光和参考光能够发生干涉，还要保证干涉条纹间隔清晰，反差合适。所以要首先调整好物光和参考光的光程，以保证干涉能够发生，然后再调整物光与参考光束之间的夹角及物光和参考光的光强比，保证全息照片的清晰度和反差。另外，在曝光时系统要稳定。