实验十一  全息照相

    英国科学家丹尼斯·伽柏(Dennis Gabor)在1948年提出了新的两步无透镜成像法—波前重现原理。伽柏通过实验发现，如果有一个合适的相干参考波和一个物体衍射波同时存在，此衍射波的振幅和位相的信息就能被完全记录下来。伽柏还证明了这样记录下来的全息图（hologram）通过相干光照射全息图可得到原来物体的像。由于受光源条件的限制，在激光出现以前，全息术的研究进展缓慢，在1960年激光器诞生之后，提供了理想的相干光源，全息术得到迅速发展。全息术在干涉计量、信息贮存、光学滤波等方面获得了广泛的应用，已成为一种有效的光信息贮存和显示技术。伽柏因此获得了1971年度的诺贝尔物理学奖。   

本实验通过拍摄三维物体的全息图并重现其立体图像，从中理解全息照相的原理及其特点，了解全息照相的拍摄过程和摄影暗室操作技术，为进一步学习和开拓应用这一新技术奠定初步的基础。  

  

【实验目的】   

    1．了解全息照相基本原理。

    2．熟悉全息照相的实验技术。

    3．观察和分析全息照相的成像特性。

    

【实验原理】

    1．什么叫全息照相？全息照相和一般照相的区别

我们知道普通照相是把来自物体的光波(简称物光)通过照相机镜头成像，在照相机底片平面上将物体发出或散射的光波的强度分布记录下来，我们称它为一步成像。见图1。因为底片上的感光物质只对光强度有响应，而光波的位相分布没有被记录下。因此普通照相所得到的是物体的二维平面图像，物体的三维特征消失了，它所记录的只是物体的光强分布，也即只记录物光的振幅，而没有把物光的全部信息(振幅和位相)记录下来。

    全息照相则完全不同，它不用照相机镜头或其他成像装置，而是利用干涉和衍射的原理来记录和再现物体的光波，因而是一种完全新型独特的照相技术。它用干涉的方法把被摄物体的光波的全部信息—— 振幅和 位相都记录下来，因而称为全息照相。在全息底片上丝毫看不出被摄物体的像，而只是一些互相重叠杂乱的干涉花样。当要观察被摄物体时，可利用衍射现象，把物体光波重新再现出来。由于再现的是原来物体光波，因而得到的是一个真实的、具有视差的、大景深的三维图像。综上所述，可知全息照相实际上是一种两步成像的照相技术，第一步记录下复杂的干涉图样，得到一幅全息图，称为记录过程。第二步照明全息图，再现出原始物体光波，得到与物体不可分辨的像，称为再现过程。

    2．物光的记录和再现

    图2是全息照相记录过程的原理图，感光片除受到来自物体的光束照明外(注意没有任何成像装置)，还受到另一光束(称为参考光)的照明。如果物光和参考光是高度相干的，则物光和参考光在底片上迭加干涉，其物光的振幅信息被转换成干涉条纹的明暗对比度，物光的位相信息被转换成干涉条纹的形状和疏密分布记录下来。这样一张记录了干涉花样的底片经处理后，就是一张全息片。

在图2中，设底片平面为XY平面，、分别表示参考光在XY平面上的振幅和位相分布，因此参考光在XY平面上的复振幅为：

同样设由物体发出的物光波在XY平面上的振幅和位相分布为：

参考光和物光在底片平面处相遇相干，合成复振幅为：

+

= + ]

合成光强为：

由上式可知，前两项分别是参考光和物光的强度，而第三项取决于它们的相对位相关系。由此可知物光波的振幅和位相二者信息均已被记录下来，而这实际上也就是二相干光波的干涉图样被记录下来了，这样的一张全息图实际上是一种较复杂的光栅结构。因为物体上任一发光点发出的物光在整个感光底片上各点都和参考光相遇发生干涉，因而在整个感光底片上各处都有该发光点的信息记录，所以一张全息图上每一点都包含了该物体的全部信息。

将曝光后的底片经过显影和定影等暗室技术处理后晾干就成为一张全息图。如果我们控制曝光量的变化范围在该底片的t-H曲线的线性区域内，而且参考光的强度|A|²在整个记录表面是均匀的，则显影后底片的振幅透过率为：

 其中t₀和βˊ为一常量，对于负片β为负值，对于正片β为正值。将I(x,y)代入上式得：

其中和为一常量，对于负片为负值，对于正片为正值。将代入上式得：     

当为均匀分布时，令则：

当用一束相干的光波照射全息图时，设照射光波复振幅为，则透过全息图的复振幅为：

如果再现光波与参考光相同，即，则

由可见：

在全息图后面出现了四个光波，其中一个∝，除了振幅大小有改变外，原来的物体光波再现出来了，在全息图后面迎着这个光波观察时，将可看到原物体的虚像，而且当人的眼睛换一个位置时，可以看到物体的侧面象，原来被挡住的地方也露出来了。普通的照片无论如何也不能看到物体原来被挡住的那一部分。式中第四项

即与物光的共轭光波有关，通常它形成一个实像。不过这个实像是原来物体的前面变成了后面，外边翻到了里边。实像和虚像分别是再现光束照射全息图时，透射光的一级衍射波形成的两个象。发散的＋1级衍射波在全息片的前面即原来物体的地方形成一虚像，会聚的－1级衍射波在全息片的后面形成一实像。和只和照射光与物光光强有关的光波，四个光波的出现是照射光经过全息图衍射的结果。

【实验装置】

光学平台，He-Ne激光器，电动快门及曝光定时器，反射镜及分束器，扩束镜，全息干版及底片架。上述器件均用磁性底座固定在光学平台上，所有的光学元件表面严禁手摸。

【实验内容】

1.       拍摄全息图

（1）先熟悉实验室设置情况，在不关灯情况下了解各实验设备的使用方法，布置实验

拍摄光路，使物光和参考光的光程基本相等。

（2）调整光路使物光和参考光的夹角不宜太大，否则会使干涉条纹间距过小，对感光底片分辨率的要求更高。目前国产全息干版分辨率已达3000条/mm左右，所以一般控制在45°即可满足拍摄要求，但也不宜太小，否则再现时和零级衍射波重叠，影响再现象的观测。

（3）关灯在暗室情况下测量在底片处物光和参考光的光强比，一般控制在1：3到1：8之间。

（4）将底片夹装上全息干版，注意药膜面必须朝着物光方向。

（5）最后检查一下光路、光程和光强比，待整个系统稳定几分钟后进行曝光，曝光时间由实验室根据具体情况给出。

（6）在暗室中对底片进行处理，即显影、停显、定影、水洗后晾干。注意在操作中不要损伤药膜面。

2.全息图的重现

（1）将全息图在白光下观察，并与普通照相照片比较，有何不同？

（2）用扩束镜将激光扩束后照射全息图（图a）,尽可能使光照方向和原参考光方向相同，仔细观察再现虚像的位置、大小、特征，并移动眼睛位置，观察视差效应。再移动全息图前后位置及改变上下位置，观察虚像的大小变化情况。

（3）用一小孔贴近全息图，通过小孔观察虚像，看到的是局部还是全部？为什么？

（4）实像的观察（图b）,直接用激光束照射全息图，用一毛玻璃屏找实像，观察实像的大小、特征。

 

【数据记录和总结】

给出实验光路图、步骤，记录实验数据和观察结果，分析总结拍摄全息图成功或失败的原因，写出实验报告。

第二篇：全息照相实验技巧探讨

实　验　技　术　与　管　理第24卷　第8期　20xx年8月

　　　　　　　　　　　　　　　　　

CN11-2034/TExperimentalTechnologyandManagementVol

.24　No.8　Aug.2007

全息照相实验技巧探讨

代　伟

(西华师范大学物理与电子信息学院,四川南充　637002)

摘　要:该文在全面理解全息照相“干涉记录,衍射再现”原理的基础上,的诸因素,并对这些因素进行了深入的探讨,对提高全息图质量,关键词:激光全息照相;全息图;干涉;衍射;光程差

中图分类号:G642.423;TB877　　文献标识码:B　　:4956(0035204

exdiscussion

DAIWei

(CollegeandonicInformation,ChinaWestNormalUniversity,Nanchong637002,China)Abstract:Thisarticlewasunderstandingcomprehensivelythehologram“interferestherecord,thediffractionreap2pearance”intheprinciplefoundation,analyzedvariousfactorswhichinfluencelaserhologramexperiment,andcar2riedonthedeepdiscussiontothesefactorstoimprovethehologramquality,andproposedtheconcretesolution.Keywords:laserhologram;hologram;interference;diffraction;lightpathdifference

　　光是一种电磁波,它的全部信息包含:振幅(反映物体上各点发出的光的强弱,决定像的强度),位相(反映物体上各点在空间的相对位置,决定像的形状)和频率(反映光的颜色)。普通照相只记录了振幅,得到的是二维平面像,而全息照相在记录振幅信息的同时还记录了位相信息,即记录了光波的全部信息。因而这种照相称为全息照相。全息照相得到的是三维空间的立体像,它所依据的基本原理通常概括为“干涉记录,衍射再现”。全息摄影技术的应用十分广泛,目前,已应用于精密测量、无损探伤、空气动力学、高速摄影、全息显微术、信息处理和信息储存等许多领域。

为波源的初相位。一个实际物体发射或反射的光波比较复杂,但是一般可以看成是由许多不同频率的单色光波的叠加。光在传播过程中,借助于它们的频率、振幅和相位来区别物体的颜色(频率)、明暗(振幅平方)、形状和远近(相位)。

普通照相是通过成像系统(照相机镜头)使物体成像在感光材料上,材料上的感光强度与物体表面光强分布有关,因为光强与振幅平方成正比,所以它只记录了光波的振幅信息,无法记录物体光波的相位差别。因此普通照相记录的只能是物体的一个二维平面像,缺乏立体感。

全息照相是通过光波的干涉原理作记录,它不仅记录了物体发出或反射的光波的振幅信息,而且把光波的相位信息也记录下来,所以全息照相技术所记录的并不是普通几何光学方法形成的物体像,而是物光光波本身。它记录了光波的全部信息,并且在一定条件下,能将所记录的全部信息完全再现出来,因而再现的物像是一个逼真的三维立体像。

全息照相包括2个过程,第一,把物体光波的全部信息记录在感光材料上,称为记录(拍摄)过程;第二,照明已被记录下全部信息的感光材料,使其再现原始物体的光波,称为再现过程。

全息照相的基本原理是以波的干涉为基础,所以除光波外,对其他的波动过程,如声波、超声波

1　全息照相简述

由光的波动理论知道,光波是电磁波。一列单色波可表示为

(1)x=Acoωt+φ-,λ

式(1)中A为振幅,ω为圆频率,λ为波长,φ

收稿日期:2006209225

作者简介:代伟(1964—),男,四川省遂宁县人,本科,副教

授,实验室副主任,主要从事大学物理实验教学与研究工作.

实　验　技　术　与　管　理

等也都适用。1.1　全息图的记录

图1是记录全息图的光路。相干性极好的氦氖激光器发出激光束,通过分束镜分成2束,其中一束经反射镜M1反射,再由扩束镜L2将光束扩大后照射到被摄物体O上,经物体表面反射(或透射)后再照射到感光材料(实验中用全息感光胶片)H上,称这束光为物光。另一束光经反射镜M2反射、L1扩束后,直接照射到H上,称这束光为参考光。

形成一个虚像,与原物体完全相同,称为真像。-1级衍射光是会聚光,将形成一个共轭实像,称为膺像。再现过程是把存储于干涉图案中的物光波用衍射的方法取出来,相当于解调过程

。

这2束光在胶片H上叠加干涉,形成许多明暗不同的条纹、小环和斑点等干涉图样,被胶片H记录下来,再经过显影,定影等处理,涉条纹的“全息照片”(。干涉,况。记录过程的本质在于物体的全部信息以干涉条纹的形式储存在全息干板中,相当于物光波的调制过程

。

图2　全息照相再现光路

2　激光全息照相实验技巧探讨

由于激光全息照相实验对实验环境和实验条件

要求很高,完成全息照相实验需经过多个环节,要使全息照相拍摄成功并获得较高质量的全息图是不容易的。自全息照相实验开课以来,我们不断研究影响激光全息照相实验成功的主要因素,为了提高激光全息照相实验成功率,针对具体原因我们采取了具体的解决办法,基本上掌握了使激光全息照相实验成功的技巧。

2.1　搞清影响全息照相实验成功的因素2.1.1　系统稳定性对实验结果的影响

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。2.1.2　光路对实验结果的影响

图1　拍摄全息照片的典型光路

(1)参考光和物光的光程差的影响。参考光和

1.2　全息图的再现

物光的光程差得干涉条纹。

[1]

不能太大,不能大于所用激光的相

直接观察全息图,只能看到复杂的干涉条纹,要看到原来物体的像,必须使全息图再现原来物体发出的光波,这个过程就称为全息图的再现过程,它所利用的是光栅衍射原理。

再现过程的观察光路如图2所示。一束从特定的方向或与原来参考光方向相同的激光束

(通常

干长度,否则两者不能相干,无法在全息干板上获

(2)参考光和物光的夹角的影响。假如全息干

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有关,而干板分辨率η与d有关2θη=2sin/。可以看出,θ角愈大,所记

d2

d=λ/2sin

称为再现光)照射全息图。全息图上每一组干涉条纹相当于一个复杂的光栅,它使再现光产生衍射。我们沿着衍射方向透过全息图朝原来被摄物的方位观察时,就可以看到一个完全逼真的三维立体图像。按光栅衍射原理,其+1级衍射光是发散光;与物体在原来位置时发出的光波完全一样,将

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对全息图再现象时的观察窗(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

[2]

代　伟:

全息照相实验技巧探讨

夹角θ也不能太小。

(3)

参考光和物光的光强比的影响。全息照相是物光与参考光的双光束干涉.对于一般双光束干涉来说,如果2束光的光强相同,干涉条纹可得到最大的对比度,这对一般线性接受元件是合适的。而对全息照相的记录介质来说,曝光量(T)和振幅(H)透过率的特性曲线是非线性的,在曲线两端发生奇变,如图3所示,产生较高阶的衍射光,使衍射效率降低

。

室用的是GSZ2Ⅱ型光学实验平台,全息台上的所有光学器件都用磁性材料牢固地吸在工作台钢板上。将各光学元件夹持稳定,将被照物体粘牢在载物台上或夹紧在架上,将曝光定时器离开全息台放置。由于气流通过光路,声波干扰以及温度变化都会引起周围空气密度的变化,因此,在准备拍摄前必须远离全息台,保持安静,静止2min以上再启动曝光定时器,、走动和,曝光后再静等20[4]

s,。2.。按图1所示光路将,各元件大,调整各元件,使各光束都与台面平行且与各元件中心重合,开始时不要加扩束镜。

(2)测量光程。测量物光与参考光的光程,从分束镜开始,沿着光束的前进方向量至全息干板为止,按等光程按排光路为好,光程差不得大于1cm。

(3)夹角选择。根据上面的分析,本实验中选

图3　干板的暴光特性

另一方面,当物光比参考光强,斑纹比较显著,产生较大量的晕轮光围绕零级衍射光,降低了成象的光通量,致使效率降低。

(4)全息干板固定不牢或夹持位置偏差大,以

及把有药面的一面与玻璃面放反,都会造成实验的失败。

2.1.3　曝光与显影对实验结果的影响

(1)曝光时间的影响。如果曝光时间太短,底

择参考光和物光的夹角取20°～30°为宜。

(4)调节光强比。由上所述可知,要达到较好的效果,应使参考光增强,以避开非线性区,减少斑纹效应。但尽管用一束强光做物光,物光照到物体上经物体吸收后再反射到干板上的光已比参考光弱得多了,对于我们功率只有5mW的激光器,参考光和物光的光强比太大,会造成对比度差、象不清楚,所以又必须使物光增强。多次实验研究表明:被摄物如果是瓷器,应与全息干板距离较近(3～5cm),若拍摄硬币可与全息干板距离远一些(可达10cm)。放入扩束镜后,调节物体方位,使物体漫反射光的最强部分均匀地落在全息干板上,参考光应均匀照明并覆盖整个全息干板,两光光强比为3∶1～5∶1较为合适。2.2.3　拍摄全息图及再现观察

(1)拍摄底片。关闭室内所有光源,在全暗条件下学会判断全息干板药膜面的方法,即用两手指同时摸全息干板两面,较涩的一面为药膜面,光滑的一面为玻璃面。取下白屏,将全息干板药膜面面向被摄物体固定在干板架上。

(2)设置曝光时间。曝光时间的长短与光源的功率有关,对于功率较大的光源,曝光时间可适当短些,若光源功率小,则曝光时间可适当长些。一般文献上要求曝光时间为3～4min,实际上,曝光时间长很难保证拍摄过程中周围环境绝对安静,对

[5]

板上条纹太浅甚至没有,复杂的衍射光栅无法形成,当然也就无法再现像。若曝光时间太长,底板可能太黑,光线的透过率降低。另外,曝光时间越长,保持系统稳定性越难,曝光时间内突然的躁声和振动会使拍摄失败

[3]

。

(2)显影时间的影响。显影的程度是否适当对

全息图质量影响很大。若显影时间太长,全息干板发黑,光线的透射率降低,无法再现像;而显影时间太短,干板上条纹不能出现,无法形成复杂的衍射光栅,甚至是一块透明玻璃片,也无法再现像。2.2　提高激光全息照相实验成功率的具体做法

搞清了影响全息照相的诸因素后,实验中要对诸因素作充分全面的考虑,统筹兼顾。我们在对以上诸因素进行了分析、探讨后,总结出了以下提高激光全息照相实验成功率的一些具体做法。2.2.1　保证拍摄系统的稳定

对于我们所用的激光波长为632.18nm的HJ2Ⅱ型氦氖激光器,在曝光过程中,必须保证拍摄系统的移动不得超过干涉条纹间距的1/4。我们实验

实　验　技　术　与　管　

理

于我们使用的功率为5mW的HJ2Ⅱ型氦氖激光器和天津感光胶片厂生产的Ⅰ型全息干板来说,曝光时间选择在30s左右就可以了,但也要看被摄物体的反光程度,对于反光较强的物体,曝光时间可适当缩短,反之,则适当加长。

(3)设置显影时间。选择显影时间应与曝光量、显影液的浓度及温度等情况加以综合考虑。在曝光量正常的情况下,用D219显影液,其温度在20℃±015℃时,显影时间一般十几秒即可,但在

(4)再现观察。将处理好的全息底片放在图2

光路中观察全息图,再现时也可用强光照射全息

图,以增加其亮度。

3　结论

总之,获得全息照相实验成功的技巧在于:首先要全面理解全息照相“干涉记录,衍射再现”的原理;素;。[1,.物理实验教程[M].武汉:湖北科学技术出

温度较高、且新配的药水的情况下,可能几秒钟干板就变黑,显影时间应视实际情况而定(但不要超过3min)。体,即可用清水冲洗,24min,,之后放入

6清水中冲洗5～15m再进行干燥。

另外,配置好的药水应放在茶色玻璃瓶中避光保存,学生操作时要避免将一种药水带入另一种药水中。万一显影或曝光过度,可放入漂白液中进行减薄处理,减薄处理可在白光下进行,不停地拿出观察,减薄程度适可而止,不可太过,否则全息图消失。

,2004.

[2]高金光.对提高激光全息照片质量的研究[J].潍坊学院学

报,2003,3(4):35236.

[3]杨之昌.物理光学实验(上册)

[M].上海:上海科学技术出

版社,1998.

[4]葛松华,唐亚明.大学物理实验教程[M].北京:电子工业出

版社,2003.

[5]张进治.大学物理实验[M].北京:电子工业出版社,2003.[6]沈元华,陆申龙.基础物理实验[M].北京:高等教育出版

社,2003.

[7]李文清,杨砚儒,刘瑞安.全息照相实验的异常现象分析与处

理[J].实验技术与管理,2006,23(2):40241.

(上接第31页)

表1　P点的应变测量值

次数

应变/×10-6

文献[1～5]方法ε-45°

第1次第2次第3次平均值

101101100101

　　在测量图1所示平面应力状态下一点的主应力电测实验中,可将通常采用3个1/4桥路测量,改

为用1个1/4桥路和1个1/2桥路测量。与通常采用的测量方法相比,由于本文所提出的测量方法减少了测量桥路,从而简化了测量过程,同时也可以减少测量中的误差,提高测量精度。参考文献(References):

[1]贾有权.材料力学实验[M].2版.北京:高等教育出版

本文方法

ε45°

-15-15-16-15

ε0°

133134133133

ε0°

133134133133

ε-45°-ε45°

116117116116

社,1984.

表2　P点的应力测量值及其误差

方法理论值

σ1/MPa

σ3/MPa

α0/(°)

[2]同济大学基础力学教研室.材料力学教学实验[M].2版.上

海:同济大学出版社,2002.

[3]金保森,卢智先.材料力学实验[M].北京:机械工业出版

测量值误差/%测量值误差/%测量值误差/%

11.00

7.97.1

-1.01-1.14-0.91

12.99.9

-16.85-16.40-16.63

2.71.3

社,2003.

[4]王育平,边力.材料力学实验[M].北京:北京航空航天大学

文献[1～5]方法10.13本文方法

10.22

出版社,2004.

[5]刘鸿文,吕荣坤.材料力学实验[M].3版.北京:高等教育出

版社,2006.

　　由表2可见,本文所提出的方法的测量精度比通常采用的方法高。

[6]刘鸿文.材料力学(上册)[M].3版.北京:高等教育出版

[M].3版.北京:高等教

社,1992.

[7]孙训方,方孝淑.材料力学(下册)

4　结论

育出版社,1994.