激光全息照相实验

教学目的：

1．了解全息照相的发展过程及应用,比较全息照相与普通照相的区别；

2．掌握全息照相的原理和特点；

3．学习全息照相的拍摄方法和观察再现全息图。

重难点：

1．漫反射-体积全息的实验光路调试；

2．全息干板的正确冲洗。

教学方法：

讲授、讨论、实验演示相结合。

3个学时

一、前言

全息照相的基本原理是以光波的干涉和衍射为基础的 ,1948 年物理学家伽伯 (D1Gabor) 首先提出一种无透镜两步成像法 ,称做波前再现或全息术 ,1964 年利思 (Lefth)等成功地获得三维图象的全息照片。1960 年激光器的问世促进了全息术的发展 ,成为科学技术上一个崭新的领域。激光全息摄影技术正飞速发展 ,并在干涉计量学、无损检测、信息处理、遥感技术、生物医学、国防工程等科技领域获得广泛的应用 ,有着广阔的发展前景。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。

全息图记录了物光波的全部信息 ,再现时可看到一个逼真的三维图象 ,立体感强。全息图上的每一点都携带有被摄物的全部信息 ,全息摄影图具有可分割性 ,分割后的每一小块干板都可再现完整的物体象。一张全息干板可重叠摄制多个全息图。

二、实验仪器

全息平台及其光学附件，He-Ne激光器，曝光定时器，Ⅰ型全息干板，暗室设备。

三、实验原理

(1) 人眼视物的简单机理

光是电磁波 ,在光波中产生感光作用和生理作用的是电场强度 E0. 一列单色光波可表示为 E = E0cos(ωt - 2πrΠ λ+ φ0) 物体上的每一点都向空间各个方向发出光波:透射波、反射波、散射波等 ,统称为物波. 物波携带着物体的信息 ,如颜色、明暗、凹凸等.这些信息在物波的函数中用频率 f (ω= 2πf) 、振幅 E0 、相位(ωt - 2πΠ λ+φ0) 表示. 人眼之所以能看到物体 ,是因为人眼接受到物体各部分所发出的物波. 物波所能到达的任一点 ,都包含有物体上各部分所有的信息 ,所以尽管眼睛的瞳孔直径很小 ,却仍能观察到 物体的全貌. 如果能将物波保存下来 ,即使物体不存在了 ,只要物波还在 ,人们仍能看到物体.用照相的办法就可以保存物波. 但普通照相只能存储物波中振幅的信息 ,丢失了相位的信息. 全息照相则能把物波的全部信息存储起来.

(2) 普通照相及其缺陷

光可以引起照相底片(感光材料) 上乳胶层的化学变化 ,而且这化学变化的深度随入射光的强度增大而增大. 因而照相底片可以 “感受”(记录) 光强的分布 ,不同的光强在底片上反映为不同的浓淡;但是底片不能“感受”相位的分布 ,不同的相位在底片上并无区别.基于几何光学成像原理的普通照相 ,是通过照相机镜头使物体成像于底片上 ,底片只记录了光强 (振幅) 分布 ,反映了物体各部分的明暗.而对相位的差别则不能分辨 ,也就无法反映物体表面的凹凸和距底片的远近 ,从而失去了立体感.

(3) 全息照相的物理思想

普通照相所不能记录的相位分布在全息照相中是如何被记录的 ? 它的创造性的思想就是:把感光材料所不能“感受”的相位分布 ,利用光的干涉现象 ,使之转化为底片能记录的光强分布.具体地说 ,把来自物体的光波称为物光(O 光) ,再引入一束与之相干的参考光(R 光) ,让参考光和物光同时照在底片上. 在底片上的各点处 ,R 光相位都相同 ,而 O 光的相位不相同 ,从而 O 光与 R 光在各处的相位差也不同 ,经干涉后各处的条纹亮暗程度就不同.这样底片就可

以在记录下物光振幅分布的同时 ,也记录下了其相位分布 ,即记录下了物光的全部信息 ,这就是全息照相的重要物理思想. 本实验就是从实践上实现这一物理思想的.

(4) 全息照相的实验过程

全息照相包含两个过程：

1．全息照相的记录——光的干涉

拍摄全息照片的光路如图2所示，相干性极好的氦氖激光器发出激光束，经分束镜被分成两束光，透射的一束光经反射镜(2)和扩束镜射向被摄物体上。再经物体表面漫反射后到达全息干版上，这束光称为物光；反射的一束光经反射镜(6)和扩束镜直接均匀地射向全息干版上，这束光称为参考光。参考光和物光在全息干版上叠加便产生了干涉现象，在这种干涉场中的全息干版经曝光、显影和定影等处理，就将被摄物体的全部信息——振幅和相位的分布状况以干涉条纹的形式全部记录下来。所得到的全息图显然是一组复杂而不规则的干涉图样。

2．全息照相的再现——光的衍射

由于全息干版上记录的并不是物体的几何图样，因而直接观察只能看到许多明暗不同的条纹、小环和斑点等干涉图样，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，这个过程就称全息图的再现过程，它所利用的是光栅衍射原理。

图1 全息图的再现

再现过程的观察光路如图1所示，一束从特定方向或与原来参考光方向相同的激光束(通常称为再现光)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，按光栅衍射原理，再现光将发生衍射，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。当沿着衍射方向透过全息图朝原来被摄物的方位观察时，就可以看到那个逼真的三维立体图像(虚像)。

四、实验内容与步骤

1．检查全息平台的稳定性

因为全息底板上记录的干涉条纹间距很小，如果全息底片在曝光过程中条纹移动超过半个条纹的宽度，就不能形成全息图；条纹移动小于半个条纹宽度，全息图像虽然可以形成，但清晰度会受到影响。物光与参考光夹角份越大，条纹的间距就越小，曝光过程中所受到的限制也就越大。可搭一个迈克尔逊干涉仪光路，如获得稳定的干涉条纹，说明工作台已处于稳定的可拍摄全息照片的状态。

2．调整光路

按图2所示光路布置各光学元件，调节时要注意；

(1)调整光学元件支架，使光路中各光学元件的光学中心共轴。

(2)沿光路前后移动扩束镜的位置，使扩束后的光均匀照亮被摄物体和全息干版，光斑不能太大，以免浪费能量。

(3)物光和参考光的光程差要尽量小，一般常使两者光程大致相等。注意：被摄物体离全息干版的距离不能太远(约10cm)。

（4）物光和参考光束间的夹角在30?—45?之间为宜。

(5)物光和参考光的光强比要合适．一般取1：2到1：5的光强比。

图2 全息照相光路图

3．曝光

调好光路后，选择预定的曝光时间(由实验条件来定)，然后关闭光开关，在暗绿灯下将全息干版安装在照相框架上，药膜面向着被摄物体，放好底片后稍等1分钟，待整个系统稳定后开始曝光(在曝光过程中，切勿走动，保持安静，以保证干涉条纹无漂移)。

4．冲洗

将曝光后的全息干版取下，在显影液中显影。在1min左右显出曝光区和未曝光区的黑白界限较佳。显影时只能在暗绿灯下观看。停止显影后经水洗，再放入定影液中定影5~10min，然后用水漂洗，晾干后即成为全息照片。

5．全息图的再现观察（观察方法见教材）

虚像观察：判别再现虚象的视角范围大小与观察者离全息照相距离和全息照相尺寸的关系。（注意感光药膜面应向着再现光束）。

五、注意事项

1．各种光学镜面严禁用手触摸；

2．实验过程中切忌用眼睛直视激光束，以免损伤视网膜；

3．各组应在相同时间统一暴光，以避免相互干扰，暴光时不能走动，说话及任何振动，以提高拍摄成功率；

4. 冲洗干板时应严格遵守暗房操作规程

六、教学后记

1．影响本实验成功与否的因素较多，实验的实际操作也比较繁琐，因而学生感到完成实验有一定难度，因此在授课中强调学生一定要耐心调试。

2．装全息干板时因在黑暗中操作，特别要注意不能碰动光路，其药膜面应向着激光（既粗糙的一面）千万不能装反；

3．全息干板与被摄物的距离应控制在10CM之内，且应保证全息干板尽可能正对被摄物，以接收多的物光。

第二篇：2-实验五 激光全息照相

实验五  激光全息照相

    普通照相记录下来的是物体光波的强度，不能记录相位，因而丢失了物体纵深方向的信息，照片看起来没有立体感。1948年英国科学家盖伯（D. Gabor）在研究电子显微镜的分辨率时，采用了一种两步无透镜成像法，可以提高电子显微镜的分辨本领。他提出的方法，利用了光的干涉原理来记录物光波并利用光的衍射原理来再现物光波，这种方法可以同时记录下物体光波的振幅和相位，这是全息照相的基本原理，为此他在1971年获得诺贝尔物理学奖。

    “全息”来自希腊字“holo”，含义是“完全的信息”，即包含光波中的振幅和相位信息。利用激光全息照相得到的全息图，图上的任何一块小区域都能重现整个物体的像。激光全息照相在流场显示、无损探伤、全息干涉计量和制作全息光学元件等领域有着广泛的应用。

一、实验目的

1．加深理解激光全息照相的基本原理；

2．初步掌握拍摄全息照片和观察物体再现像的方法；

3．了解全息照相技术的主要特点，并与普通照相进行比较；

4．了解显影、定影、漂白等暗室冲洗技术。

二、实验原理

1．全息照相与普通照相的主要区别

物体上各点发出（或反射）的光（简称物光波）是电磁波，借助它们的频率、振幅和相位信息的不同，人们可以区别物体的颜色、明暗、形状和远近。普通照相是运用几何光学中透镜成像的原理，把被拍摄物体成像在一张感光底片上，冲洗后就得到了一张记录物体表面光强分布的平面图像，像的亮暗和物体表面反射光的强弱完全对应，但是无法记录光振动的相位，所以普通照相没有立体感，它得到的只能是物体的一个平面像。所谓全息照相，是指利用光的干涉原理把被拍摄物体的全部信息——物光波的振幅和相位，都记录下来，并能够完全再现被摄物的全部信息，从而再现形象逼真的物体立体像。全息照相的过程分两步：记录和再现。全息照相的数学描述见本实验附录A。

2．光的干涉——全息记录

全息照相是一种干涉技术，为了能够清晰地记录干涉条纹，要求记录的光源必须是相干性能很好的激光光源。图1是拍摄全息照片的光路示意图。

由激光器发出的激光束，通过分束镜分成两束相干的透射光和反射光：一束光经反射镜M₁反射，再经扩束镜L₁扩束后照射到被拍摄物体上，然后从物体投向全息底片H上，这部分光称为物光。另一束光经反射镜M₂反射，再经扩束镜L₂扩束直接照射到底片上，称为参考光。由于同一束激光分成的两束光具有高度的时间相干性和空间相干性，在照相底片上相遇后，形成干涉条纹。由于被摄物体发出的物光波是不规则的，这种复杂的物光光波是由无数的球面波叠加而成的，因此，在全息底片上记录的干涉图样是一些无规则的干涉条纹，这就是全息图。

图1  拍摄全息照片的光路示意图

全息照相采用了一种将相位关系转换成相应振幅关系的方法，把相位关系以干涉条纹明暗变化的形式记录在全息底片上。干涉条纹上各点的明暗主要取决于两相干光波在该点的相位关系（与两光波的振幅也有关）。干涉条纹的明暗对比度（即反差）决定于物光和参考光的振幅，即条纹的反差包含有物光光波的振幅信息。在全息照相中，无规则的干涉条纹的间距是由参考光与物光波投射到照相底片时二者之间的夹角决定的，夹角大的地方条纹细密，夹角小的地方条纹稀疏。物光波的全部信息以干涉条纹的形式记录在全息底片上，经显影、定影等处理就得到全息照片。

3．光的衍射——全息照相的再现

全息图上看不到如普通照片那样的拍摄物体的像，只有在高倍显微镜下可看到浓淡、疏密、走向不同的干涉条纹。所以，一张全息图片相当于一块复杂的“衍射光栅”，而物像再现的过程就是光的衍射过程。一般采用拍摄时所用的激光作为照明光，并以特定方向或与原参考光相同的方向照射全息图片，就能在全息图片的衍射光波中得到0级衍射光波和1级衍射光波（如图2所示）。

0级衍射光：具有再现光的相位特性，其方向与再现光相同。

+1级衍射波：发散光，具有原始物光波的一切特性，可以观察到与原物体完全相同的再现虚像。

-1级衍射波：会聚光，具有与原物光波共轭的相位，在虚像的相反一侧观察到实像。

最简单的再现方法是按原参考光的方向照射全息图片。如光路图26-2所示，把拍好的全息照片放回底片架上，遮挡住光路中的物光（转动其反射镜M₁或其他办法），移走光路中的被拍物体，只让参考光照在全息图片上。这样在拍摄物体方向可看到物的虚像，在全息照片另一侧有一个与虚像共轭的对称实像。

4．全息记录的主要特征

（1）立体感强。全息照相记录的是物体光波的全部信息，因此通过全息照片所看到的虚像是逼真的三维物体，立体感强，看上去好像实物就在眼前。如果从不同角度观察全息图的再现虚像，就像通过窗户看室外景物一样，可以看到物体的不同侧面，有视差效应和景深感。这一特点使全息照相在立体显示方面得到广泛应用。

（2）具有可分割性。因为全息照片上每一点都有可能接收到物体各点来的散射光，即记录来自物体各点的物光波信息。反过来说，物体上每一点的散射光都可照射到全息底片的各个点，所以把全息照片分成许多小块，其中每一小块都可以再现整个物体，即使将底片打碎了，任意一碎片仍能再现出完整的物像。但面积越小，再现效果越差。这一特点使全息照相在信息存储方面开拓了应用领域。

（3）全息照片的再现可放大和缩小。用不同波长的激光照射全息照片，由于与拍摄时所用激光的波长不同，再现的物像就会发生放大或缩小。

（4）同一张全息底片可重叠多个全息图。具有可多次曝光的特性，在一次全息照相曝光后，只要稍微改变感光胶片的方位（或物光波或参考光的方向），就可以进行第二次、第三次曝光，记录不同的被摄物而不发生重叠。并且再现时，只要适当转动底片即可获得互不干扰的物像。例如，对于不同的景物，采用不同角度的参考光束，则相应的各种景物的再现像就出现在不同的衍射方向上，每一再现的像可不受其他再现像的干扰而显示出来。如果参考光不变，而使物体变化前后的两个物光波分别与参考光干涉，并先后记录在同一张全息底片上，再现时就能通过全息图的观察，得到物体变化的信息，但重叠次数不宜多。这种两次曝光法是广泛应用的全息干涉计量的主要方法。

5．全息照相的拍摄条件

（1）对光源的要求。必须使用具有高度空间和时间相干性的光源，并要有足够的功率，使用要方便。常用的小型He-Ne激光器，其输出功率为1～2 mW，可用来拍摄较小的漫反射物体。

（2）对系统稳定性的要求。如果在曝光过程中，干涉条纹的移动超过半个条纹宽度，干涉条纹就记录不清；如果小于半个条纹宽度，全息图像有时仍可形成，但质量会受到影响。所以，记录的干涉条纹越密（物光和参考光夹角越大）或曝光时间越长，对稳定性的要求就越高，为此，需要有一个刚性和隔振性能都良好的工作台，系统中所有光学元件和支架都要使用磁性座牢固地吸在台面钢板上，以保证各元件之间没有相对移动。曝光过程中不可高声谈话，不要走动，以保证实验的顺利进行。

（3）对光路的要求。从分束镜开始，激光束被分成参考光和物光，最后在全息底片上相遇。实验中，参考光和物光之间的光程差、夹角、光强比都有一定的要求：① 光程差要尽量小，一般不超过10 cm。② 物光和参考光投射到全息底片上的夹角要适当（一般选取30°～50°）。夹角小一些，可以减低对系统的稳定性及底片分辨率的要求；③强度比要合适，一般选择参考光与物光在全息底片上的强度比在4:1～10:1之间。这时，全息图将有比较大的反差，再现的图像会有比较好的效果。

（4）对全息底片的要求。要获得优良的全息图，一定要有合适的记录介质。目前使用的I型全息底片，分辨率可达3000条/mm左右，能满足一般的拍摄要求，但使用时，物光和参考光的夹角以小于30°～50°为宜。I型全息底片专门用于He-Ne激光（波长为632.8 nm），对绿光不敏感，可在暗绿灯下操作。

三、预习准备

  （1）预备问题

1．全息照相有哪些特点？简要说明全息照相与普通照相的根本区别。

2．为什么全息记录时要求参考光和物光之间的夹角比较小？为什么要求参考光和物光的光程差尽量小？

3．全息记录时理论上要求参考光与物光的光强比选择为4:1～10:1之间，实验中又总是让分束镜分出的较强光束进入物光光路，两者矛盾吗？

  （2）实验仪器

    He-Ne激光器（波长为632.8 nm），全息平台，光学元件，显影液，定影液，暗室冲洗设备。

光学元件含有：（1）分束镜P（如图26-1所示）：它可以将入射光分成两束相干的透射光和反射光。用透过率表示分束性能，如透过率为95%，表示透射光与反射光分别占入射光强的95%与5%。（2）平面反射镜M₁、M₂：能根据需要改变光束方向。（3）扩束镜L₁、L₂：能扩大激光束的光斑。用放大倍数表示其扩束性能，如25×和60×等。相同情况下，放大倍数越大，被扩束的光斑范围越大，光强越小。（4）光学元件调整架：用于固定光学元件，被固定的光学元件可以获得上下、左右及俯仰等方向的调节。整个调整架能够在平台上移动，借助磁吸力也可以被固定在平台钢板上。（5）全息底片H：用于记录干涉图样。常选用分辨率为3000条/mm的天津I型，可以在暗室里用玻璃刀将底片裁成约4 cm × 6 cm的大小。（6）接收屏：白屏。（7）载物台：放置物体的小平台。（8）被摄物体O：选用反光好的玻璃或陶瓷小工艺品。（9）定时快门：控制曝光时间。

四、实验内容及步骤

1．设计布置全息光路：调整全息记录平面上的物光与参考光的夹角、光强比，调整物光光程、参考光光程，满足全息光源相干长度的要求。

2．拍摄全息图（记录物光波和参考光波的干涉条纹）。

3．将底片进行显影、定影、漂白等处理后漂洗凉干即成全息照片。

4．物像再现、观察并记录实验现象。

① 激光照射全息底片的乳胶面，尽可能使光照方向与原来的参考光束方向一致。从照片反面观察物像。物像的位置与原物位置是什么关系？

② 改变观察角度，物像有什么变化？为什么全息照相能观察到立体图像，而普通照相只能看到平面图像？

③ 移去激光器的扩束镜，使激光束只照射在照片的很小一部分上，观察物像。为什么仍能看到整个物像，而不是只看到像的一个局部？如果打碎全息片，用激光照射其中任意一块碎片，能否看到整个物像？这和普通照片有什么不同？

④ 把全息片的正反面翻转，使乳胶面向着观察者，用不扩束的激光束照射，再用毛玻璃在全息片后面（观察者一侧）移动，接收并观察实像。

5．对以上观察结果做出合理解释。

五、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。

2．光学元件的光学表面应保持清洁，切勿用手、布片、纸片等擦拭。

3．拍摄前几分钟及整个曝光时间内，操作人员必须离开全息台并保持静止，确保全息照相在稳定状态下进行。

六、思考题

1．光路基本摆好后，移动哪一种元件既不影响光程差和夹角又能改变光强比？

2．用两个相同的激光器发出的激光分别作为参考光和物光，能否制作出全息图？为什么？如果再现时换一种波长的光源，能否看到再现像？如果可以，将有何变化？

3．为什么全息照片的每一碎片都能再现整个物体的像？

4．为什么用He-Ne激光拍摄的全息照片可以在暗绿色灯下进行暗室处理? 

七、参考文献

[1]  吕乃光．傅里叶光学（第2版）．北京：机械工业出版社，2006．

[2]  杨述武．普通物理实验（二、电磁学部分）．北京：高等教育出版社，2000．

【附录A】全息照相的数学描述

1．全息记录的光强分布

激光照射物体后的物光波的表达式为

                                                                                               （1）

式中，A_O为物光波的空间振幅，φ_O为物光波的空间相位，wt为物光波传播时的瞬时相位。

参考光波的表达式为

                                                                                                 （2）

式中，A_R为参考波的空间振幅，φ_R为参考波的空间相位。

当u_O与u_R在照相底片平面(x, y)上相遇时，由于激光的相干性而产生干涉，干涉条纹的强度I(x, y)为

                                             （3）

式中，第一项是物光波光强，第二项是参考光光强。如果让规则的参考光比物光波强许多，那么此两项在记录平面上将构成较为均匀的背景。第三项是干涉项，包含着物光波的振幅A_O和位相的全部信息。其中A_OA_R因子与的比值决定了(x, y)点附近干涉条纹的明暗对比度。cos(j_O - j_R)因子则决定了(x, y)点附近干涉条纹的分布状况。因此底片上记录下来的光强分布包含着物光波的振幅和位相全部信息。

2．全息再现

怎样才能从全息图上取出物光波信息呢？由于全息图上记录的是干涉条纹，可以视为一个复杂的衍射光栅，而透过光栅的衍射光波的振幅、相位与光栅图样有关。也就是说，透过全息图的衍射光携带着物光波的振幅与相位信息。由照相技术知道，如曝光和显影恰当，底片的光波透过率T(x, y)与曝光时的光强I(x, y)呈线性关系，即

                                                                                                    （4）

式中，T₀为照相底片的灰雾度，β为曝光曲线上线性区的斜率，I(x, y)为全息图上的光强分布。

将式（3）代入式（4），得透射光波为

式中，第一、二项不含物光波相位信息，沿再现光方向传播，为0级衍射光；第三项正比于物光波，好像从被拍摄物发出，是+1级衍射光，可再现与物体完全逼真的三维立体虚像；第四项包含着物光波的共轭光，是-1级衍射光，在一定条件下会形成一个畸变的与实物的凸凹相反的共轭实像。综上所述，应用光的衍射原理，可再现物光的全部信息，还原出物体的三维立体图像。