全息照相讲义

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1、全息照相实验设计性实验讲义中的图是示意图，每个同学都可以自行设计干涉光路，文字所述条件搭建光路即可。一、引言全息术——利用光的干涉和衍射原理，将物体发射的特定光波以干涉条纹的形式记录下来，并在一定的条件下使其再现，形成原物体逼真的立体像。由于记录了物体的全部信息（振幅和相位)，因此称为全息术或全息照相。英国科学家丹尼斯·加伯(DennisGabor)在1948年为提高电子显微镜的分辨率，在布喇格(Bragg)和泽尼克(Zernike)工作的基础上提出全息术。全息术需要高度相干性和高强度的光源，所以，直到1960年激光出现，以及1962年利思（Leith）和厄帕特尼克斯（

2、Vaptnieks）提出离轴全息图以后，全息术的研究才进入一个新的阶段，相继出现了多种全息方法，开辟了全息应用的新领域，成为光学的一个重要分支。全息术发展到现在可以分为四代：第一代是用水银灯记录同轴全息图，这是全息术的萌芽时期，其主要问题是再现像和共轭像不能分离，以及没有好的相干光源；第二代是用激光记录、激光再现，以及离轴全息图，把原始像和共轭像分离；第三代是激光记录白光再现的全息术，主要有反射全息、象全息、彩虹全息及合成全息，使全息术在显示方面显出其优越性；第四代即当前所致力的方向，是企图利用白光记录全息图，已初步作了一些工作。二、实验目的1.了解全息照相的基本原理和

3、实验装置；2.初步掌握全息照相的方法，拍摄一幅漫反射三维全息照片；3.学会全息片的再现观察，了解全息像的特点。三、实验原理全息照相分两步：波前记录和波前再现。波前记录是将物体出射的光波（物光）与另一光束（参考光）相干涉，用照相的方法将干涉条纹记录下来，称为全息图或全息照片。明暗相间的干涉条纹成像使全息图具有光栅状结构，当用原参考光照射全息图时，光通过全息图后发生衍射，其衍射光波能重建原物体光波，在照片后面原物体放置的位置上将有物体的再现三维像，即像与物有相同的景深。1.全息图的记录6拍摄图1全息图的记录全息图必须建立干涉光路，以图1为例。激光器输出的光束用分束器（1)分

4、为两束，反射的一束经全反镜（6)反射到全息底片（5）上作为参考光；透射的一束经全反镜（2）反射到物体上，再经物体表面漫反射，作为物光入射到全息底片上。设X-Y平面为干涉场中照相底版所在平面，物光波O和参考光波R均为平面波，它们的复振幅（复矢量）分布为:（1）（2）、干涉叠加后的合振幅分布为（3）合振动的强度分布为（4）上式中E与E*量是共轭复数，所以（5）为了便于分析，上式可改写成光强形式（6）由此式可知，是基本恒定的，它是xy平面上的平均光强，是“直流”项；是随坐标变化的，是“交流”项。后者携带着O光和R光的振幅和位相信息，因而是信息项，它的光强在xy平面上按坐标周期

5、性地变化，形成干涉条纹。在参考光与物光的干涉场中的全息底片经曝光、显影和定影处理以后，就将物光的全部信息（振幅和相位)以干涉条纹的形式记录下来，这就是波前记录过程。1.记录介质及曝光条件（1）负性干版的曲线记录介质有银盐乳胶、光致腐蚀剂等多种记录介质，比较常用的是负性乳胶干版，其振幅透过率τ与曝光量ε的关系在一定范围内大致是线性关系的，如图2，可表达为6（7）图2乳胶的特性曲线其中，，是常数，＜0是负片。可见在一定范围内，振幅透过率和曝光量是线性关系。将感光干版放在xy平面上，它的感光量落在线性区如式（7），再经显影定影处理后，xy平面上的光强分布就转变成了干版上的振幅

6、透过率分布，从而得到物体光波的全息图。将代入式（7）中，则全息图的振幅透过率分布为（8）式中，可知k近似为常数。则（8）式改写为（9）可见，全息图的振幅透过率也是按坐标周期性变化的，即全息图就是一块刻纹光栅。当物体有一定大小时，底片处的光强分布极其复杂，它是一系列空间频率大小不同、方向不同、强度也不同的干涉条纹的叠加，所得到的全息图实际是一种较复杂的光栅结构。（1）底片的曝光量引起全息干版曝光的光强可表示为（10）式中和分别代表入射到干版上的物光束与参考光束的强度，为两光束的位相差。当为0或π时，取极值（11）每种全息干版都有自己的曲线，根据式（11）可以估计/的值，对

7、于我们所使用的底片来说，/的值一般为1/3~1/6。在拍摄反射全息图的光路设计中，应考虑到物体漫反射造成的光损失，所以物体应放置在靠近底片的位置上，获得较集中的光束。6（1）物光束与参考光束的夹角干涉条纹的间距为10-3mm数量级或更小，每毫米将有上千条干涉条纹。普通感光干版几十条至几百条记录条纹的质量是不能满足要求的，所以，全息照相只能使用特制的高分辨率感光版。干版的分辨率将决定物光束与参考光束之间夹角的极限值，因为条纹密度是此夹角的函数。干涉条纹间距可用布喇格衍射公式决定（12）其中是衍射条纹间隔，是入射角。干版的分辨率所允许的物光束