信息光学 全息实验

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1、1 全息光学实验全息光学实验 实验目的 1、学习和掌握全息照相的基本原理； 2、掌握全息照相的实验技术； 3、了解全息图的基本性质、观察并总结全息照相的特点。 实验原理 普通照相是把从物体表面上各点发出的光（反射光或 散射光）的强弱变化经照相物镜成像，并记录在感光底片 上，这只记录了物光波的光强（振幅）信息，而失去了描 述光波的另一个重要因素位相信息，于是在照相底片 上能显示的只是物体的二维平面像。全息照相则不仅可以 把物光波的强度分布信息记录在感光底片上，而且可以把 物波光的位相分布信息记录下来，即把物体的全部光学信 息完全地记录下来，然后通过一定方法重现原始物光波既 再现三维物体的原像。这

2、就是全息照相的基本原则，由三维物 体所构成的全息图能够再现三维物体的原像。 全息照相的基本原理是利用相干性好的参考光束 R 和 物光束 O 的干涉和衍射，将物光波的振幅和位相信息“冻 结”在感光底片上，即以干涉条纹的形式记录下来。在底 片上所记录的干涉图样的微观细节与发自物体上各点的光 束对应，不同的物光束（物体）将产生不同的干涉图样。 因此全息图上只有密密麻麻的干涉条纹，相当于一块复杂 的光栅，当用与记录时的参考光完全相同的光以同样的角 度照射全息图时，就能在这“光栅”的衍射光波中得到原来的物光波，被“冻结”在全息 片的物光波就能 “复活” ， 通过全息图片就能看见一个逼真的虚像在原来放置物

3、体的地方 （尽 管原物体已不存在） ，这就是全息图的物光波前再现。 全息照相分两步， 第一步是波前记录。 设x-y平面为全息干板记录平面， 底片上一点 （x, y）处物光束 O 和参考光束 R 的复振幅分布分别为 Oo(x, y)和 Ro(x, y)： ),(exp),(),( ),(exp),(),( yxjyxRyxR yxjyxOyxO Ro Oo = = (1) 由于它们系相干光束，所以物光和参考光在底片上相干迭加后的光强分布为： ),(),(),(),( ),(),( ),(),(),( 22 2 yxRyxOyxRyxO yxRyxO yxRyxOyxI + += += (2) F

4、ig. 1 全息图记录 2 若全息干板的曝光和冲洗都控制在振幅透过率t随曝光量 EE=（光强）（曝光时间） 变化曲线的线性部分，则全息干板的透射系数t(x,y)与光强I(x,y)呈线性关系，即 t(x,y)=to+I(x,y)(3) 其中 to为底片的灰雾度，为比例常数，对于负片0，这就是全息图的记录过程。 第二步波前再现。若用光波 P 照明全息图，在全息图（x, y）点处该光波的复振幅为 Po(x, y)，于是该光波用下式表示： ),(exp),(),(yxjyxPyxP co =(4) 则透过全息图的光波在x-y平面上的复振幅分布为： ),(),(),( ),(),(),( ),(),()

5、,(),( ),(),(),(),(),(),( 22 yxRyxOyxP yxRyxOyxP yxRyxOyxPyxPt yxIyxPyxPtyxtyxPyxD o o + + += += (5) 这式中第一、二项代表的是强度衰减了的照明光 P 的直接 透射光，亦称零级衍射光。第三项中，当取照明光和参考光相同时，即P(x, y)=R(x, y)，则 再现光波为： ),(exp),( 2 3 yxjROyxD ooo =(6) RO2(x, y)=实常数。因此这一项正比于 O (x, y)，即除振幅大小改变外，具有原始物光波的一 切特性，波前发射形成物体（在原来位置上）的虚像，如用眼睛接收到这

6、样的光波，就会 看到原来的“物”原始像。当照明光与参考光的共轭相同时，即P (x, y)=R*(x, y)，第 四项有与原始物共轭的位相， ),(exp),( 2 4 yxjROyxD ooo =(7) 这意味着这一项代表一个实像，它不在原来的方向上而是有偏移，称之为“共轭实像” 。通 常把原始像的衍射光波称为+1 级衍射波， 把形成其共轭像的光波称为-1 级衍射波 （如图 2,3 所示） 。 全息照相的基本条件是：一、参考光束和物光束必须 是相干光(因此需用激光来作为照相光源， 且一般使物光程 与参考光程相当)。二、记录介质（底片的感光乳胶）要有 足够的分辨率和对所使用的激光波长有足够的感光

7、灵敏 度。记录介质的分辨率通常以每毫米能分辨明暗相间的条 纹数来表示。如果全息底片对于物光和参考光的照射方向 是对称放置，则干涉条纹的间距公式为： 2 sin2 =d （8） 式中为物光和参考光之间的夹角，可见夹角越大，干涉条纹的间距越小，条纹越密， 这就要求底片具有较高的分辨率(通常全息记录介质的分辨率1000cy/mm)。三、光学系统 Fig. 2 全息图虚像的观察 Fig. 3 全息图实像的观察 3 必须有足够的机械稳定性，由于全息底片上记录的是精细的干涉条纹，在记录过程中若受 到某种干扰（如地面的震动，光学零件支架的自振和变形，以及空气的紊流等）则将引起 干涉条纹的混乱和迭加，导致衍射

8、像亮度下降，甚至完全看不到像。因此，在曝光时间内 干涉条纹的移动不得超过条纹间距的 1/4，需要把整个拍摄系统安装在有效的防震台上。另 外，在全息底片的光谱灵敏范围内应设法增加激光的输出功率，以便缩短曝光时间，以减 少外界因素的影响。 全息照相的基本方法是把从激光器发出单束相干光分为两束，一束照明物体，另一束 作为参考光束，并将光束进行扩展到具有一定的截面。参考光束一般为未受调制的球面波 或平面波，参考光束的取向应使它能与物体反射（或散射）的物光束相交，在两束光重迭 的区域内形成由干涉图样构成的光强分布，当感光介质放在重迭区域内，就会由于曝光产 生光化学变化，经适当的处理后把这些变化转变为介质

9、的光透射率的变化，即成了全息图。 实验装置 1、实验光路 我们采用的是记录离轴的 Fresnel 全息图光路，这时记录介质位于物光波的 Fresnel 衍 射区。注意到拍好全息图的基本条件，要使物光程近似等于参考光程，所拍摄的物体应有 均匀的激光照明，且有较高的漫反射率，在全息干板处物光强与参考光强之比可控制在 1: : : :31: : : :5。拍摄全息图的另一个重要因素是物光束与参考光束的几何排列，这影响到全息图 的空间分辨率。 因此， 入射到记录底片上的两束光之间的夹角应取在 20 50之间如图 （4） 所示。 2、光路元件 （1）LaserHN-T3氦氖激光器； （2）ShShutt

10、er 光快门 ； （3）BSBeamsplitter 光束分束器 （4）M1,M2,M3Mirrors 反射镜组； （5）BE1,BE2Beamexpanders 光束扩 束器组； （6）OObject 物体； （7）HHologram 全息干板。 附有防振平台、三维可调镜座、卷尺、 冲洗系统、底片架。 实验步骤 1、布置好光路参考图（4），使得物光束和参考光束的夹角在 45 左右，光强比在 1: : : :4 或 1: : : :5，光程相等，并注意抑制物体的镜面反射，以提高拍摄全息图质量。 2、将全息干板放置在底片架上，乳胶面应朝向被拍摄物体，待整个系统稳定（即在所 有元件就绪后，一般需要

11、 35 分钟的“静台” ）后再进行曝光，曝光时间由物光的强弱而定。 Fig. 4Fresnel 全息图拍摄实验光路 4 3、 全息干板按常规感光底片显影定影冲洗处理， 为了增加衍射效率， 提高再现像亮度， 通常把定影后的全息图进行漂白处理，使之变成为位相全息图。 4、全息图的重现。将拍摄好的全息图放回原先的底片架上，遮住物光和被摄物体，用 参考光束照明全息图（其乳胶面仍须朝向原物体） ，通过全息图就可看到一个虚像，像即呈 现在原物所在的位置上，就如通过一扇窗来观察外面的物体，不论从窗（全息图）的那个 角落往外看都能看到整个物体，随着观察位置的改变，再现像的透视面也随着变化，景物 上远近物体的视

12、差是明显的如图（2）所示。由于全息图的每一部分都含有原物体所有的 信息，所以当用激光束照明全息图的不同部分（或破碎全息图的任一小部分）都仍然可以 看到完整的再现像。不过，全息图的每一部分将再现出物体的稍微不同的透视图，随着所 用全息图面积的减少，像的分辨率就下降，因为分辨本领与成像系统的孔径大小有关。前 后移动全息图（即选用不同曲率半径的球面波照明）可观察到虚像的放大和缩小的变化。 将全息图面反转 180 （绕垂直轴）并将照明光变成与参考光共轭的会聚球面光波的同频率 激光，则在原来的物体的方位上得到物体的实像如图（3）所示。由于光是向着实像会聚， 所以可用毛玻璃来接收观察，也可直接用感光底片或光探测器检测。 报告要求 1、画出您在实验中所设计并用于实际拍摄的光路（按比例画）并简要说明其特点。 2、简述全息照相的特点，比较全息照相与普通照相的同异点。 3、您认为全息照相的基本条件是什么？您做本实验时使之成功的关键是什么？ 4、假如用物光束照明全息图，则您将通过全息图观察到什么？ 5、观察并讨论用扩束的激光照明全息图，如光束扩束的大小（特别是不加扩束） ，照 明方位改变时，对再现像的影响？