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1、实验六 全息技术引言1948 年,伽柏(D .Gabor)提出了一种新的照相技术，记录的不是物体的影像，而是物体上各点光的完全信息振幅和相位，从而称之为全息技术。由于初期采用的同轴方法和条件上的困难，在最早的十多年间全息技术的发展非常缓慢。1960 年激光问世以后，这一领域重新活跃起来。1962 年，利思（E.N.Leith）等人利用激光做光源，并采用离轴方法，成功地进行了三维物体的记录和再现，为现代全息技术的发展开辟了新的途径。1971 年，伽柏因全息技术的发明荣获了诺贝尔物理奖。现在，全息技术已成为一门很有前景的新学科，在许多方面已获得实际应用，全息技术的产品也越来越多地走向市场，而且这种
2、新技术仍以极大的魅力吸引着众多的科技工作者致力研究，不断涌现出新的成果。本实验的目的，在要让读者了解全息照相的基本原理和实验方法，通过摄制全息图引起读者对这一领域的兴趣和关注。实验目的1. 了解激光全息照相的基本原理。2. 学习拍摄静态全息照相的技术。3. 了解再现全息物象的方法。实验原理全息技术，是一种二步成像的照相技术。如图 321（a）所示，将物体 O 的光波波面记录在光敏材料 H 上，记录的结果称全息图，然后如图 321（b）所示，按一定条件用光照射这全息图，原先被记录的物体光波波面，就会在全息图 H 的右方再现出来。这时，H 左面的物体以及物体至全息图之间的光波面并不存在，但是 H
3、右方的“再现”波面，却和物体在原位发出的完全相同，这就相当于在“物”的原位再现了完全相同的三维“像” 。物体光波波面的记录物体光波与参考光波的干涉如图 3-2-1（a） ，物体 O 漫反射的光和参考光源 R 的光是相干光，它们在 xy 平面上的振幅分别为 a0(x,y), ar(x,y),相位分布为 0(x,y).r(x,y),也就是,复振幅分布为A0 = A0(x,y) = a0(x,y)expi 0(x,y).Ar = Ar(x,y) = ar(x,y)expi r(x,y).叠加后的合振幅分布为 A = A(x,y) = A0(x,y) + Ar(x,y),合振动的强度分布为I = I(
4、x,y) = | A(x,y)|2 = AA* ,式中的*表示共轭复数,所以I(x,y)= A0A0*+ArAr*+ A0*Ar+ A0 Ar*. (32-1)为了便于分析，这强度分布改写为I(x,y)=a02+ar2+2a0arcos(0-r). (32-2)由式(32-2)各项看出：a 02+ar2是 xy 平面上的平均光强。是“直流”项；2a 0arcos(0-r)是随坐标变化的波动项，是信息项，它包含了 O 光和 R 光的振幅信息和位相信息，它使光强度在 xy 平面上按坐标周期性地变化，即形成干涉条纹。当点物和点参考源位于无限远，即物光和参考光为平行光时，干涉条纹最简单，xy 平面上光
5、强的空间频率（某一物理量在单位长度上的周期数叫做它的空间频率）是单一方向的单一值。设二平面波对称入射，波长为 ，夹角为 ，则 xy 平面上光强的空间频率 N为N = 2sin(/2)/. （32-3）当物体有一定大小时，干涉条纹非常复杂，它是一系列强度不同、空间频率不大小和方向也不同的干涉条纹的叠加。从而构成一个空间频率谱,简称频谱。如果用光敏材料把上述光强分布线性地记录下来，这就记录了 O 光和 R 光的振幅和位相分布。（2）记录材料有多种记录介质，银盐乳胶干版仍是最常用的记录材料。负性干版的感光特性如图 3-2-2 所示。图中横坐标 E 是曝光量，纵坐标 T 是振幅透过率。曲线可以这样去测
6、定：用一束强度恒定的光，按不同的时间，如 1 秒、2 秒、4 秒、 、 、 、 、 、对干版不同的位置曝光，各相对曝光量 E 就是 1、2、4、 、 、 、 、 、干版经显、定影等处理后，再用一束强度稳定的光来测试透光情况，透过的光强可用光电池检测，通常光电流和光强成正比，设与入射光强和透射光强对应的光电流为 i0 和 I，则光强透过率为 i/i0。如果干版只会改变透射光的强度而不会影响光的位相，由于光强和振幅的平方成正比，所以振幅透过率 T=（i/i 0） 1/2。对原先曝光过的各个位置逐一测试后，就可以描出曲线。从曲线可以看出，在 E 不大的那一小段，可用方程T = T0+kE (32-4
7、)近似表示。式中 T0、k 是常数，k0 是负片。可见，振幅透过率和曝光量，在一定范围内存在线性关系。（3）记录全息图将上述干版 H 放在 xy 平面处 ,让它感光适当,即工作在线性区,经显影定影处理后,xy 平面上的光强分布 I(x,y)就转换成了干涉了干版上的振幅透过率分布 T(x,y).这样就完成了物体光波波面的记录,得到了物体的全息图.将式(32-1)中的 I 代替式(3-2-4)中的 E,整理后可得全息图的振幅透过率分布为T(x,y) = T0+k|A0|2+k|Ar|2+kA0Ar*+kA0*Ar. (3-2-5)但也可改写为T(x,y) = T0+ka02+kar2+2ka0ar
8、cos(0-r). (3-2-6)有着振幅透过率分布的全息图，一般情况下，就是一块刻纹方向不统一、刻纹密度各处不同、条纹极其复杂的衍射光栅。最简单的，就是由两个平面波的干涉条纹得到的全息图，也就是大家熟悉的密度均匀的直线刻纹光栅，实际使用的“全息光栅” ，它的刻纹密度可按式（3-2-3 ）进行设计、制作。 2、物体光波波面的再现。全息照相的第二步是由全息图再现物体的像。这里，像的再现可以不使用透镜等成像系统，全息图本身就有成像作用。当用与原参考光相同的再现光 Ar 照射全息图时，按式（3-2-5） ，透过全息图的在振幅分布为A（x,y）=TA r=T0+ k|A0|2+k|Ar|2 Ar+ k
9、|Ar|2A0+kAr2A0*=A1+A2+A3 .考虑到 H 上的 Ar比较均匀，各点的 A0差别较大，所以上式第一项 A1=T0+ k|A0|2+k|Ar|2 Ar 是衰减了的并略有失真的再现照明光 Ar 的波面，这是 Ar 透过全息图的零级衍射波。第二项 A2= k|Ar|2A0是透过全息图的 1 级衍射波，是一个衰减了的和原物体光波完全相同的波面，是物体光波的准确再现；虽然物体并不存在，这些光波却和物体仍在原位发出的完全一致。这也就是图（3-2-1b）所示的情况：H 右边的光波 A0和真实物体 O 存在时的情况完全一致，而 H 左边只有“虚有的物”O ；所以，O 是一个虚像，称为初始像
10、。通常说的再现，就是指获得初始像。第三项 A3= kAr2A0*是透过全息图和-1 级衍射波，它形成与初始像共轭、有所失真的实像。记录时如果物体和参考光源的连线垂直于干版，那么，上述 O 级、1 级、-1 级三个像在同一轴线上。这种全息图叫同轴全息图，它形成的三个像在观察时会互相干扰，这是同轴全息图的缺点。现在，通常使物体和参考光源的连线不垂直于干版，这就是利思等人首创的离轴全息图，它形成的三个像能很方便地互相分离。如果需要详细分析计算物像之间的几何关系，则请阅读有关参考文献。3、介绍几种全息图有许多种分类方法，这里介绍的，都是离轴全息图。在图 3-2-3 至 3-2-8 中，都用以下符号：被
11、摄物体 O，参考光 R，干版 H，镀膜式分束镜 B，棱镜式分束镜 P，反射镜 M，扩束镜 C，透镜 L、L 1 等，针孔 e，狭缝 S，漫射器G。傅立叶变换全息图当物体和参考点源都距感光干版无限远时，记录的全息图叫傅立叶变换全息图，实际拍摄时，可使幻灯片、文字片等半透明物体 O 位于变换透镜 L 的前焦面上，而且用平行光照射；参考光 R 为平行光（可将点光源位于透镜前焦面而获得平行光） ；感光干版位于 L 的后焦面上，图 3-2-3 是其中的一种拍摄光路，干版上记录的是物光的空间频谱。由于后焦面上物光频谱光强分布的强弱差别悬殊，为了能线性记录，干版可稍为离焦，使光斑大小适当，这种全息图由于尺寸
12、小（一个小光斑） ，可以高密度存储图书资料。菲涅耳全息图当物体到干版的距离较近时拍摄的全息图叫菲涅耳全息图。图 3-2-4 是其中的一种拍摄光路。像面全息图当物体（实际是通过成像系统所成的像）位于干版上或其附近时所拍摄的全息图叫像面全息图。图 3-2-5 是其中的一种拍摄光路。这种全息图可用白光再现，但不能分割。白光再现反射全息图它是利用后层乳胶干版记录，通过布拉格衍射效应来再现的，图 3-2-6（a）是记录时的情景，物体靠近干版，透过乳剂照到物体上的光，经物体漫反射后，在乳剂里跟入射光干涉形成驻波，在波腹处的薄层乳剂被感光，经显影定影处理后，形成一层层与记录介质表面平行的布拉格平面。图 3-
13、2-6（b）是再显的情景，白光以 掠射，衍射光应满足反射定律，相邻平面衍射的光还必须满足波长选择条件 dsin =(这叫选择反射，d 为布拉格平面的间距)，于是在 方位可观察到与波长 相应的颜色的像。彩虹全息图所谓彩虹全息图，是指当用白色照射再现时，随着观看角度的不同，再现像将呈现不同的颜色，有如彩虹。拍摄方法有二步法和一步法两种，图3-2-7 是透射式一步法彩虹全息图的拍摄光路。稍做改变，也可以摆成反射物体一步彩虹的记录光路。用白光再现。时，沿水平方向移动眼睛，可看到物体不同颜色的像。二次曝光全息图二次曝光法是全息干涉量度术的一种。在摄下物体第一状态的全息图后，干版等实验装置均保持不动，接着
14、又摄下物体在第二状态（比如受力产生微小形变）的全息图，经显定影等处理后进行再现。如果物体各点第二状态对第一状态有不同的位移，看到的再现表面就会有明暗相间的干涉条纹。确定某点暗条纹的级次 m 后，按式（3-2-7）2)1(cos21m就可以计算出该点的位移量 l。式中 1 是拍摄时该点的照明光线跟该点位移方向的夹角， 2 是再现时该点观测方向跟该点位移方向的夹角。如果是检查工件的损伤，比如汽车轮胎内部有裂缝，重现时损伤工件的条纹，跟无损工件的条纹就不同。图 3-2-8 是其中的一种实验光路，在第一次摄下物体O 的全息图后，用快门遮断光路，再轻轻旋动加压螺旋对物体 O 稍微加压，静待片刻后再第二次
15、摄下物体 O 的全息图，干版经显定影后，就成为而次曝光全息图。实验装置实验条件（1）选用相干性好的激光器，通常使用小型的或一米管长的氦氖激光器。基于光的干涉的全息照相，物光和参考光必须满足相干条件频率相同、电矢量振动方向相同、位相差恒定。由于物光和参考光从同一激光束中获得，满足了频率相同的要求。为了保证振动方向相同，当物光和参考光二光束夹角大时，最好使振动方向跟二光束轴线确定的平面垂直（可用检偏镜检查） 。要做到这点，在物体衍射的光振动面没有多大改变时，只需转动激光管使布儒斯特窗朝上；在有大的转变时，可在物体照明光路上插入起偏镜去调整。夹角较小时，振动面平行于二光束轴线平面也还能较好干涉。小型激光器振动面是随机的，故二光束夹角不宜过大，为了保证位相差恒定，激光的空间，时间相干性都要好，也就是要单横模，最好单纵模。对多纵模的 1 米管长激光器，最大光程差要小于 1/4 管长，最好零光程差附近。小型激光器的空间、时间相干性虽好，但功率较小，曝光时间长，更要注意光路系统的机械稳定性。（2）保证光路系统的机械稳定性。设干涉条纹的间距为 d，曝光期间，如果条纹移动d/2，就不可能记录条纹。因此，光路各元件自身以及元件跟防震平台的联结，要能稳定在任一状态，而且平台要惯量大隔震好，以确保条纹移动小于 d/2。（3）选用分辨率适当的干版。干版的分辨率应高于全息图的最大空间频率，空间频率和光束
