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1、漫反射全息照相引言全息照相，就是利用干涉方法将自物体发出光的振幅和位相信息同时完全地记录在感光材料上，所得的光干 涉图样在经光化学处理后就成为全息图，当按照所需要的光照明此全息图，能使原先记录的物体光波的波前重现。 这是六十年代发展起来的一种新的照相技术，是激光的一种重要的应用。全息照相是伽博（D.Gabor）于1948年研究成功的（他由此获得1971年诺贝尔物理学奖），由于当时还没有相干 性好的光源，所以全息照相在那以后的十年间没有什么大发展。到了六十年代初，由于激光的发明，在大量新型 相干性极好的激光光源的帮助和一些技术进展的扩充下，全息照相不久便成为一门得到广泛研究并有远大前景的 课题，
2、这次复兴发源于美国密执安大学的雷达实验室，是以利思（E.N.Leith）和乌帕特（J. Upatnieks）的工作为 标志。他们于1962年发表了划时代的全息术研究成果，他们成功地得到了物体的立体重现像。全息图最惊人的 特征、同时也必定是它最引人兴趣的地方就在于它产生极为逼真的三维幻觉的本领。这种完全逼真的性质无疑大 大地推动了全息术的发展。一、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。二、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
3、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一一位相信息，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。Fig. 1全息图记录Fig. 2全息图虚像的观察全息照 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，如图
4、1。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，如图2。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)：(1)
5、(2)O(x, y) = Oo (x, y) exp j甲。(x, y)R(x, y) = R。(x, y) exp j甲r (x, y)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:I (x, y) = |O( x, y) + R( x, y )|2=|O(x, y)|2 + R(x, y)|2+ O(x, y)R * (x, y) + O * (x, y)R(x, y)若全息干板的曝光和冲洗都控制在振幅透过率r随曝光量E E=(光强)X(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)=t+I(x,y)这就(
6、x,示：其中to为底片的灰雾度，B为比例常数，对于负片乃0, 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y)点处该光波的复振幅为Po(x, y)，于是该光波用下式表P(x, y) = P。(x, y) exp加 c (x, y)(4)则透过全息图的光波在x-y平面上的复振幅分布为：D( x, y) = P( x, y)t (x, y) = tPrx, y) + pP( x, y)I (x, =tP( x, y) + pP( x, y) O(x, y)|2 + |R(x, y)|2 + PP( x, y)O( x, y)R* (x, y)+ PP( x, y)O* (x,
7、 y)R( x, y)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：D3 (x, y) = P。R。2 exp j。(x, y)(6)R2( 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，如用眼睛接收到这样的光波，就会看到原来的“物”一一原始像。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，D4 (x, y) = pOo R。2 ex
8、p-j甲。(x, y)(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 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：(8)式中。为物光和参考光之间的夹角，可见夹角。越大，干涉
9、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
10、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的光透射率的变化，即成了全息图。Fig. 4 Fresnel全息图拍摄实验光路录介 条 匀的 参考 是物 率。50 三、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 质位于物光波的Fresnel衍射区。注意到拍好全息图的基本 件，要使物光程近似等于参考光程，所拍摄的物体
11、应有均 激光照明，且有较高的漫反射率，在全息干板处物光强与 光强之比可控制在1:31:5。拍摄全息图的另一个重要因素 光束与参考光束的几何排列，这影响到全息图的空间分辨 因此，入射到记录底片上的两束光之间的夹角9应取在20 之间如图（4）所示。2. 光路元件（1） LaserHN-T3氦氖激光器全息I型（氦、氖激光）632.8nm波长;（2） ShShutter 光快门；（3） BSBeamsplitter光束分束器（4） M,M2，M3Mirrors 反射镜组；（5）BE,BE2Beamexpanders 光束扩束器组；（6） OObject 物体；（7） HHologram全息干板。附有防
12、振平台、三维可调镜座、卷尺、冲洗系统、底片架。四、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35分钟的“静台”）后再进行曝光，曝光时间由物光的强弱而定。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
13、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
14、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。五、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？六、参考文献1. 毋国光等编光学11-5, p405；2. 黄献烈编信息光学导论4-1，p88；3. 美杨振寰著（毋国光等译）光学信息处理，10-1，p412；4. 美W.E.科克著（李崇桂译）激光与全息照相1-4和5-1；5. 美H.M.Smith著（物理所译）全息光学原理2-1和3-2，6-1；6. 日边内顺平等编光学信息处理，6-2, p304；7. 王永昭编光学全息1-2和4-1。
