实验讲义_激光全息照相

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1、实验7激光全息照相【实验目的】1了解全息照相的基本原理。2学习并掌握全息照相的基本实验技术。【实验原理】英国物理学家伽柏(D.Gabor)在1947年,并非从三维成像(three dimensional imaging) 的目的出发，而是为了提高电子显微镜(electron microscope)的分辨率，发明了全息术 (holography)。他提出用物体衍射的电子波制作全息图(hologram)，然后用可见光 (visible light)照明全息图来得到放大的物体像。由于省去了电子显微镜物镜(objective), 这种无透镜两步成像过程可期望获得更高的分辨率(resolution),伽

2、柏用可见光验证了这 一原理。全息术的思想渊源来自波动光学(wave optics),全息术的发展，不仅有赖于激光 (laser)的出现，还有赖于其它方面的贡献。伽柏曾经说过“在进行这项研究时，我站 在两个伟大的物理学家的肩膀上，他们是布喇格 W.L.Bragg)和采尼克(F.Zernike)。” 这就是说，伽柏全息思想的萌生受到他们的启发。在发明全息术的前几年，伽柏看过布 喇格的“X射线显微镜(X-ray microscope)”(布喇格采用两次衍射使晶格的像重现) 并注意到如若采用布喇格的方法还不足以记录傅里叶变换的全部信息。为了解决相位记 录的问题，伽柏想到了采尼克在研究透镜像差(lens

3、 aberration)时使用过的“相干背景”， 即用“相干背景”作为参考波(reference wave)，那么参考波与衍射波(diffraction wave) (物波(object wave)相互干涉，用照相底片记录干涉图样(interference pattern)，便 得到包含相位(phase)信息在内的干涉图样，此即全息图。在全息图上，两个波相位相 同处产生极大，相反处产生极小，当用参考光照明全息图时可重建物波波前wave front)。 由于前人未掌握波前重建，故直到1947年全息术的思想才在伽柏的脑子里萌生。在最初 的实验里，由于所用的光源(light source)很弱、且相

4、干长度(coherent length)小，必 须把每一实验器件都布置在同一轴线上(称之为同轴全息实验)，这样不可避免的受到孪 生像(共轭像(conjugate images)的干扰，使再现的图象不大理想，尽管如此，伽柏的 实验首次实现了全息记录和重建波前，因而，标志着全息术的开端。由于当时没有理想的相干光源(coherent source)，受到伽柏同轴全息孪生像的困扰， 有成效的工作很少。到了1962年左右发明了激光，美国人利思(E.N.Leith)和厄泊特尼 可斯(J.Upatnicks)的第一个激光全息照片以及其后的全息图的发表，马上引起巨大的 轰动，他们的工作清晰的表明全息图的大存储

5、量。此外，苏联物理学家丹尼苏克，把伽 柏全息术与李普曼(GLippmann)自然彩色照像技术结合在一起，于1962年提出了一种 体积反射再现波前原理，也就是反射全息术(eflection holography)，为白光全息的发展 打下了基础。由于全息术的发明，1971年伽柏荣获诺贝尔物理学奖。在获奖时他说道：“我深深懂得，这是一支年轻的、有才干的和热诚的研究队伍所完成的我希望向他们表达我 的真挚的谢意，感谢他们的工作帮助我得到这个最高的科学荣誉”。如今，全息术已发展 成一门用途很广的一门学科了，相继出现了多种全息方法，开辟了全息应用的新领域， 全息术不仅可用于可见光波段，也可用于电子波elec

6、tron wave)、X射线(X-ray)、微 波(microwave)和声波(sound wave)等。人的眼睛可以看到一个物体，是由于物体所发出的光波(自发光或反射光)携带着 物体所包含的信息传播到眼睛，由眼睛在视网膜上成像所致。光信息1 ight information) 包含光波的波长(wavelength)、振幅(amplitude)和相位(phase),它们决定了所看见 物体的特征(颜色、亮暗、远近和形状)。只要能够记录并再现该特定的光波，即就是物 体不存在，但人眼看到再现的特定光波，就如同看到逼真的物体一样。记录与再现光波 的这一过程就是光学全息术要解决的问题。1.全息照相(ho

7、lograph)的基本过程普通照相利用透镜将物体成像在底片上，它只记录了物体的光强(ight intensity) 信息，而并未记录反映物体之间相对位置、远近的相位信息，所以看到的相片没有立体 感。全息照相把物体的光强和相位信息全部记录，因而得到的是立体像。全息术利用干涉原理，将物体发射的特定光波以干涉条纹(interference fringe)的形 式记录下来。由光的干涉原理可知，所形成的干涉条纹与物光波的振幅和相位有关，所 以记录干涉条纹就记录了物光波的全部信息，这就是“全息图”。用光波照明全息图，在 一定条件下，由于衍射效应(diffraction effect)，可使记录的物体特定光

8、波再现，该光波 将产生包含物体全部信息的三维像。为了说明全息术的基本原理，先看一个最简单的例子。在图7-1(a)中，光波1和2 是相干的两束平行光(parallel light)，它们在相遇区域产生干涉，形成等间距的干涉条 纹，条纹取向垂直于1、2 两光束构成的平面(即垂直于纸面)。 P 是照相底片，曝光后 经过显影、定影处理，则底片就是透光、不透光的条纹，这就是一个光栅(rating)，其 光栅常数(grating constant)(干涉条纹间距)为d =(7-1)sin 0将该光栅放回原处，用1光照射，如图7-1(b)所示，光栅衍射方程为d - sin7-2)比较(7-1)、(7-2)两

9、式，k=1的+1级衍射光在(b=0方向。所以看到的衍射光2就如同看 到原光束2 一样。图7-1(a)是对2光的记录，图7-1(b)是对2光的再现。把1光称为参 考光，2光称为物光。而-1级衍射光在=-e方向，对应的把2称为共轭光波，而把2 称为原始光波。图 7-1 所示的过程就是拍摄全息光栅的基本原理。在一般光栅衍射实验中，所用衍 射光栅就是这样制作的，不过为了提高衍射效率，进行了漂白处理。从以上分析可以看出，全息术分为波前记录与波前再现两个过程。(1)波前记录光的干涉(interference of light)ss如图 7-2 所示,参考光(reference light) R 为点光源(

10、point light source),物光(object light) O来自物体表面的散射(scattering)，这时参考光的波阵面(wave front)是球面， 而物光的波阵面非常复杂。所以，O光与R光在干板P上不同位置产生的干涉条纹的取 向、间距也是各种各样的。曝光后对全息干板显影、水洗、定影、水洗、晾干，就是一 张拍好的全息图，它并没有物体的影像，只是各种复杂的干涉条纹。(2)波前再如图7-3所示，把拍女原参考光照明。(相当于图7-1(b)的衍射(di ffraction of light) 的全息图放回记录光路原处，去 经全息图衍射后，产生两个衍射光波，其一是物光O,形成原始

11、中的+1级)，其二是物体的共轭光，形成共轭实像(相当于图7-1(b)中轭实像级)。必须 说明，共轭光波形成虚像(录tual image)还是形成实像-e波l前再现e)与具体的拍摄光路 密切相关。2拍好全息图的几个关键技术条件(1) 相干光源(coherent source)物光和参考光必须是相干光，所以用相干性(coherence)很强的激光作光源。同时， 利用分束镜(spectroscope)把激光器发出的光分成两束，一束作为物光，一束作为参考 光，并使其光程(optical path)相等。本实验用输出波长为632.8nm的He-Ne激光器作 光源。(2) 隔振平台 物光和参考光形成的干涉

12、条纹必须是稳定不变的，所以，物光和参考光必须稳定， 且相对位置不变。为了避免曝光时(曝光时间几秒几十秒)各元件受外界干扰而振动， 从而影响干涉条纹分布，所有光学元件放置在一块隔振的钢板平台上，并用磁铁使各元 件与平台吸附在一起。(3) 物光、参考光的强度(intensity) 从干涉理论可知，当物光与参考光在干板处强度相等时，干涉条纹的对比度最好。而实际上，参考光直射干板，而物光经过物体表面散射到干板，散射光强与物体表面的 反射率(reflectivity)有关，因而，很难使物光与参考光的强度相等。同时全息照相不仅 考虑记录时干涉条纹的对比度，还要兼顾再现时的衍射效率，所以一般使物光与参考光

13、的光强比为1:4到1:10。具体测量方法是把光电池(photoelectric cell)放在干板平面处， 其输出线接至复射式灵敏电流计(galvanometer),分别测量物光和参考光照射光电池时 灵敏电流计偏转的格数，则格数之比就是光强比。(4) 全息记录干板 普通照相底片是易变形的软片，而全息记录干板是表面涂有一层感光乳胶的玻璃，这是由于玻璃有一定刚度，不会变形弯曲。对不同波长的激光，用不同型号的感光乳胶。 从式(7-1)可以看出，物光与参考光夹角越大，形成的干涉条纹越密。所以，任何型号 的全息干板均要求具有非常高的分辨率(根据(7-1)式，0 =30o,尢=632.8nm, d=1.2

14、7 X10-6m)，即感光乳胶的银盐颗粒很细，但银盐颗粒越细相应感光速度越慢。实验所用全息I型干板的感光波长范围是530700nm,敏感峰值(peak value)波 长为630nm。它对He-Ne激光最灵敏，对绿光不敏感，所以，显影时可在绿灯下观察。 【实验仪器】He-Ne激光器，全息平台及其光学附件，光电池及复射式灵敏电流计，电磁快门， 洗相设备。【实验内容与方法提示】本实验的关键是如何拍到一张较高质量的全息图，理解并掌握拍摄的技术要点。1. 实验光路。拍摄全息图的光路如图7-4所示。2光路调节光路调节是本实验的重要内容，也是拍好全息图的关键。首先了解各仪器的结构与 功能，熟练掌握其使用与

15、调节方法。并在干板架上插入白屏（用以接收光），然后按图 7-4在全息平台上布置光路。光路调节要点：（1）激光器发出的光线及经过全反镜dotal mirror）、分束镜反射后的光线构成的平 面应与平台平面平行。具体作法是，在一磁座上插入带有十字刻线的白屏（也可利用扩束镜的通光小孔，） 首先调节激光器的俯仰，使十字屏在平台上移动到不同位置时，细激光束始终照在十字 中心，说明激光器出射的细光束与平台平行（这一步实验室已经调节好）。然后，按图布 置各元件（先不要放置扩束镜，且各元件合理分布在平台的较大范围，不要挤在一块。 分束镜反射的光作为参考光，其透射光（transmission light）作物光

16、）。调节分束镜、反 射镜的高低、俯仰，使它们反射的细激光束均照在白屏的十字中心，这样，细激光束构 成的平面与全息平台平行。调节物体的高低，使细激光束照在物的中心。（2）参考光与物光中心线的夹角 约为20o30。左右。物离干板在1020cm为宜， 太远则物光太弱。M反射的细激光束尽量照在物的正面，且尽量使干板平面正对物的正 面（如同一般照相时，灯光从人的正前方照射，照相机也在人的正面拍摄一样。）（3）为了保证物光和参考光相干，用分束镜将一束光分为两部分，它们经过不同的 路径在干板平面相遇干涉，但必须保证物光光程与参考光光程相等。物光与参考光的起 点是分束镜，终点是干板平面。实验中用线绳测量判断两光光程是否相等。（4）细激光束直射在物中心和白屏中心，最后加入扩束镜,人扩束的光把物均匀照 亮，l2扩束的光把白屏均匀照亮。然后去掉白屏，