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1、全息照相技术 1948年，盖伯（ D. Gabor）为了提高电子显微镜的分辨本领，提出了一种无透镜的两 步光学成像法进行拍摄和再现，即为全息技术。 由于当时缺乏足够强的相干光源而未能实现， 直至 20世纪 60年代初激光器问世之后才得以真正实现，盖伯也因此在1971年获得了诺贝尔物 理学奖。 全息照相的基本原理是以波的干涉和衍射为基础的，是一种能够记录波的全部信息的 新技术，它完全不同于普通的照相成像技术，因此它适用于红外，微波，X光以及声波和超 声波等一切波动过程。现在全息技术已发展成为科学技术上一个崭新的领域，在精密计量， 无损检测，信息存储和处理，遥感技术及生物医学等方面获得了广泛的应用
2、。 一、实验目的 1. 学习掌握全息照相的基本原理和实验技术。 2. 初步掌握拍摄全息照片和再现信息的方法。 3. 了解全息照相技术的主要特点，并于普通照相进行比较。 4. 了解照相显影，定影，冲洗等暗室技术。 二、实验仪器 光学实验平台， He-Ne 激光器， 分束镜，反射镜， 扩束镜， 暗室处理器具及显影、定影、 漂白药剂，电吹风，全息干版，硬币等 三、实验仪器介绍 1. He-Ne 激光发射器 氦-氖激光器由激光电源和激光发射管构成，如 图 1 所示。一般来说， 氦氖激光器发出红色的光线， 其波长为 632.8nm。 本实验使用激光的主要目的是保证光源的相 干性。 2. 全息光学实验平台
3、 由于全息图记录的干涉条纹很细密，要求记录环境（包括全息平台）在曝光时间内，所 引起的条纹漂移不能超过1/4 条，为此要求平台有较好的抗震性能，防止平台的固有频率与 外界干扰的振动频率产生共振。平台为平整的大钢板，钢板下有减震材料，使全息平台具有 图 1 氦-氖激光器 减震性能。 3. 光学元件 本实验所需的主要光学元件如图2 所示。 1 分束镜 2，3 反射镜 4，5 扩束镜 6 白板（全息干版） 7 被摄物体（硬币） 分束镜。它可将入射光分成相干的两束光，透射光和反射光。用透过率表示分束性能，如 透过率为 70%，表示透射光与反射光分别占入射光强的70%与 30%。 平面反射镜。能根据需要
4、改变光束方向。 扩束镜。能扩大激光束的光斑。用放大倍数表示其扩束性能，如40X 和 100X 等。在相同 情况下，放大倍数越大，被扩束的光斑范围越大，光强越小。 光学元件调整架。光学元件调整架可以在平台上移动，上部用于固定光学元件，被固定的 光学元件可以获得上下，左右及俯仰六个方向的调节，下部借助磁力可以固定在平台钢板上。 软尺用来测量光程差。 接收屏。白屏 载物台。放置物体的小平台。 被摄物体。本实验选用硬币作为被拍摄物体。 4. 记录介质（底片） ： 要求有较高的分辨本领，一般要在l0003000 条线 /mm，其次是底 片处理后的透过率与曝光量成线性关系，以满足记录和再现的要求。常采用国
5、产I， 型全息干版。 5. 暗室冲洗设备：显影液，定影液，冲洗设备和材料。 三、实验原理 1. 全息照相与普通照相的主要区别 物体上各点发出的光或反射的光（简称物光波）是电磁波，借助于它们的频率，振幅和 12 3 4567 图 2光学元件 1234 5 67 相位信息的不同，人们可以区别物体的着色，明暗，形状和远近。普通照相是运用几何光学 中透镜成像的原理，把被拍摄物体成像在一张感光底片上，冲洗后就得到了一张记录物体表 面光强（光振动振幅的平方）分布的平面图像， 像的亮暗和物体表面反射光的强弱完全对应， 但是无法记录光振动的相位，这说明普通照相仅仅记录了物光波中的振幅信息，不能反映出 物光光波
6、中的位相信息，所以普通照相没有立体感，它得到的只能是物体的一个平面像。所 谓全息照相， 它采用无透镜成像方法，利用光的干涉原理能够把被拍摄物体的物光波全部信 息振幅和相位，都记录下来； 并能够完全再现被摄物的全部信息，从而再现形象逼真的 物体立体像。全息照相的过程分两步：记录和再现。 2光的干涉全息记录的获得 全息照相是一种干涉技术，为了能清晰地记录干涉条纹，因此要求记录的光源必须是相 干性能很好的激光光源。图3 是拍摄全息照片的光路图。 图 3 拍摄全息照片的光路图 由激光器发出的激光束，通过分束镜分成两束相干的透射光和反射光：一束光经反射镜 反射， 扩束镜透射扩束后照射到被拍摄物体上，再从
7、物体投向照相底片上，这部分光称为物 光。一束光经另一路反射镜反射，扩束镜透射扩束直接照射到底片上，称为参考光。由于同 一束激光分成的两束光具有高度的时间相干性和空间相干性，在照相底片上相遇后，产生干 涉形成干涉条纹。 由于被摄物体发出的物光波是不规则的，这种复杂的物光光波是由无数的 球面波叠加而成的，因此， 在全息底片上记录的干涉图样是一个无规则的干涉条纹，是一个 由无数组干涉条纹形成的集合，最终形成一个肉眼不能识别的全息图。 在全息照相中， 采用了一种将相位关系转换成相应振幅关系的方法，把相位关系以干涉 条纹明暗变化的形式记录在全息底片上。干涉条纹上各点的明暗主要取决于两相干光波在该 点的相
8、位关系（与两光波的振幅也有关）。干涉条纹的明暗对比度（即反差）决定于物光和 参考光的振幅， 即条纹的反差包含有物光光波的振幅信息。在全息照相中， 无规则的干涉条 纹的间距是由参考光与物光波投射到照相底片时二者之间的夹角决定的，夹角大的地方条纹 细密，夹角小的地方条纹稀疏。 总之， 全息照相的记录过程就是利用干涉现象把每个物点光波的振幅和相位信息转换成 强度的函数，在记录介质（全息干版）上以干涉图样的形式记录下来。物光波中的振幅和相 位信息以干涉条纹的反差和明暗变化的形式记录下来，物光波的方向以条纹的间距和走向记 录下来，所以，物光波的全部信息均以干涉条纹的形式记录下来。感光以后的全息底片，经
9、显影，定影等处理就得到全息照片。 3光的衍射全息照相的再现 全息图上只有密密麻麻的干涉条纹，而且干涉条纹的疏密，取向， 强弱和反差都是随机 的，在它上面看不到像普通照片那样有拍摄物体的像，只有在高倍显微镜下可看到浓淡，疏 密，走向不同的干涉条纹。所以，一张全息图片相当于一块复杂的“衍射光栅 “，而物象再现 的过程就是光的衍射过程。一般是用相同于拍摄时的激光作照明光，并以一束特定方向或与 原参考光方向相同的激光照射全息图片，就能在全息图片“衍射光栅 “的衍射光波中得到一 列零级衍射光波和两列一级衍射光波，如图4 所示。 图 4 全息照片的成像 零级衍射光：具有再现光的相位特性，其方向与再现光相同
10、。 +1 级衍射波：发散光，物光光波相同的衍射波，具有原始物光波的一切特性，可以观 察到与原物体完全相同的再现虚像。 -1 级衍射波：汇聚光，共轭物波有与原物共轭的相位，说明它代表一个实像，即在虚 像的相反一侧会聚成一个实像。 最简单的再现方法是按原参考光的方向照射全息图片。如光路图3 示，把拍好的全息照 片放回底片架上，遮挡住光路中照到物体的那一束光（转动其反射镜或其他办法），移走光 路中的被拍物体，只让参考光照在全息图片上。这样在拍摄物体方向可看到物的虚像，在全 息照片另一侧有一与虚像共轭的对称实像（不易观察到）。 4全息记录的主要特征 （1） 立体感强。全息照相记录的是物体光波的全部信息
11、，所以，通过全息照片所看到的虚 像是逼真的三维物体，立体感强， 看上去好像实物就在眼前。如果从不同角度观察全息图的 再现虚像， 就像通过窗户看室外景物一样，可以看到物体的不同侧面，有视差效应和景深感。 这一特点使全息照相在立体显示方面得到广泛的应用。 （2） 具有可分割性。 因为全息照片上每一点都有可能接收到物体各点来的散射光，即记录 来自物体各点的物光光波信息。反过来说， 物体上每一点的散射光都可照射到全息底片的各 个点， 所以把全息照片分成许多小块，其中每一小块都可以再现整个物体，即使将底片摔碎 了，任一碎片仍能再现出完整的物像。但面积越小，再现效果越差。这一特点使全息照相在 信息存储方面
12、开拓了应用的领域。 （3） 同一张全息底片可重叠多个全息图。具有可多次曝光的特性，在一次全息照相曝光后， 只要稍微改变感光胶片的方位（或物光波或参考光的方向），就可以进行第二次，第三次曝 光，记录不同的被摄物而不发生重叠。并且再现时， 只要适当转动底片即可获得互不干扰的 物像。例如，对于不同的景物，采用不同角度的参考光束，则相应的各种景物的再现像就出 现在不同的衍射方向上，每一再现的像可不受其他再现像的干扰而显示出来。如果参考光不 变，而使物体变化前后的两个物光波分别与参考光干涉，并先后记录在同一张全息干版上， 再现时就能通过全息图的观察，得到物体变化的信息，但重叠次数不宜多。这种两次曝光法
13、是广泛应用的全息干涉计量的主要方法。 四、实验内容 1. 全息记录 （1）按图 3 的示意图布置光路，调节激光束与各个光学元件中心平行。拍摄实例如图5 所 示。 图 5 全息照片拍摄实例图 调节分束镜的角度和两个反射镜的位置，使光路 1 和光路 2 之间的光程大致相等。 另外， 光路 1 和光路 2 之间的夹角宜在30o至 45o的范围之内。 （2）布置好光路后，在黑暗条件下进行曝光，曝光时间20 秒。 （3）曝光后，进行暗室操作，主要包括显影（20秒） ，定影（1分钟）和漂白（约15 分钟） 。漂白以后进行水洗并用电吹风吹干。 2. 全息图像的观察 （1）将拍摄好的全息照片放置于原光路中，将
14、物光光路移走，用参考光照射全息干版。 （2）逆着光和顺着光路从全息照片中观测硬币的像，并记录观察到的现象。 五、实验注意事项 1. 请勿用手触摸光学镜面。 2. 不得直视未经扩束或散射的激光细束。 3. 激光电源开启后，电压高达数千伏，切勿触及输出端 4. 拍摄前几分钟及整个曝光时间内，人员必须离开全息台并保持静止和安静，以防止 震动，确保全息照相在稳定状态下进行。 六、思考题 1. 全息照相有哪些特点简要说明全息照相与普通照相的根本区别。 2. 简述全息照相的拍摄条件。拍摄前应如何布置光路？布置光路时要注意哪些条件？ 3. 拍好的全息照片如何再现，对再现光有何要求？ 4. 为什么全息记录时要求参考光和物光的夹角较小？要求参考光和物光的光程差尽量 小？ 5. 设计光路时选用分束镜与扩束镜的原则是什么？为什么全息记录时理论上要求让参 考光比物光强许多？实验中又总是让分束镜分出的较强光束进入物光光路，两者矛盾吗？光 路基本摆好后，移动哪一种元件既不影响光程差和夹角又能改变光强比？ 6. 用两个相同的激光器发出的激光分别作参考光和物光，能否制作出全息图？ 7. 为什么全息照片的每一碎片都能再现整个物体的像？