2-实验五 激光全息照相

实验五激光全息照相

普通照相记录下来的是物体光波的强度，不能记录相位，因而丢失了物体纵深方向的信息，照片看起来没有立体感。1948年英国科学家盖伯（D. Gabor）在研究电子显微镜的分辨率时，采用了一种两步无透镜成像法，可以提高电子显微镜的分辨本领。他提出的方法，利用了光的干涉原理来记录物光波并利用光的衍射原理来再现物光波，这种方法可以同时记录下物体光波的振幅和相位，这是全息照相的基本原理，为此他在1971年获得诺贝尔物理学奖。

“全息”来自希腊字“holo”，含义是“完全的信息”，即包含光波中的振幅和相位信息。利用激光全息照相得到的全息图，图上的任何一块小区域都能重现整个物体的像。激光全息照相在流场显示、无损探伤、全息干涉计量和制作全息光学元件等领域有着广泛的应用。

一、实验目的

1．加深理解激光全息照相的基本原理；

2．初步掌握拍摄全息照片和观察物体再现像的方法；

3．了解全息照相技术的主要特点，并与普通照相进行比较；

4．了解显影、定影、漂白等暗室冲洗技术。

二、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（或反射）的光（简称物光波）是电磁波，借助它们的频率、振幅和相位信息的不同，人们可以区别物体的颜色、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，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，是指利用光的干涉原理把被拍摄物体的全部信息——物光波的振幅和相位，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。全息照相的数学描述见本实验附录A。

2．光的干涉——全息记录

全息照相是一种干涉技术，为了能够清晰地记录干涉条纹，要求记录的光源必须是相干性能很好的激光光源。图1是拍摄全息照片的光路示意图。

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M1反射，再经扩束镜L1扩束后照射到被拍摄物体上，然后从物体投向全息底片H上，这部分光称为物光。另一束光经反射镜M2反射，再经扩束镜L2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，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些无规则的干涉条纹，这就是全息图。

图1 拍摄全息照片的光路示意图

全息照相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。物光波的全部信息以干涉条纹的形式记录在全息底片上，经显影、定影等处理就得到全息照片。

3．光的衍射——全息照相的再现

全息图上看不到如普通照片那样的拍摄物体的像，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”，而物像再现的过程就是光的衍射过程。一般采用拍摄时所用的激光作为照明光，并以特定方向或与原参考光相同的方向照射全息图片，就能在全息图片的衍射光波中得到0级衍射光波和±1级衍射光波（如图2所示）。

0级衍射光：具有再现光的相位特性，其方向与再现光

相同。

+1级衍射波：发散光，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：会聚光，具有与原物光波共轭的相位，在

虚像的相反一侧观察到实像。

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26-2所示，把拍好的全息照片放回底片架上，

遮挡住光路中的物光（转动其反射镜M 1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个与虚像共轭的对称实像。

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，因此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，即使将底片打碎了，任意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开拓了应用领域。

图26-2 物像再现示意图

（3）全息照片的再现可放大和缩小。用不同波长的激光照射全息照片，由于与拍摄时所用激光的波长不同，再现的物像就会发生放大或缩小。

（4）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底片上，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。这种两次曝光法是广泛应用的全息干涉计量的主要方法。

5．全息照相的拍摄条件

（1）对光源的要求。必须使用具有高度空间和时间相干性的光源，并要有足够的功率，使用要方便。常用的小型He-Ne激光器，其输出功率为1～2 mW，可用来拍摄较小的漫反射物体。（2）对系统稳定性的要求。如果在曝光过程中，干涉条纹的移动超过半个条纹宽度，干涉条纹就记录不清；如果小于半个条纹宽度，全息图像有时仍可形成，但质量会受到影响。所以，记录的干涉条纹越密（物光和参考光夹角越大）或曝光时间越长，对稳定性的要求就越高，为此，需要有一个刚性和隔振性能都良好的工作台，系统中所有光学元件和支架都要使用磁性座牢固地吸在台面钢板上，以保证各元件之间没有相对移动。曝光过程中不可高声谈话，不要走动，以保证实验的顺利进行。

（3）对光路的要求。从分束镜开始，激光束被分成参考光和物光，最后在全息底片上相遇。实验中，参考光和物光之间的光程差、夹角、光强比都有一定的要求：①光程差要尽量小，一般不超过10 cm。②物光和参考光投射到全息底片上的夹角要适当（一般选取30°～50°）。夹角小一些，可以减低对系统的稳定性及底片分辨率的要求；③强度比要合适，一般选择参考光与物光在全息底片上的强度比在4:1～10:1之间。这时，全息图将有比较大的反差，再现的图像会有比较好的效果。

（4）对全息底片的要求。要获得优良的全息图，一定要有合适的记录介质。目前使用的I 型全息底片，分辨率可达3000条/mm左右，能满足一般的拍摄要求，但使用时，物光和参考光的夹角以小于30°～50°为宜。I型全息底片专门用于He-Ne激光（波长为632.8 nm），对绿光不敏感，可在暗绿灯下操作。

三、预习准备

（1）预备问题

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．为什么全息记录时要求参考光和物光之间的夹角比较小？为什么要求参考光和物光的光程差尽量小？

3．全息记录时理论上要求参考光与物光的光强比选择为4:1～10:1之间，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？

（2）实验仪器

He-Ne激光器（波长为632.8 nm），全息平台，光学元件，显影液，定影液，暗室冲洗设备。

光学元件含有：（1）分束镜P（如图26-1所示）：它可以将入射光分成两束相干的透射光和反射光。用透过率表示分束性能，如透过率为95%，表示透射光与反射光分别占入射光强的95%与5%。（2）平面反射镜M1、M2：能根据需要改变光束方向。（3）扩束镜L1、L2：能扩大激光束的光斑。用放大倍数表示其扩束性能，如25×和60×等。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。（4）光学元件调整架：用于固定光学元件，被固定的光学元件可以获得上下、左右及俯仰等方向的调节。整个调整架能够在平台上移动，借助磁吸力也可以被固定在平台钢板上。（5）全息底片H：用于记录干涉图样。常选用分辨率为3000条/mm的天津I型，可以在暗室里用玻璃刀将底片裁成约4 cm × 6 cm的大小。（6）接收屏：白屏。（7）载物台：放置物体的小平台。（8）被摄物体O：选用反光好的玻璃或陶瓷小工艺品。（9）定时快门：控制曝光时间。

四、实验内容及步骤

1．设计布置全息光路：调整全息记录平面上的物光与参考光的夹角、光强比，调整物光光程、参考光光程，满足全息光源相干长度的要求。

2．拍摄全息图（记录物光波和参考光波的干涉条纹）。

3．将底片进行显影、定影、漂白等处理后漂洗凉干即成全息照片。

4．物像再现、观察并记录实验现象。

①激光照射全息底片的乳胶面，尽可能使光照方向与原来的参考光束方向一致。从照片反面观察物像。物像的位置与原物位置是什么关系？

②改变观察角度，物像有什么变化？为什么全息照相能观察到立体图像，而普通照相只能看到平面图像？

③移去激光器的扩束镜，使激光束只照射在照片的很小一部分上，观察物像。为什么仍能看到整个物像，而不是只看到像的一个局部？如果打碎全息片，用激光照射其中任意一块碎片，能否看到整个物像？这和普通照片有什么不同？

④把全息片的正反面翻转，使乳胶面向着观察者，用不扩束的激光束照射，再用毛玻璃在全息片后面（观察者一侧）移动，接收并观察实像。

5．对以上观察结果做出合理解释。

五、注意事项

1．眼睛不能直接对着激光观察。观察光斑时应将激光束照射在白屏上。

2．光学元件的光学表面应保持清洁，切勿用手、布片、纸片等擦拭。

3．拍摄前几分钟及整个曝光时间内，操作人员必须离开全息台并保持静止，确保全息照相在稳定状态下进行。

六、思考题

1．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？

2．用两个相同的激光器发出的激光分别作为参考光和物光，能否制作出全息图？为什么？如果再现时换一种波长的光源，能否看到再现像？如果可以，将有何变化？

3．为什么全息照片的每一碎片都能再现整个物体的像？

4．为什么用He-Ne激光拍摄的全息照片可以在暗绿色灯下进行暗室处理?

七、参考文献

[1]吕乃光．傅里叶光学（第2版）．北京：机械工业出版社，2006．

[2]杨述武．普通物理实验（二、电磁学部分）．北京：高等教育出版社，2000．

【附录A】全息照相的数学描述

1．全息记录的光强分布

激光照射物体后的物光波的表达式为

[]O O O exp j()u A t ?ω=+

（1） 式中，A O 为物光波的空间振幅，φO 为物光波的空间相位，ωt 为物光波传播时的瞬时相位。

参考光波的表达式为

[]R R R exp j()u A t ?ω=+

（2）

式中，A R 为参考波的空间振幅，φR 为参考波的空间相位。 当u O 与u R 在照相底片平面(x , y )上相遇时，由于激光的相干性而产生干涉，干涉条纹的强度I (x , y )为 [][]

22O R O R O R O R O R 22O R O R O R (,)exp j()exp j()cos()I x y A A A A A A A A A A ??????=++-+--=++- （3）

式中，第一项是物光波光强，第二项是参考光光强。如果让规则的参考光比物光波强许多，那么此两项在记录平面上将构成较为均匀的背景。第三项是干涉项，包含着物光波的振幅A O 和位相O ?的全部信息。其

中A O A R 因子与22O R

A A +的比值决定了(x , y )点附近干涉条纹的明暗对比度。cos(?O - ?R )因子则决定了(x , y )点附近干涉条纹的分布状况。因此底片上记录下来的光强分布包含着物光波的振幅和位相全部信息。

2．全息再现

怎样才能从全息图上取出物光波信息呢？由于全息图上记录的是干涉条纹，可以视为一个复杂的衍射光栅，而透过光栅的衍射光波的振幅、相位与光栅图样有关。也就是说，透过全息图的衍射光携带着物光波的振幅与相位信息。由照相技术知道，如曝光和显影恰当，底片的光波透过率T (x , y )与曝光时的光强I (x , y )呈线性关系，即

0(,)(,)T x y T I x y β=+?

（4）

式中，T 0为照相底片的灰雾度，β为曝光曲线上线性区的斜率，I (x , y )为全息图上的光强分布。 将式（3）代入式（4），得透射光波为

[][]220O O R O R O R O R (,)()exp j()exp(j)()R T x y T A A A A A A βββ??β??=+?+?+?++?-- 式中，第一、二项不含物光波相位信息，沿再现光方向传播，为0级衍射光；第三项正比于物光波，好像从被拍摄物发出，是+1级衍射光，可再现与物体完全逼真的三维立体虚像；第四项包含着物光波的共轭光，是-1级衍射光，在一定条件下会形成一个畸变的与实物的凸凹相反的共轭实像。综上所述，应用光的衍射原理，可再现物光的全部信息，还原出物体的三维立体图像。