光学全息
光学全息实验报告
光学全息实验报告光学全息实验报告引言：光学全息是一种利用光的干涉和衍射原理记录并再现物体的三维形态的技术。
本实验旨在通过实际操作，深入理解光学全息的原理和应用，并通过实验结果验证理论模型的正确性。
一、实验目的本实验的主要目的是通过搭建光学全息实验装置，观察并记录物体的全息图像，并对全息图像进行分析和解读，以加深对光学全息原理的理解。
二、实验装置本实验所用的光学全息装置主要包括激光器、分束器、物体台、参考光源、全息板等。
其中，激光器用于产生单色、相干的光源；分束器用于将激光光束分为物体光和参考光；物体台用于放置待记录的物体；参考光源用于提供参考光束；全息板用于记录光的干涉和衍射信息。
三、实验步骤1. 准备工作：调整激光器、分束器和参考光源，使其正常工作并保持稳定的光源；2. 调整物体台和全息板的位置，使其与光路保持垂直；3. 将待记录的物体放置在物体台上，并调整物体的位置和角度，以获得清晰的全息图像；4. 调整全息板的位置和角度，使其与物体和光路保持一定的相对位置和角度；5. 打开激光器，使光束照射到物体上，同时参考光束照射到全息板上；6. 关闭激光器，取下全息板，并用显影液进行显影处理；7. 将显影后的全息板放置在光路中，观察并记录全息图像。
四、实验结果与分析通过本实验，我们成功记录了多个物体的全息图像，并对其进行了分析和解读。
在观察全息图像时，我们发现全息图像具有非常强的立体感，能够清晰地显示物体的三维形态和细节。
而且，与传统的二维图像相比，全息图像具有更广阔的视角和更真实的效果。
在分析全息图像时，我们发现全息图像中包含了物体的干涉和衍射信息。
通过对全息图像的放大和旋转，我们可以观察到干涉条纹的变化和衍射光的分布情况。
这些信息不仅可以用于还原物体的三维形态，还可以用于分析物体的光学特性和材料属性。
五、实验总结通过本次光学全息实验，我们深入了解了光学全息的原理和应用。
通过实际操作，我们成功记录了物体的全息图像，并对全息图像进行了分析和解读。
物理光学中的全息技术
物理光学中的全息技术全息技术是一项基于物理光学的科技，在我们的日常生活和工业中都有着广泛的应用。
具体来说，全息技术可以利用激光等光源，将物体的全息图像记录在照相底片或数字储存介质中，再通过光束的干涉和衍射来实现全息图像的再现。
本文将探讨物理光学中的全息技术，包括全息图像的记录方式、全息图像的再现原理，以及全息技术的实际应用等方面内容。
一、全息图像的记录方式在全息技术中，全息图像的记录方式主要有两种：透射全息和反射全息。
透射全息是将光源穿过物体，经过透镜后照到记录介质上。
此时透镜会将光束分成两部分，一部分与物体直接相交，被称为物光；另一部分则被透镜折射，与物光相交形成干涉图案，被称为参考光。
参考光和物光交汇后形成全息图像，可以通过激光光源再现。
反射全息则是将光源照射到物体表面，经过反射后再经摄像头或记录介质记录下来。
反射全息通常需要一定的条件，如物体需要有较为光滑的表面。
二、全息图像的再现原理全息图像的再现原理是依靠物体的光的干涉和衍射。
再现全息图像需要使用与记录时相同的波长的激光光源，将相应角度的光束照射到记录介质上。
照射到介质上的光经过干涉和衍射后，可以再现出原来的物体形象。
在再现全息图像时，需要用到解全息图的技术。
解全息图一般有两种方法，一种是使用去模糊技术，即通过复原模糊的进程来还原形象的细节；另一种是使用全息光学重建技术，即通过衍射和干涉来达到图象的重建。
三、全息技术的实际应用全息技术可以用于军事、医疗、艺术等许多领域。
在军事领域，全息技术可以被用于制造易于观察的瞄准器和防伪码。
在医疗领域，全息技术可以被用于制作3D样品和人体模型，有助于疾病的诊断和治疗。
在艺术领域，全息技术可以被用于制作全息画，如灯光装置、雕塑或装饰等。
此外，全息技术也被用于开发新型光存储器，储存数据可以达到很高的容量。
总之，全息技术是一项让光线变得更加神奇的科技。
随着技术的不断发展，全息技术的应用领域也将进一步扩大，带来更多意想不到的应用及其潜力。
全息光学技术在光学成像中的应用研究
全息光学技术在光学成像中的应用研究随着科技的不断发展，现代人们的生活越来越依赖于光学成像技术。
在这一过程中，全息光学技术作为一种先进的光学成像技术，正在被广泛应用于各个领域。
本文将详细介绍全息光学技术的原理及其在光学成像中的应用研究。
一、全息光学技术的原理全息光学技术是一种利用光的波动性进行光学成像的技术。
它的主要原理是通过在介质中记录物体的全息图像，然后再利用光源对全息图像进行恢复，从而实现对物体的三维成像。
具体来说，全息光学技术的实现需要经历三个步骤：第一步，全息图像的记录。
这里涉及到一个名为干涉的物理现象。
当两束光线在空间中相遇时会发生干涉现象。
应用这一原理，我们可以让一束来自光源的参考光线和另一束来自物体的物光线在某个介质中相遇，从而形成一个三维的干涉图案。
这个干涉图案就是物体的全息图像。
在记录全息图像的时候，我们需要用到全息板这种介质。
第二步，全息图像的重建。
这里同样涉及到两束光线的干涉现象。
在全息图像记录完成后，如果我们想要看到物体的三维图像，就需要让一束光线通过全息板，从而恢复出干涉图案。
这时候我们需要使用一个名为参考光的光源。
这个光源会发出一束与全息图像记录时使用的参考光相同的光线。
当这个光线通过全息板时，它会与全息图像产生干涉现象，从而形成一个与物体真实的图像高度相似的三维投影图像。
第三步，三维成像效果的提高。
全息光学技术在三维成像方面具有较高的效果，但同时也有其局限性。
为了提高成像效果，我们需要特别关注全息图像的记录。
一种常用的增强全息图像质量的方法是使用数字全息技术，即用计算机处理全息图像，并且用数字技术对它进行重建。
二、全息光学技术在光学成像中的应用研究随着全息光学技术的完善，它在各个领域的应用也越来越广泛。
下面就来看一下它在光学成像中的应用研究情况。
1、医学成像现代医学成像技术在医学诊断和治疗中扮演着重要的角色。
在医学成像中，全息光学技术可以用于记录和重建人体部位的三维图像，从而更好地观察和分析病变症状。
第六章-光学全息
式中，第三、四两项是中心在（0，b)的物体的原始像和共轭像。
5、几种不同类型的全息图
对于透明物体，还有一种无透镜傅里叶变换全息图，如下图所示。 它是以球面波为参考波，记录物波波前的菲涅耳衍射图样。
1、引言
✓全息发展简史
➢ 1948年 Dennis Gabor 提出 “波前重现” 理论
目的：改善电子显微镜的分辨率 光源：汞灯 效果：因光源相干性差，效果很不明显
➢ 1960年 激光器 问世， 提供 理想的相干光源
为全息技术的发展创造了条件
➢ 1962年 离轴全息图问世 ——E.N.Leith和J.Upatnieks
exp
j
2 zc
x
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照明时，如右图所示，在透过全息图的光
场中，有两个场分量能再现成像，像的坐
标为
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1
公式正负号中上面一组符号对应于U3，下面一组符号对应于U4。
现代 光学
信息光学 (傅里叶光学)
非线性光学 (强光光学)
✓为提高电子显微镜分辨本领，伽伯（D.Gabor，1900—1979）
在1948年提出了全息术原理，并开始了全息照相(holography)的 早期研究工作，并因此在1971年获得诺贝尔物理学奖。
全息光学基本原理
全息光学基本原理
全息光学基本原理是一种利用光的干涉和衍射现象记录并再现物体全貌的技术。
它的基本原理由以下几个关键步骤组成：
1. 采集光波：全息图像的制作首先需要采集物体的光波信息。
光波可以是由光源照射物体产生的反射光，也可以是透过透明物体后的透射光。
采集光波的方法包括使用相机或者将光波直接引导到光敏材料上。
2. 激光照射：将采集到的光波与一束激光光束相干叠加。
激光光束是一束相干性极高的光波，能够产生高质量的干涉和衍射效果。
激光的照射使得原始光波与参考光波相互干涉。
3. 干涉记录：使用光敏材料（例如全息底片）记录干涉的结果。
全息底片是能够记录和储存光波干涉图案的特殊材料。
当光波通过光敏材料时，会在材料中形成干涉条纹的反射图案。
4. 光栅纹理形成：在光敏材料中形成的反射图案中，存在一种称为全息光栅纹理的结构。
光栅纹理是由干涉条纹形成的周期性结构，其储存了原始物体的光学信息。
5. 光学再现：通过将激光光束照射到储存有光栅纹理的光敏材料上，可以再现出原始物体的光学信息。
入射到光敏材料的激光光束会被光栅纹理衍射，从而形成与原始物体类似的光场分布，使人眼可以观察到三维全息图像。
总之，全息光学基本原理利用光的干涉和衍射现象记录和再现
物体光学信息。
通过采集光波、激光照射、干涉记录、光栅纹理形成以及光学再现等步骤，可以实现记录和观察真实三维全息图像的目的。
光学全息
三、特点 1、全息照相最突出的特点为由它所形成的
三维形象 2、可分割性 3. 全息图可进行多重记录 4. 全息图可同时得到虚像和实像
四、全息图的类型 1、按参考光波与物光波主光线是否同轴来
分类，可分为同轴全息图与离轴全息图 2. 按全息图的结构与观察方式分类，可分 为透射全息图与反射全息图 3. 按全息图的复振幅透过率分类，可分为 振幅型全息图和相位全息图 4. 按全息底片与物的远近关系分类，可分 为菲涅耳全息图(Fresnel hologram)、像 全息图(Image plane hologram)、和傅里 叶变换全息图(Fourier transform
R( x, y) t 0 R0 ( x, y)
O( x, y) t ( x, y) R0 ( x, y)
R0 ( x, y)
为正入射平面波
要求： t ( x, y) t0
②离轴全息图 ⅰ.定义：±1级不同轴的全息图。 ⅱ.产生：用光契记录全息图 sin 参考光产生一倾角θ 0
第五章
Optical Holograph 光学全息
►光学全息概述 ►波前的记录与再现 ►常用全息图的生成与再现 ►体全息 ►平面全息图的衍射效率 ►计算全息及其应用
§ 1. 光学全息概述
一、光学全息的发展历史
发明人：英籍匈牙利人丹尼斯盖伯 （Dennis Gabor) 发明时间：1948年 1960年，第一台激光器问世，解决了相干 光源的问题。 1962年，美国科学家利思和乌帕特尼克斯 提出了离轴全息图
③分析讨论： ⅰ 当a1 0时，无法有效记录 ⅱ 当a2 , a3 an 0时, 记录将会代入附加振幅 变化，使相位信息呈非线性 ⅲ 因此要选择线性度较好的全息干板，使： t ( x, y) a0 a1E ( x, y )
光学全息实验报告
一、实验目的1. 了解光学全息的基本原理和实验方法。
2. 掌握光学全息实验的操作技能。
3. 通过实验观察全息图的记录和再现过程，加深对光学全息原理的理解。
二、实验原理光学全息是一种利用光的干涉和衍射原理记录和再现物体三维图像的技术。
全息照相的基本原理是将物体发出的光波与参考光束进行干涉，记录下物体的光波振幅和相位信息，从而形成全息图。
当全息图被适当的光照射时，可以再现物体的三维图像。
三、实验仪器1. 全息实验台2. 激光器3. 分束镜4. 反射镜5. 扩束镜6. 载物台7. 全息干板8. 显影液9. 定影液10. 暗房设备四、实验步骤1. 激光器发射的激光束经分束镜分成两束，一束作为参考光束，另一束作为物光束。
2. 物光束照射到被摄物体上，物体反射的光波与参考光束发生干涉，形成干涉条纹。
3. 干涉条纹记录在全息干板上，形成全息图。
4. 全息图经过显影和定影处理后，即可观察全息图的再现图像。
五、实验结果与分析1. 全息图的记录实验过程中，成功记录了被摄物体的全息图。
观察全息图，可以看到清晰的干涉条纹，表明实验过程顺利进行。
2. 全息图的再现在全息图上适当位置照射激光，可以观察到被摄物体的三维再现图像。
再现图像清晰、立体感强，与原物体相似。
3. 实验分析（1）全息图的记录：实验中，通过调整激光器、分束镜、反射镜等光学元件的位置，实现了参考光束和物光束的干涉。
干涉条纹记录在全息干板上，形成全息图。
（2）全息图的再现：在全息图上照射激光，参考光束与全息图上的干涉条纹发生干涉，形成再现光束。
再现光束与物光束具有相同的振幅和相位，从而再现被摄物体的三维图像。
六、实验总结1. 通过本次实验，成功掌握了光学全息的基本原理和实验方法。
2. 加深了对光学全息原理的理解，认识到全息技术在记录和再现三维图像方面的优势。
3. 提高了动手操作能力，为今后的科学研究奠定了基础。
七、实验展望光学全息技术在科学研究、工业生产、文化艺术等领域具有广泛的应用前景。
光学全息技术原理
光学全息技术原理光学全息技术是一种利用光的干涉原理制作出的三维影像的技术。
全息投影是通过将光波的相位和幅度信息编码到光场中，利用干涉和衍射的原理实现光学全息图像的产生与重建。
它与普通的摄影技术不同，摄影只记录了光强信息，而全息技术还记录了光的相位信息，使得图像更加真实，能够实现如同实物一样的三维空间感。
下面将详细介绍光学全息技术的原理。
光的干涉原理是光学全息技术的基础。
当两束光波相遇时，它们会发生干涉现象。
干涉分为两种类型：相长干涉和相消干涉。
相长干涉是指两束光波在相遇时的干涉，会使得光的幅度增强；相消干涉则是两束光波相遇时产生的干涉，会使得光的幅度减弱或消失。
在光学全息技术中，我们通常使用的物体光源是一束激光光源。
激光光源的特点是具有高度相干性，相干长度长，可以产生明确的干涉图案。
全息图的形成一般可分为三个步骤：记录、显影和重建。
首先是记录过程。
记录过程需要将物体的光波和参考光波进行干涉，将物体光波的信息编码到光场中。
具体操作是将激光通过一个分束镜分成两束，一束作为参考光照射到全息图的记录介质上，另一束经过物体反射或透过后，再与参考光在全息图的记录介质上相遇。
两束光波发生干涉后，形成了全息图的干涉图案。
在光场中，参考光波形成了一种参考波的空间分布，而物体光波也形成了与物体相关的物波的空间分布。
通过这种方式即可将物体的光波信息编码到光场中。
接下来是显影过程。
显影过程是将记录介质中的干涉图案转化为可见的全息图像。
通常采用的方法是将记录介质浸入显影液中，在显影液的作用下，记录介质中光敏材料会经历物理或化学变化，并在光的照射下，显出原本的干涉图案。
经过显影处理后，就得到了全息图，可以在透光条件下观察到清晰的三维图像。
最后是重建过程。
重建过程是将全息图中的光场重新导引出来，使得能够再现物体原始的光波信息。
在重建过程中，使用与记录过程中相同的光源，通过照射到全息图上，使得记录介质中的全息图被激活。
原来记录的参考光与物体光波在全息图上重新重合，发生衍射，从而生成了物体原始的光波，通过屏幕就可以观察到物体的三维图像。
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4、基元全息图分析
全息图可看作是很多基元全息图的线性组合，了解基元全息图的结构和
作用对于深入理解整个全息图的记录和再现机理非常有益。 空域方法是把物体看作一些相干点源的集合，物光波前是所有点源发出的 球面波的线性叠加。每一个点源发出的球面波与参考波干涉，记录的基元 全息图称为基元波带片； 频域方法是把物光波看作由很多不同方向传播的平面波分量的线性叠加， 每一个平面波分量与参考平面波干涉而记录的基元全息图称为基元光栅。
1 z0 2 zc
1
5、几种不同类型的全息图
全息图的种类繁多，有很多不同的分类方法：
根据记录介质的相对厚度，可分为平面全息图和体全息图； 根据对照明光波的调制作用，可分为振幅全息图和位相全息图； 根据物光和参考光的相对方位，可分为同轴全息图和离轴全息图； 根据再现时照明光源和观察者在全息图的两侧还是同一侧，可分为透射全息图
40多年来，全息学科和技术得到飞速发展，高科技、国防、 艺术等领域几乎无所不及。
1、引言
全息发展的四个阶段
第一阶段 汞灯作光源，同轴全息图
—— 萌芽阶段 第一代全息 第二阶段 激光记录，激光再现，离轴全息图 ——第二代全息* 第三阶段 激光记录，白光再现 ——第三代全息* 第四阶段 白光记录，白光再现 ——第四代全息
和反射全息图；
根据记录物体与照相干板的相对距离，分为菲涅耳全息图和夫朗和费全息图； 根据制作时使用光源的性质，可分为连续波激光全息图和脉冲激光全息图。
5、几种不同类型的全息图
5.1 傅里叶变换全息图
利用透镜的傅里叶变换性质产生物体的频谱，并引入参考波与之 干涉，就得到了傅里叶变换全息图，其记录光路如下图所示。
波前记录
其中，=sin/，参考波的空间频率。
波前再现
3、同轴全息图与离轴全息图
从频率域的角度考虑离轴全息图。假定物体最高空间频率为fM周/mm，则 如下图：U3和U4的频谱G3和G4分别位于(0,)和(0,-)处。
为使成像光波和晕轮光U2有效分离，G2、G3和G4之间不能重叠，则必须满 足条件： 3 f M 或 sin 3 f M
1
2 2 1 z0 1 zr
公式正负号中上面一组符号对应于U3，下面一组符号对应于U4。
可根据像点位臵判断像的虚实。像点与物点在全息图同一侧，得虚像； 否则得实像。像的横向放大倍数为
dx dy z z M i i 2 i 1 0 dx0 dy0 1 z0 zr
平面波照明位于透镜前焦面的物体（透明片），同一平面上，离开光轴距离为b 处有一相干的参考点源。前焦面上总的光场为
U x0 , y0 g x0 , y0 r0 x0 , y0 b
根据透镜的傅里叶变换性质，后焦面上的光场为
U f x , f y G f x , f y r0 exp j 2 bf y
U4 x, y RO*R R2O* x, y
不考虑常数因子的影响，U3是原始物光波的准确复现，给出物体的一个虚像； O*是物光波前的共轭，若原始物波是发散的，则共轭光波是会聚的，因此U4 的传播将给出物体的一个实像。此时，虚像没有变形，而实像有变形。
2、波前记录与再现
思考题：P290 -7.1 若一个平面物体的全息图记录在与物体平行的记录介质上， 证明再现像将成在与全息图平行的平面内(为简单起见，假 定参考波为平面波)。
3、同轴全息图与离轴全息图
只有使全息图衍射光波中各项有效分离，才能得到可供利用的再现像， 这与参考光方向的选取有直接的联系。下面分两种情况讨论： 3.1 同轴全息图
1、引言
全息图的基本类型
1.同轴全息图 2.离轴全息图 3.菲涅耳全息图 4.傅里叶变换全息图 5.像全息图 6.模压全息 7.位相全息 8.彩虹全息图 9.体积全息图 10.计算全息
全息术的应用
1.全息显示 2.模压全息 3.全息光学元件 4.全息干涉计量 5.全息信息存储
2、波前记录与再现 全息成像过程
1962年
U.Denisyuk 提出反射全息图的方法；
1、引言
1964年
Ar+ Laser 问世 —— 布里奇斯 氩离子激光器提供了短波长连续可见光，扩展
了全息技术 的应用范围 R.L.鲍威尔，K.A.斯特特森 提出全息干涉术； S.A.本顿 发明彩虹全息术（白光全息术）；
1965年 1968年 ......
U t x, y C0tb C0 O C0 r0O C0 r0O*
2
b) 同轴全息图的波前再现
物光和参考光都来自同轴，全息图透射光波中包含的四项都在同一方向传播，
无法分离；
在全息图的两侧距离为z0的对称位臵产生物体的实像和虚像，成为孪生像；但
观察某一像时，会受到另一离焦的孪生像的干扰；
Dennis Gabor 提出 光源：汞灯
“波前重现” 理论
目的：改善电子显微镜的分辨率
效果：因光源相干性差，效果很不明显 1960年
激光器 问世， 提供 理想的相干光源
为全息技术的发展创造了条件
1962年
离轴全息图问世 ——E.N.Leith和J.Upatnieks
提出“斜参考光法”, 加速了全息术的发展
1、波前记录— 用干涉法记录物光波
干涉图样的记录
2、波前再现— 用衍射法再现物光波
2、波前记录与再现
2.1 波前记录
假定记录介质H位于xy平面上，物光波前
在H上产生的复振幅分布为
O x, y O0 x, y e j0 x , y
引入一相干参考波，该参考波在H上产生 的复振幅分布为
照明时，如右图所示，在透过全息图的光 场中，有两个场分量能再现成像，像的坐 标为
x xi c zc y yi c zc 1 zi zc
2 x0 2 xr 1 z0 1 zr
zi 2 y0 2 yr z 1 z0 1 zr i
全息图的透射光场分布为
U t x, y Ct x, y Ctb C O COR* CO* R U1 U 2 U 3 U 4
2
若采用参考光波照射全息图，即C(x,y)=R(x,y)，则 2 U 3 x, y ROR* R O x, y
若采用共轭参考光照明全息图，即C(x,y)=R*(x,y)，则
U3 x, y R*OR* R*2O x, y
U 4 x, y R*O* R R O* x, y
2
U3和U4仍正比于物光波前或其共轭，将分别产生虚像和实像； 此时，虚像有变形，实像没有变形。
a) 同轴全息图的波前记录
伽柏全息图就是一种同轴全息图，参考光和物光都沿着光轴的方向。假设用相干 平面波照明一高度透明的物体，其复振幅透过率可表示为
t x0 , y0 t0 t x0 , y0
由t0透过的均匀平面波作参考光，而t项所产生的衍射光作物光O(x,y)，则两者在 胶片上的曝光强度为 2
(t0和都是常数)
若假定参考光强在H表面上是均匀的，则
t x, y tb O OR* O* R
2
2、波前记录与再现
2.2 波前再现
用参考波照明
用共轭参考波照明
2、波前记录与再现 用相干光波照射全息图，假定它在全息图平面上的复振幅分布为C(x,y)，
R x, y r0 x, y e jr x, y
那么，两波相遇叠加的总光场是
U x, y O x, y R x, y
对应的强度分布为
I x, y U x, y O x, y R x, y O x, y R* x, y O* x, y R x, y
2、波前记录与再现
波前记录是一种干涉效应，它使振幅和位相调制信息变换为干
涉图的强度调制信息； 波前再现是一种衍射效应，胶片经过线性处理后，使全息图上 的强度调制信息还原为波前的振幅和位相调制信息。
既然全息术基于光的干涉和衍射现象，系统就应满足一定的相
干性要求，例如激光输出波长稳定、曝光期间装臵稳定、两束光 的最大光程差应比光的相干长度小得多等。
3、同轴全息图与离轴全息图
3.2 离轴全息图 透射光波为：
U t x, y C0tb C0 O
2
C0r0O x, y exp j 2 y
C0r0O* x, y exp j 2 y
U1 U 2 U3 U 4
现代 光学
信息光学 (傅里叶光学) 非线性光学 (强光光学)
为提高电子显微镜分辨本领，伽伯（D.Gabor，1900—1979）
在1948年提出了全息术原理，并开始了全息照相(holography)的 早期研究工作，并因此在1971年获得诺贝尔物理学奖。
1、引言
全息技术的典型代表—全息照相
波前记录— 用干涉法记录物光波
x x0 2 y y0 2 O x, y O0 exp j 1 z0
4、基元全息图分析
这样制成的全息图，当用另一波长2，位于 点源（xc,yc,zc)发出的球面波
x xc 2 y yc 2 U c x, y C0 exp j 2 zc
I x, y r0 O x0 , y0 r02 O r0O r0O*
2
3、同轴全息图与离轴全息图
经过显影、定影后，负片的复振幅透过率就正比于曝光强度，即
t x, y tb O r0O r0O*
2