激光全息照相实验

激光全息照相实验

普通的照相原理基于几何光学的透镜成像，在感光板（胶片）上记录的是被摄物通过透镜后的光强分布，即振幅分布，显现的是被摄物几何平面图形。全息照相要求在感光板上记录被摄物体的振幅和位相——“全部”信息，这就要用另一束光（参考光）与被摄的物光直接入射到感光板上，使物光和参考光在感光板上发生干涉，产生干涉条纹，条纹的黑白反差记录了被摄物的振幅，条纹的粗细、疏密和形状则反映了被摄物的位相，此即“全息图”。

由于全息照相具有可分割、多重记录性等独特特点，在各个领域得到广泛的应用。如利用全息照相的体视特征，可做三维显示、立体广告、立体电视等；利用全息照相的可分割性和多重记录性，可做信息存储、全息干涉计量、振动频谱分析、无损检测和测量位移、应力、应变等。

一、教学目的

1、了解全息照相技术的基本原理及主要特点。

2、学习全息照相的拍摄方法和观察再现全息图。

二、教学要求

1、实验三小时完成；

2、加深理解激光全息照相的基本原理；

3、学会设计全息照相的光路，掌握拍摄激光全息照片的基本技巧；

4、掌握全息干板的暗房冲洗技术，获得显影正确的全息干板；

5、利用再现光观察物体的再现像

6、本实验无数据处理，只检查照片拍摄质量

三、教学重点和难点

1、重点：激光全息照相的基本原理;

2、难点：合理调整光路，正确冲洗干版。完美再现全息图

四、讲授内容（约30分钟）

1、全息照相的发展过程及应用

全息术的原理在1948年就由盖伯提出来了。但是，直到1962年才由苏联科学家尤·尼·杰尼休克提出一种在观察全息图时能保证获得清晰的立体图象的方法。而到1963年，由美国人伊梅脱·莱特、乔治·斯特罗克以及他们在密执安大学的同事们利用激光进行研究以后，人们才开始认真谈论全息术。1971年盖伯获诺贝尔奖

1、全息照相的发展：

第一代全息图，是全息术的萌芽期，采用汞灯作光源，是所谓的同轴全息图。第一代全息图存在两个严重问题，一个是再现的原始像和共轭像分不开，另一个是光源的相干性太差。

第二代全息图（离轴全息图）用激光记录，激光再现。在信息处理、全息干涉计量、全息显示、全息光学元件等领域得到广泛应用。缺点：全息图失去了色调信息。

第三代全息图，利用激光记录和白光再现。例如：反射全息、像全息、彩虹全息及模压全息等，在一定条件下赋予全息图以鲜艳的色彩。（激光的高度相干性，要求全息拍摄过程中各个元件、光源和记录介质的相对位置严格保持不变，并且相干噪声也很严重，这给全息术的实际应用带来种种不便。于是，科学家又回过头来继续探讨白光记录的可能）

第四代全息图是白光记录和白光再现的全息图，它将使全息术最终走出实验室，进入广泛的实用领域，目前已开始取得进展。

应用：

全息干涉度量、全息存储、全息照相制作光学元件、全息电影、电视等等。

2、全息照相与普通照相的区别

3、全息照相的特点：

（1）能贮存物体光波全部信息，得到物体的立体像，如果从不同角度去观察再现的全息图，就可以看到物体不同的侧面。

（2）全息照相不怕擦伤、沾污、破碎，剩下一小片全息片仍然保留着物体光波的全部信息，这是因为拍摄漫反射全息片时，不用透镜，物体上每一点的光波信息都分布在整片底板上。反过来说，底片上每一小部分都完整地贮存着整个物体光波，所以剩下的一小片碎片就可整个的再现立体像(当然，亮度减弱、清晰度下降，因为信息减少了)

（3）同一张底片上可贮存许多波面，即可多次曝光，照许多幅像。这个可用两种方式进行:一种是照射光波方向不变，在同一底片上重叠多次曝光，再现时，这多个波面同时再现出来，形成反映物体位相或形状特点的干涉条纹，这是构成全息干涉计量的理论基础。另一种方式是改变照射光角度，拍多幅像，再现时，可转动底片，观察原来被拍摄的各物体。

4、全息照相的基本过程

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

如图4-27-2所示，参考光R来自于点光源s，物光O来自物体表面的散射，这时参考光的波阵面是球面，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）波前再现——光的衍射

如图4-27-3所示，把拍好的全息图放回记录光路原处，去掉物体，用原参考光照明。经全息图衍射后，产生两个衍射光波，其一是物光O，形成原始虚像（相当于图4-27-1b中的+1级），其二是物体的共轭光，形成共轭实像（相当于图4-27-1b中的-1级）。必须说明，共轭光波形成虚像还是形成实像与具体的拍摄光路密切相关。

（3）实验光路调节方法

本实验光路如图4-27-4所示。本实验所用分束镜透过率为50%左右，故选用透过光作为物光源，针对实际情况，可先调节物光。在调节激光器、分束镜、反射镜的高低、俯仰，使它们出射、反射的细激光束均照在白屏的十字中心的基础上，按图4-27-4放置分束镜S、全反镜M1、被拍物及白屏。调节M1反射角度以及物的高低，使反射的点光束射在物体中部，旋转放置物体的底座或白屏的角度，使白屏接收到的被物体反射的光斑最强且在白屏中部，然后在M1及物体之间加入扩束镜L1，以将M1反射的点光束扩束并正好照亮整个物体，此时沿着被物体反射的光线方向在白屏中应看到清晰的物体轮廓像，至此物光调节完毕。然后按照物光、参光等光程、夹角合适的要求，调整分束镜S的反射角度以及全反镜M2的位置与反射角度，使参光入射到白屏中部，再加扩束镜L2将点光束扩束合适。

5、全息照相系统的要求

（1）要有足够稳定的系统

因为全息底板上记录的干涉条纹间距很小，如果全息底片在曝光过程中条纹移动超过半个条纹的宽度，就不能形成全息图；条纹移动小于半个条纹宽度，全息图像虽然可以形成，但清晰度会受到影响。物光与参考光夹角份越大，条纹的间距就越小，曝光过程中所受到的限制也就越大。可搭一个迈克尔逊干涉仪光路，如获得稳定的干涉条纹，说明工作台已处于稳定的可拍摄全息照片的状态。

（2）要有好的相干光源。

（3）参考光与物光光强之比通常以4:1到10:1为宜。

6、光路布置要求

（1）搭迈克尔逊干涉仪光路，检查系统稳定性；

（2）调节各光学元件，使光束等高；

（3）布置光路(开始时不要加扩束镜)，使物光与参考光成30~45度角度。

（4）保证物光与参考光之间的光程差为零，注意量光程时是从分束镜算起的。

（5）加入扩束镜，使光均匀照射底片和物体；反复几次，直至满意为止。

7、拍摄全息照片

（1）检查暴光定时器，设置曝光时间（8秒左右）；

（2）准备好夹子，注意装全息片时，干板的药膜面朝向反射（陶瓷小物品）物体；

（3）按要求统一曝光，冲洗底片，吹干；

（4）观察全息照片。在参考光下观察三维立体虚像，用细激光束直接照射全息片，观察实像。仔细观察实像分析一下与实际物体有没有区别。

五、实验注意事项

1、保护光学元件的光学表面，不得触摸光学元件的光学表面。

2、激光束光强极高，切勿用眼睛对视，防止视网膜遭永久性损伤。

3、操作过程中要保持安静、听从教师统一指挥。

4、进行正确的冲洗操作，严格遵守暗房操作规程。

六、指导要点

1、激光器工作电流不要超过7mA。

2、如果物光和参考光的光程稍有不规则的变化，就会使干涉图象模糊不清，因此，拍摄前应检查全息平台上各元件是否牢固，在全暗环境或极暗绿灯下放置好全息感光干板后要静等1分钟；拍摄过程中身体不要接触全息台，不要走动、说话，避免空气扰动，以保证干涉条纹无漂移。

3、要有好的相干光源，同时物光和参考光光程差要符合相干条件，通常使两者

光程大致相等。

4、物光和参考光夹角不宜过大，通常在30?至45?之间。

5、物光和参考光光强比要合适，一般为1:4至1:10之间。

6、冲洗干版是一个容易出错的环节，一定要显影合适，既不能显影过度又不能显影不足

6、总结成败经验