全息照相實(shí)驗(yàn),一、光學(xué)全息概述 普通照相是根據(jù)幾何光學(xué)成像原理,記錄下光波的強(qiáng)度(即振幅),將空間物體成像在一個(gè)平面上,由于丟失了光波的相位,因而失去原物體的三維信息。如果能夠記錄物光波的振幅和相位,并在一定條件下再現(xiàn),則可看到包含物體全部信息的三維像,即使物體已經(jīng)移開(kāi),仍然可以看到原始物體本身具有的全部現(xiàn)象,包括三維感覺(jué)和視差利用干涉原理,將物體發(fā)出的特定光波以干涉條紋的形式記錄下來(lái),使物體波前的全部信息都貯存在記錄介質(zhì)中,故所記錄的干涉條紋圖樣被稱為“全息圖”。當(dāng)用光波照射全息圖時(shí),由于衍射原理能重現(xiàn)出原始物光波,從而形成與原物體逼真的三維像,這個(gè)波前記錄和重現(xiàn)的過(guò)程稱為全息術(shù)或全息照相。,全息照相術(shù)是英籍匈牙利科學(xué)家丹尼斯蓋伯(Dennis Gabor)發(fā)明的.1947年他從事電子顯微鏡研究,當(dāng)時(shí)電子顯微鏡的理論分辨率極限是0.4nm,由于丟失了光波的相位,實(shí)際只能達(dá)到1.2nm,比分辨原子晶格所要求的分辨率0.2nm差得很多.這主要是由于電子透鏡的像差比光學(xué)透鏡要大得多,從而限制了分辨率的提高。,為此,蓋伯設(shè)想:記錄一張不經(jīng)任何透鏡的,用電子衍射的電子波制作曝光照片(即全息圖),使它能保持物體的振幅和相位的全部信息,然后用可見(jiàn)光照明全息圖來(lái)得到放大的物體像。由于光波波長(zhǎng)比電子波長(zhǎng)高5個(gè)數(shù)量級(jí),這樣,再現(xiàn)時(shí)物體的放大率就可獲得倍而不會(huì)出現(xiàn)任何像差,所以這種無(wú)透鏡兩步成像的過(guò)程可期望獲得更高的分辨率.根據(jù)這一設(shè)想,他在1948年提出了一種用光波記錄物光波的振幅和相位的方法,并用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一想法,從而開(kāi)辟了光學(xué)中的一個(gè)嶄新領(lǐng)域,他也因此而獲得1971年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,從1948年蓋伯提出全息照相的思想開(kāi)始一直到50年代末期,全息照相都是采用汞燈作為光源,而且是所謂的同軸全息圖,它的級(jí)衍射波是分不開(kāi)的,即存在所謂的孿生像問(wèn)題,不能獲得好的全息像.這是第一代全息圖,是全息術(shù)的萌芽時(shí)期。第一代全息圖存在兩個(gè)晉嚴(yán)重問(wèn)題,一個(gè)是再現(xiàn)的原始像和共軛像分不開(kāi),另一個(gè)是光源的相干性太差。,1960年激光的出現(xiàn),提供了一種高相干性光源。1962年美國(guó)科學(xué)家利思（Leith）和烏帕特尼克斯（Upatnieks）將通信理論中的載波概念推廣到空域中，提出了離軸全息術(shù)。他用離軸的參考光和物光干涉形成全息圖，再利用離軸的參考光照射全息圖，使全息圖產(chǎn)生三個(gè)在空間互相分離的衍射分量，其中一個(gè)復(fù)制出原始物光。這樣，第一代全息圖的兩大難題宣告結(jié)束，產(chǎn)生了激光記錄、激光再現(xiàn)的第二代全息圖。從而使全息術(shù)在沉睡了幾十年之后得到了新生，,進(jìn)入了迅速發(fā)展年代，相繼出現(xiàn)了多種全息方法，并在信息處理、全息干涉計(jì)量、全息顯示、全息光學(xué)元件等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由此可見(jiàn)，高相干度激光的出現(xiàn)，是全息術(shù)發(fā)展的巨大動(dòng)力。 由于激光再現(xiàn)的全息圖失去了色調(diào)信息，人們開(kāi)始始致力于研究第三代全息圖。第三代全息圖是利用激光記錄和白光再現(xiàn)的全息圖，例如反射全息、像全息、彩虹全息及模壓全息等，在一定的條件下賦予全息圖以鮮艷的色彩。激光的高度相干性，要求全息拍攝過(guò)程中各個(gè)元件、光源和記錄介質(zhì)的相對(duì)位置嚴(yán)格保持不變，,并且相干噪聲也很嚴(yán)重，這給全息術(shù)的實(shí)際使用帶來(lái)了種種不便。于是，科學(xué)們又回過(guò)頭來(lái)繼續(xù)探討白光記錄的可能性。第四代全息圖可能是白光記錄和白光再現(xiàn)的全息圖，它將是全息術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入廣泛的使用領(lǐng)域。目前已經(jīng)開(kāi)始取得進(jìn)展。,除了用光學(xué)干涉方法記錄全息圖，還可用計(jì)算機(jī)和繪圖設(shè)備畫(huà) 全息圖，這就是計(jì)算全息(Computer-Generated Hologram,簡(jiǎn)稱CGH)。計(jì)算計(jì)算全息是利用數(shù)字計(jì)算機(jī)來(lái)綜合的全息圖，不需要物體的實(shí)際存在，只需要物光波的數(shù)學(xué)描述。因此，具有很大的靈活性。,全息術(shù)不僅可以用于光波波段，也可以用于電子波、X射線、聲波和微波波段。實(shí)際上，利思和烏帕特尼克斯的高軸全息概念就是來(lái)自于微波領(lǐng)域的旁視雷達(dá)微波全息圖。正如蓋伯在他榮獲諾貝爾獎(jiǎng)時(shí)的演說(shuō)中所指出的，利思在雷達(dá)中用的電磁波長(zhǎng)比光波長(zhǎng)10萬(wàn)倍，而蓋伯本人在電子顯微鏡中所用的電子波長(zhǎng)又比光波短10萬(wàn)倍。他們分別在相差倍波長(zhǎng)的兩個(gè)方向上發(fā)展了全息照相術(shù)，這說(shuō)明科學(xué)的發(fā)展總是互相滲透，互相影響的。,二、實(shí)驗(yàn)原理 1.全息圖的記錄：,R,O,H,兩光波疊加后，（x,y）點(diǎn)的強(qiáng)度為,式中第一項(xiàng)、第二項(xiàng)為物光和參考光的光強(qiáng)，對(duì)H上任一點(diǎn)（x,y），這兩項(xiàng)為常數(shù)。第三項(xiàng)、第四項(xiàng)為干涉項(xiàng)，反映了兩相干光的振幅和相對(duì)位相的關(guān)系?？梢?jiàn)在底片H上，干涉圖樣將物光波的振幅和位相兩種信息全部記錄下來(lái)了。,2.全息圖的再現(xiàn) 若感光干板H的曝光和顯影都控制在線性部分（即振幅透過(guò)率t隨曝光量H的變化關(guān)系），則感光干板H上各點(diǎn)的振幅透過(guò)率t(x,y)與光強(qiáng)I(x,y)成線性關(guān)系，即 式中 、 為常數(shù)，其中 是tH曲線線性部分的斜率。 為了重現(xiàn)物光波，一般是用參考光波相似的光照射全息圖。,設(shè)再現(xiàn)光波復(fù)振幅為 則透過(guò)全息圖后的復(fù)振幅分布為 其中：,以上討論表明，全息圖相當(dāng)于一個(gè)復(fù)雜的衍射光柵。再現(xiàn)光波經(jīng)全息圖后，透射光包括三個(gè)不同的部分，如圖所示， 式中右邊的第一項(xiàng)和第二項(xiàng)與再現(xiàn)光波只相差一個(gè)常系數(shù)，稱為直射光或0級(jí)衍射波；,C,虛像,實(shí)像,H,第三項(xiàng)和第四項(xiàng)所產(chǎn)生的光波在0級(jí)衍射波的兩側(cè)，稱為+1級(jí)和-1級(jí)衍射波，當(dāng)取再現(xiàn)光波與參考光波相同即 時(shí)，+1級(jí)衍射波準(zhǔn)確地再現(xiàn)原來(lái)的物光波（只是振幅大小有變化），這是一發(fā)散波，它在全息圖后面形成了與物體完全相同的虛像，稱原始像。-1級(jí)衍射波包含了物光的共軛波，它是一束會(huì)聚波，其會(huì)聚點(diǎn)就是實(shí)像的位置。一般來(lái)說(shuō)實(shí)像有畸變。若要得到無(wú)畸變的實(shí)像，需用一束與參考光波共軛的再現(xiàn)光波照射全息圖。,三、實(shí)驗(yàn)光路及內(nèi)容 1.實(shí)驗(yàn)光路,玻璃面,乳膠面,H,M2,BS,HeNe激光器,M1,全息照相的拍攝與再現(xiàn)實(shí)質(zhì)上是光的波前記錄和波前再現(xiàn)。記錄的是物光和參考光波前干涉條紋，再現(xiàn)的是1級(jí)衍射光。 2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 拍攝一張菲涅耳全息圖，使用天津產(chǎn)全息干板，其分辨率為3000/mm。經(jīng)曝光后顯影(3分鐘)、定影(5分鐘)、干燥后放原底片夾上以參考光照射，看其再現(xiàn)的虛像。,3光路的調(diào)整與操作 光路中各元器件要調(diào)節(jié)共軸； 參考光、物光兩光束的光程差大約為零（最大不能超過(guò)5厘米）； 光斑擴(kuò)束大小要適中，充分利用光能，底片全部照到且均勻?yàn)橐耍scm）； 光路調(diào)整好后，據(jù)光能的強(qiáng)弱確定曝光時(shí)間，曝光時(shí)間用曝光定時(shí)器控制； 關(guān)閉快門，裝底片等穩(wěn)定幾分鐘后開(kāi)始曝光；,曝光后的底片顯影約3分鐘，定影約5分鐘，水洗后涼干，即可看再現(xiàn)像。,4注意事項(xiàng)： 由于整個(gè)操作過(guò)程中都在暗室中進(jìn)行，請(qǐng)大家務(wù)必要注意安全和安靜； 全息拍攝過(guò)程式中最怕的是振動(dòng)，在曝光的時(shí)侯要安靜，不能有振動(dòng)。,祝大家實(shí)驗(yàn)成功,