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漫反射全息照片的攝制 竇柳明 人們所以能夠看到物體，是由于物體上的各點發(fā)出的光(或反射的光)作為一種信號被人的眼睛接收并引起感覺的結果。光是一種電磁波，借助于物體上各點發(fā)出的電磁波的頻率、振幅以及相位的不同，人們可以區(qū)別物體的顏色、明暗、位置、大小、形狀和遠近等等。 通常的照相方法是通過透鏡把物體在感光膠片平面上所成像的照度分布記錄下來，所以記錄的只是光信號的強度。所謂“全息照相”，就是要把物體上發(fā)出的光信號的全部信息，即光波的振幅和相位全部記錄下來。再利用適當的方法，就能得到物體的立體圖像。 早在1948年，英國科學家蓋伯(D.Gabor)為了提高電子顯微鏡的分辨本領而提出了全息原理，并開始了全息照相的研究工作?？墒窃?0年代里這方面工作的進展相當緩慢。1960年以后，出現(xiàn)了激光，由于它具有良好的相干性和高強度，為全息照相提供了十分理想的光源，促進了全息術的發(fā)展，使之成為科學技術上一個嶄新的領域。現(xiàn)在，全息術在干涉計量、無損檢測、信息存儲與處理、遙感技術、生物醫(yī)學和國防科研等領域中獲得了極為廣泛的應用。蓋伯也因發(fā)明全息術在1971年獲得諾貝爾物理學獎。 【實驗目的】 1．了解全息照相的記錄和再現(xiàn)原理； 2．掌握漫反射全息照片的攝制方法； 3．加深對全息照相的主要特點的理解。 【實驗儀器】 全息實驗臺，He-Ne激光器，分束鏡，反射鏡，擴束鏡，載物臺，底片夾，全息干版，顯影及定影器材等。 【實驗原理】 1．全息圖的記錄 全息照相與普通照相完全不同，它可以不用透鏡或其他成像裝置，而是利用光的干涉和衍射原理來記錄和再現(xiàn)物體的光波，是一種完全新型獨特的照相技術。 如圖1所示，激光器射出的激光束通過分光板分成兩束，一束經透鏡擴束后照射到被攝物體上，再經物體表面反射(或透射)后照射到感光底片H(全息干版)上，這部分光叫物光。另一束經反射鏡改變光路，再由透鏡擴大后直接投射到全息干版上，這部分光稱為參考光。由于激光是相干光，物光和參考光在全息底片上疊加，形成干涉條紋。因為從被攝物體上各點反射出來的物光，在振幅上和相位上都不相同，所以底片上各處的干涉條紋也 不相同。強度不同使條紋明暗程度不同，相位不同使條紋的密度、形狀不同。因此，被攝物體反射光中的全部信息都以不同明暗程度和不同疏密分布的干涉條紋形式記錄下來，經顯影、定影等處理后，就得到一張全息照片。這種全息照片和普通照片截然不同，一般在全息照片上只有通過高倍顯微鏡才能看到明暗程度不同、疏密程度不同的干涉條紋，見圖2，而看不到象普通照片那樣所記錄的物體的像。由于干涉條紋密度很高，所以要求記錄介質有較高的分辨率，通常達1000條線／毫米以上，故不能用普通照相底片拍攝全息圖。 圖1全息照相光路 2．全息圖的再現(xiàn) 圖2 全息圖 要看到被攝物體的像，必須用一束同參考光的波長和傳播方向完全相同的光束照射全息照片，這束光叫再現(xiàn)光。這樣在原先拍攝時放置物體的方向上就能看到與原物形象完全一樣的立體虛像，參看圖3。除了這個虛像之外，在全息照片觀察者一側還會形成一個實像。這兩個像相當于光柵所產生的在零級兩側的兩個衍射波所成的像。通過全息照片去看物體的像，猶如從窗口去觀察原來物體一樣，當人們移動眼睛從不同角度觀察時，就好象面對原物一樣可以看到它不同側面的形象，甚至在某個角度被物遮住的東西也可以在另一角度看到它。更有趣的是，如果取全息照片的一個碎片，通過這一小塊仍能看到整片記錄的全部形象。 3．全息照相原理的數學描述 下面對全息照相原理作一簡單的數學描述。設全息底片所在平面為平面，物光在底片上的振動表達式為 (1) 參考光為 (2) 圖3 全息圖的再現(xiàn) 為方便起見，采用復數形式表示，寫成 對于相干波的疊加，真正起作用的是振幅和相位，常用復振幅來表示，即省去時間相位因子，剩下的部分既含振幅，又含隨空間變化的相位，把它稱為復振幅。于是，在底片上任一點物光和參考光復振幅分別為 (3) (4) 相干疊加后的合成光場為 (5) 干涉條紋的光強為 (6) 式中為的共軛復數。為使關系式簡潔，各量中的均省略。將上式展開得 經簡化后上式可簡寫為 (7) 這正是干涉條紋光強的表達式。上式表明，光強包含了物光波的全部信息(振幅和相位)。采用適當的兩光波強度比，感光底片經曝光并進行線性沖洗后，就得到一張全息照片(或稱全息圖)。 假定用照明光照射全息圖，設再現(xiàn)光在全息圖上的復振幅為 如把全息照片看作衍射屏，則透過全息照片后衍射波的復振幅為 (8) 式中為全息照片的復振幅透射率，對于經線性處理的全息照片，復振幅透射率與曝光時的光強成線性關系，即 (9) 于是，透過全息照片后衍射波的復振幅 將值代入得 (10) 式中第一項除了系數外，與再現(xiàn)光相同，為零級衍射波，代表照明光的透射波，形成一個背景象，從物光重現(xiàn)的角度來看，可以不予考慮。 第二項為級衍射波，當再現(xiàn)光和參考光完全相同時，即，，則級衍射波在全息照片上的復振幅為 與原物光只差一個常數因子，實現(xiàn)了原物光的再現(xiàn)。觀察者將在原物體所在位置上看到逼真的立體虛像，在不同的角度看到物體不同的側面。 第三項為級衍射波，當再現(xiàn)光是參考光時，則級衍射波在全息照片上的復振幅為 與原物光的共軛波除相差一個常數因子外，還多一個位相因子，表示衍射波會聚于以全息照片為對稱面的原物體的對稱位置上，觀察者將在此位置上看到一個實像，在實像中的那些細節(jié)與虛像是相反的。 4．對拍攝系統(tǒng)的技術要求 為了成功地獲得全息圖，對拍攝系統(tǒng)有一定的技術要求，主要是： (1)全息實驗臺的防震性能要好。在全息照相時，物光和參考光相干涉形成的干涉條紋密度達每毫米近千條或更高，如果物光波和參考光波稍有抖動，就會造成干涉圖樣模糊不清。因此要求全息平臺有很好的抗振性能，同時采取一些必要的減振措施，如在平臺支座上加減振器、充氣輪胎、沙箱等。對全息臺上的光學元件需進行仔細檢查，看是否牢固。在曝光過程中身體任何部位都不要觸及全息臺，避免高聲談話，更不要在室內隨意走動、開關門、窗等，以確保干涉條紋無漂移。 (2)要有好的相干光源。一般采用He-Ne激光器作為光源，同時要求物光波和參考光波的光程盡量相等，光程差盡量小，以保證物光波和參考光波具有良好的相干性。 (3)物光和參考光的光強比要合適。一般選擇為宜；兩者間的夾角30左右，不宜超過40，因為夾角越大，干涉條紋間距越小，條紋越密，對全息底片分辨率的要求也越高。 【實驗內容】 1． 檢查全息臺的穩(wěn)定性 用光學元件在全息臺上布置成一邁克耳遜干涉儀的光路，以檢查全息臺的防震性能，如果在遠大于曝光所需的時間內，屏上干涉圓環(huán)的“涌出”或“陷入”少于四分之一個環(huán)時，全息臺可以使用，否則還要調節(jié)全息臺。 2．全息照相光路調整 按圖1所示光路安排各光學元件，并作如下調整：①使各元件基本等高；②在底片架上夾一塊白屏，使參考光均勻照在白屏上、入射光均勻照亮被攝物體，且其漫反射光能照射到白屏上，調節(jié)兩束光夾角約為30；③使物光和參考光的光程大致相等，可分別擋住物光和參考光調節(jié)其光強比約1∶4～1∶10，兩光束有足夠大的重疊區(qū)；④所有光學元件必須通過磁鋼與平臺保持穩(wěn)定。 3．全息圖的記錄 拿下白屏，關掉激光器(或在輸出鏡前用一擋光板擋住光束)，在底片夾上裝夾全息干版，注意使底片的藥膜面對著物光和參考光，稍等片刻(約1～2 min)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，根據實驗室提供的參考曝光時間（5秒鐘左右），打開激光器(或移開擋光板)進行曝光。然后關閉激光器，取下底片待處理(注意切勿再使底片曝光)。 4．照相底片的沖洗 在照相暗室中，按暗室操作技術規(guī)定進行顯影(3分鐘)、停顯、定影（10分鐘）、水洗及冷風干燥等處理后，即制成了全息圖。 5．全息圖的再現(xiàn)觀察 用經擴束后的激光沿原參考光入射方向照明全息圖（藥膜面對著光），透過底片并朝著放置原物位置方向進行觀察，可看到一個清晰、立體的原物虛像，體會全息照相的體視性。 用未經擴束的激光沿原參考光入射方向照射全息圖（全息照片光面對著光），在全息照片后用白屏可接收到實像。 【注意事項】 1．為保證全息照片的質量，各光學元件應保持清潔。若光學元件表面被污染或有灰塵，應按實驗室規(guī)定方法處理，切忌用手、手帕或紙片等擦拭； 2．絕對不能用眼睛直視未經擴束的激光束，以免造成視網膜永久損傷； 【思考題】 1．拍攝一張高質量的全息圖應注意哪些問題? 2．為什么物光和參考光的光程要大致相等? 3．全息照相與普通照相有什么區(qū)別?