透射型全息图的拍摄与再现

全息照相又称全息术，是英国科学家Gabor1947年为提高电子显微镜的分辨率提出并实现的物理思想。由于需要相干性良好的光源，直至20世纪60年代初激光的出现和Leith、Upatnieks提出离轴全息术后，全息术的研究才进入了实用和昌盛的研究阶段，成为现代光学的一个重要分支。Gabor因提出全息术的思想而获得1971年诺贝尔物理学奖。经过科学家们近40年的努力，全息术不仅作为一种显示技术得到了很大的发展，而且在信息存储和处理、检测、计量、防伪、光学图像实时处理、光学海量存储、光计算和制作有特殊功能的全息光学元件等方面都有广泛的应用。

一、实验目的

(1) 学习和掌握透射型全息照相的基本原理。

(2) 通过实验了解和掌握透射型全息照相基本技术。

(3) 了解和掌握透射型全息图的激光再现方法。

(4) 通过实验了解全息照相的特点。

(5) 进一步加深对光波复振幅、波前及共轭光波的理解。

二、主要实验仪器

防振平台，氦－氖激光器，分束镜，反射镜，扩束镜，支架，干版夹等，全息干版，显影、定影液及显影、定影器具。

三、实验原理

全息术是利用光的干涉，将物体发出的光波以干涉条纹的形式记录下来，并在一定条件下，用光的衍射原理使其再现。由于用干涉方法记录下的是物体明暗、远近和颜色的全部信息，可以形成与原物体逼真的三维图像，因此称为全息术或全息照相。

全息照相的基本原理包括记录和再现两个过程。记录过程应用光的干涉原理，记录下来的干涉图样称为全息图。再现过程应用的是光的衍射原理，衍射过程中所形成的像称为再现像。下面分别讲述。

光产生干涉的基本条件是有两束或两束以上的相干光波在空间叠加。在全息照相中，把全息照相干版或其他记录介质，放在物体光波与参考光波干涉场中的某一截面内，经曝光、显影处理后，所记录的干涉图样形成全息图。

如图11－1所示，在透射型全息图的拍摄中，从氦－氖激光器发出的激光束被分束镜SP分为两束。一束经反射镜M1反射、L1扩束后直接照射到全息干版H上，称为参考光R;另一束经M2反射、L2扩束后照射到被拍摄物体O上，被物体漫射后也到达全息干版H上，称为物光。由于物光和参考光都来自同一光源，激光又具有较好的时间和空间相干性，在一定的实验条件下，二者都有固定的位相分布，叠加后可以形成稳定的干涉场，其中位于全息干版H截面内的干涉图样被记录下来成为全息图。

图11－1 透射型全息图拍摄光路示意图

HN．氦－氖激光器;S．快门;SP．分束镜;M1、M2．反射镜;H．全息干版;L1、L2．扩束镜;O．被拍摄物体

将曝光后的全息图底片经显影定影后，用原参考光束照明，就可得到清晰的原物体的像。这个过程称为全息图的再现，如图11－2所示。在再现过程中，全息图将重现光衍射而产生表征原始物光波前特性的所有光学现象，即使原来的物体已经拿走，它仍可以重现原来物体的像，其效果就和观察原物一样，看到的是原物体真实的三维像，有逼真的视差效应和景深效应。即当我们改变观察的方向时，可以看到被前面的物体遮挡的部位;看不同距离的物体眼睛要重新聚焦。如果用原参考光的共轭光来照明再现时，可在原位看到原来物体的实像，如图11－3所示。

图11－2 全息图原始像的再现

图11－3 全息图的共轭像再现

四、实验内容

(一) 透射型全息图的拍摄

1． 等高和同轴调节

在靠近激光器处使激光通过光阑，将光阑移动到距离激光器足够远处，调节激光器支架上的仰俯倾斜调节螺钉使激光通过光阑，几次重复后使激光束与平台台面基本平行;将需要使用的支架都以激光束为基准调为等高，支架上有光学元件的，让激光束照射到光学元件的中心，然后通过调节支架上的左右和仰俯调节螺钉使其反射的光束的中心与激光器输出口等高。

2． 光路拼搭

按照图11－4的实验装置图初步安排好各光学元件、支架和物体的位置，图中各序号对应的装置如表11－1所示。其中全息干版位置先用白屏代替。

图11－4 实验装置图

表11-1 实验装置图中的序号说明

续表11－1

3． 测量光程

在初步安排的光路上，从分束镜SP开始分别测量参考光5→8→11→17→14的光程l R和物光5→23→20→14的光程l O，并调整反射镜M1、M2、物体O和全息干版的位置，使l O与l R之间的差距小于1cm。

4． 光束调整

打开激光器，将扩束镜L1和L2加入光路，调整扩束镜支架的前后位置和上下、左右位置使光斑均匀，并分别照满白屏和被拍摄物体。仔细检查并固定好每一个光学元件及支架。

5． 装夹全息干版、曝光

取下白屏，关闭快门，关闭照明灯，打开安全灯，将全息干版乳胶面面对物体夹紧在干版架上(乳胶面区分的方法是:在干版的任意表面哈一口气，不起雾的一面为乳胶面)，离开防振平台，静等一分钟后按指导教师推荐的曝光时间曝光，一般10s左右，静等和曝光过程中不得走动、讲话和做引起地面抖动及空气流动的事情。

6． 显影、定影

取下全息干版到暗室中显影、定影和水洗，显影时间根据室温调整，定影和水洗时间分别为5 ～10min;把全息图晾干，准备观察。

(二) 透射型全息图再现像的观察

(1) 把晾干的全息图按与拍摄时相同的位置放到原来记录光路中的干版架上夹紧，遮挡住物光，只用参考光照明全息图，观察到什么现象?在水平面内左右轻微转动干版架，又观察到什么现象?这个步骤再现的是什么像?原始像还是共轭像、实像还是虚像?

(2) 取下全息图，把全息图在水平面内转动180°后重新夹入干版架，遮挡住物光，只用参考光照明全息图，观察到什么现象(要用一个白屏或白纸在上面透射像与干版对称位置附近寻找)?在水平面内左右轻微转动干版架，又观察到什么现象?这个步骤再现的是什么像?原始像还是共轭像?实像还是虚像?

五、注意事项

(1) 激光束亮度极高，严禁用眼睛直视从激光器发出的细激光束，以免损伤眼睛。

(2) 严禁拆卸激光器上的导线夹和激光电源，以免被高压击伤或损坏激光器。

(3) 全息照相中使用的反射镜、分束镜等光学元件的表面严禁用手触摸，以免损坏光学元件和影响拍摄质量。

(4) 为保证拍摄的成功和拍摄质量，严禁在全息实验室中随意走动和大声说话。

六、思考题

(1) 仅从照相的角度而言，全息照相与普通照相有哪些主要差别?

(2) 全息照相中为什么要采用特殊的光源、特殊的记录材料和特殊的防振措施?

(3) 全息图的再现像有哪些主要优点?为什么?有哪些主要缺点?为什么?

(4) 为什么一般透射型全息图的观察要使用激光?使用白光再现看到的是什么现象?

(5) 你所观察到的原始像和共轭像之间的主要区别是什么?再现方法上的不同在哪里?对光学中的共轭概念有什么理解?

(6) 从全息图的记录和再现的原理中，你是否可以看出与无线电通信的共同之处?