2001 年 第 4 期 萍乡高等专科学校学报 Jou rnal of P ingx iang Co llege 2001 NO. 4 ① 掌握基本原理做好全息照相实验 朱 志 远 (萍乡高等专科学校　江西 萍乡　 337000) 摘　要 : 近代物理实验的理论性强 , 实验技术较复杂 , 对专科学生来说做好这类实验 有一定难度 , 全息照相实验就是其中典型的一个重要实验。本文将从基本原理、熟悉实验 的主要特点、实验内容和步骤、做好实验总结、结论五部分来谈谈全息照相实验 , 望有助于 提高学生的实验能力。 关键词 : 全息照相　光波强度　光波位相　全息图 一、基本原理 任何物体表面上所发出的光波 , 可以看成是由其表面上各物点所发出元光波的总和 , 其表达式为 　　　　　 Y = ∑ n i= 1 A ico s (Xt+ Ui- 2PxC ) = A co s (Xt+ U- 2PxC ) 其中 , 振幅 A 和位相 (Xt+ U- 2PxC )为此光波的两个主要特征 , 又称为信息。当两个主要特征都 能被记录时叫全息照相。综合而论 , 全息照相是以波的干涉和衍射为理论基础的 , 通过一定的光路 系统把物光波和参考光波叠加在一起并于以信息记录的过程。记录的要素是光波的强度分布和位 相分布。整个实验分为信息记录和图象再现两个过程。 1. 信息记录 由于利用光的干涉进行全息记录 , 就要求光源满足相干条件 , 一般使用相干性极好的激光光 源。拍摄全息照片的光路如下图所示 : 　　　　　　　　　　　　　 ① 收稿日期 : 2001- 09- 06 ? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 　由激光器发出的高度相干的单色光经遮光屏和分光板时被分成两束光。这两束光 , 一束光经反射 镜 M 1 反射、扩束镜 L 1 扩束后 , 用来照明待记录的物体 , 称为物光束 ; 另一光束经反射镜 M 2 反射、 扩束镜 L 2 扩束后 , 直接照射感光板 H。后一光束作为一个参考光束 , 当其与来自物体表面的散射 光均照射到全息干板上时 , 物体散射光与参考光进行相干叠加 , 其结果产生极精细的干涉条纹 (条 纹间距在 5× 10- 4cm 量级 )。被记录在感光板上。到达感光板 H 上的参考光波的振幅和位相是由光 路确定的 , 与被摄物无关。而射至感光板 H 上的物光的振幅和位相却与物体表面各点的分布和漫 射性质有关系。复杂的物光波可看成由无数物点发出的光的总和。从不同物点来的物光程 (位相 ) 不同 , 因而参考光和物光干涉的结果与被摄物有对应关系。感光板 H 上记录的干涉图像就是由这 些物点所发出的复杂物光波和参考光波相互干涉的结果。一个物点的物光波形成一组干涉条纹 ; 各 不同物点对应的干涉条纹的疏密、走向和反差等分布均不相同。由这些干涉图像迭加在一起就形成 常见的全息图 (ho logram )。其外貌是在均匀的颗粒状的背景上迭加不规则的 , 断续的一些细条纹。 见下图 : 图 (2) 从理论的分析也可以得到同样的结果。假设在感光板平面上 , 由物体散射的物光波的复振幅 为 : O (C → , t) = O 0 (C → ) ei〔 U0 ( C → ) - Xt〕 　　式中 : O 0 (C → )、 U0 (C → )表示与空间位置相关的振幅与位相 , 同理参考 光波也具有 : 　　　　　 R (C → . t) = R 0 (C → ) ei〔 UR ( C → ) - Xt〕 则两列光波在干板平面上相干叠加时 , 产生的合振动为 : 　　　　　 E (C → , t) = O (C → , t) + R (C → , t) = O 0 (C → ) ei〔 U0 (C) → - Xt ]+ R 0 (C) → ei[UR ( C → ) - Xt〕 合振动的振幅底平方等于合振动乘以其共轭复数 , 即 : 　　　　　 I(C) =〈 E (C → , t) E3 (C → , t)〉 = ?R ? 2+ ?O ? 2+ R 3 O + RO 3 = ?R ? 2+ ?O ? 2+ 2?R ??O ?co s[UR (C → ) - U0 (C → ) ] 式中 :〈 〉表示对时间求平均 , 观察上式 , 在强度分布中与时间相关的相都自动消失了。所有保 留的项都是空间相关项 , 其中第一项参考光的光强度 , 它构成干板平面上的均匀背景 ; 第二项为物 光的光强度 , 它在平面随不同位置而异 , 但在实际情况下 , 考虑反差 , 它的数值较第一项小得多。第 三项则代表两个光波之间的干涉效应 , 结果将产生干涉条纹 , 它是被余弦因子所调制的。其条纹对 比度为 : V = 2?R ??O ? (?R ? 2+ ?O ? 2)　条纹形状由 (UR - U0)决定 , 可以想象 (UR - U0)的空间变化不 一定是线性的 , 也不一定是单调的。因而 , 干涉条纹的疏密、取向、强弱和对比度都随处变化的 , 但其 变化决不是随机的。而是以 UR 随空间的变化为标准 , 把物光波的位相分布 U0 以光强变化的形式按 公式 (5)反映出来。而振幅则以条纹的调制深度记录下来。 2. 全息图的再现 全息照相在感光板 H 上记录的不是被摄物体的直观形象 , 而是许多组复杂的干涉条纹的集 合。故在重现观察时必须采用一定的再现手段。经过记录的全息图经显影和定影后 , 用原参考光束 ·9·　第四期　　　　　　　　　　　　　　　　　　萍乡高等专科学校学报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　 ? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 照明就可以得到清晰的物体的像 , 这个过程称为全息图的再现。全息照片的再现观察方式 , 见下图 : 图 (3) 在再现过程中 , 假设全息底片工作于其线性区内 , 它把曝光记录时入射光强分布线性地变换为 显影后的振幅透射率分布 , 则经显影、定影处理后的全息图 , 其振幅透过率与光强成正比 , 即 　　　　　　 t (x, y) = t0+ BI(x, y) 其中 t0, B为常数 , B与底片灯光及显影过程有关 , t0 与底片灰雾有关。 当用原参考光照明再现全息图时 , 通过全息图面后的光场分布为 　　　　 E rec (C → , t) = R (C → , t) t (C → ) = R〔 t0+ B(?R ? 2+ ?O ? 2)〕 + BRR 3 O + BRRO 3 = E1+ E2+ E3 其中 E1= R〔 t0+ B(?R ? 2+ ?O ? 2)〕代表与再现光波相同的透射光场 (通常称为零级衍射 ) ; E2= B?R ? 2O 与原始物光波相同 , 因为是由物面散射形成的 , 它包含着与光轴成各种角度的各平面波故观察 到虚象 (通常称为 + 1 级衍射 )。 E3= BR 2O 3 为共轭物光波 (称为 - 1 级衍射 ) , 其结果是一个空间倒 置的原始物体的像 (实像 ) , 此共轭像因为还受到再现光波 R 的位相调制 , 故将产生位相畸变。 当用原参考光的共轭光 (保持波面相同 , 反方向传播 )照明再现全息图时 , 通过全息图面后的光 场分布为 : 　　　　 E rec (C → , t) = R 3 (C → , t) t (C) → = R 3〔 t0+ B(?R ? 2+ ?O ? 2)〕 + BR 3 R 3 O + BR 3 RO 3 = E1+ E2+ E3 这时 , 其中 E3= B?R ? 2O 3 为再现共轭物波 , 这是一个无畸变的实象。可见 , 全息图将再现光衍射而产 生表征原始物光波前特性的所有光学现象。 二、熟悉实验的主要特点 全息照相的主要特点 : (1)全息图片最突出的特点是再现出的被摄物形象是完全逼真的三维形象。具有显著的视差特 性。如果观察者的头部上下左右摆动时 , 就可看到物体不同的侧面 , 所看到的整个景像那样逼真 , 富 有层次。 (2) 全息照片具有可分割的特性 , 其中任一小部分仍能再现出完整的被摄物形象 , 不过当被分 割部份太小时 , 再现景象的亮度和辨率会伴随着降低。 ·01· 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　萍乡高等专科学校学报　　　　　　　　　　　　　　　　　第四期　 ? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. (3)全息图片可多重记录 , 对同一张全息感光板 (H ) 可进行多次重复曝光记录。记录时的物光 和参考光以及再现时的再现光 , 三者是一一对应的 , 记录时用什么物 , 再现时也就得到它的像 ; 如果 再现光与原参考光波长不同 , 再现物像就会发生放大或缩小的变化 ; 如果入射角不同 , 则像的亮度 和清晰度就会大大降低 , 入射角改变较大时 , 像将完全消失 , 利用以上特点可在同一块干板上得到 放大或缩小的全息像和在同一张全息底片上对于同的物体记录多个全息系 , 一般在每次拍摄前 , 灯 光稍微改变参考光的入射角 , 或改变物体的空间位置。 三、熟悉实验内容和步骤 1. 实验前的准备 (1)选择远离振源、振动较小的房间为实验室 , 以砖石水泥做一个实验台 , 并放上防振材料和全 息台面。其后 , 用迈克尔逊干涉仪检查台面稳定性 , 以干涉图样稳定为合格。 (2)全息照相包括拍摄全息图和再现物象两个过程。要成功地拍摄一张精细条纹的全息照片 , 要求有相干性较好的 H e- N e 激光器作光源 , 视拍摄物的大小以及拍摄爆光时间的长短来选择激 光光源功率大小。 (3) 一般全息图的记录介质是采用感光乳胶 , 它通过受光乳胶的黑度来记录光强的强弱 , 故要 采用性能良好的感光材料作记录介质 , 其分辨率 1000 条 毫米或 1600 条 毫米的银酸锂单晶感光 材料作记录介质。 (4)设备比较完善的冲洗像暗房。 (5) 根据课程要求确定实验内容 , 除实验室的特殊要求外 , 一般基本实验内容是利用反射全息 照相拍摄实物的全息图片和观察全息图的再现象。 2. 拍摄全息图片步骤 (1)选择合适的光路图。按全息图的结构和观察方式分类 , 可以分为透射全息图和反射全息图。 透射全息图是指拍摄时物光与参考光从全息片的同一侧射来 (如图 ) ; 而反射全息图是指在拍摄时 物光与参考光分别从全息图两侧射来。当被照明再现时 , 对透射全息图 , 观察者与照明光源分别在 全息图的两边 ; 而对反射全息图 , 观察者与照明光源则在同一侧。因此在确定光路系统时 , 要根据被 摄物是透明或不透明的具体情形 , 来选择透射全息图或反射全息图。 (2)布置光路系统。选择好光路图后 , 并按图布置光路系统。在安排光路时应考虑以下几点 : ① 尽量减少物光和参考光的光程差。一般将光程控制在几个厘米以内或接近于零。 ②参考光和物光的光强比 B = IR I0 一般选取范围为 1: 10～ 10: 1。为此需挑选反射率合适的分 光板和衰减片为满足此要求。 ③投射于感光板上的参考光和物光的夹角 , 一般选取范围为 45° - 90°。 ④为减少光损失及干扰 , 选用的光学元件数越少越好。 ⑤需特别注意将光学元件 (包括感光干板 )装夹牢固。因为光路中光学元件之间任何一种微小 的移动或振动 , 对产生干涉的影响很大 , 甚至破坏全息图 , 使拍摄失败。 (3)首先牢固装夹各光学元件 , 然后 , 在底片夹上放上一块黑色板 (代感光片 ) , 开启光源观察被 摄物及黑色板是否被均匀照明 , 再调整物光和参考光和光程差和光强度 , 使其在要求范围里 , 最后 消除杂散光的干扰。在达到所有的要求后 , 关闭其它灯 , 开启安全灯 , 拿下黑色板 , 放上感光片 , 感光 片乳胶要面向物体。 (4)选择爆光时间。具体爆光时间由感光材料的性能、激光光源的功率、被摄物的大小和系统的 反射性能决定。 (5)进行爆光。选择无外界其它干扰和要求室内人员暂时静止不动的时候进行正常爆光。 ·11·　第四期　　　　　　　　　　　　　　　　　　萍乡高等专科学校学报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　 ? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. (6)爆光后进行显影、定影等化学处理。处理过程和普通感光片的处理基本相同。其后进行漂 清、漂白、晒干 , 即得全息图片。 3. 观察全息图片的再现象 得到全息图片后 , 利用全息图片可重新获得原始现象 , 原始物象包括实象和虚象 , 见图如下 : 图 (4) (1)判别所给全息照片的乳胶面 (即感光药膜面 ) , 仔细观察其上所记录的干涉图样 , 或利用 10 × 10 倍以上的显微镜 , 观察已漂白的全息照片全息图的显微形式。注意在全息感光板的不同部位 上这些干涉条纹的格调 (条纹分布、黑度和疏密 )。 (2)观察再现的虚象。如图 4 (a)所示的光路 , 将全息照片 H 放到光束截面被放大的激光束中 , 或放到原参考光下 , 注意感光膜面应向着再现光束 , 再现光束的位置和方向最好与拍摄时一致。因 为存在视差现象 , 观察者可不断改变他的观察方位和距离 , 找到最佳观察位置。 (3)观察再现实象。如图 4 (b)所示的光路 , 用未扩束的激光直射到全息照片的玻璃片基面 (反 面 )上 , 选取适当的夹角 , 再用毛玻璃漫射观察屏 S 来接收再现实象。应当注意 : 再现入射光束的入 射点不同时 , 再现实象的视差效应也不同。只有象质最佳的位置才是实象位置。 (4) 反射全息图也可以用白光再现 , 当用白光照明再现时 , 全息图沿着光线方向的反射就可观 察到再现的单色像。 (5) 观察到的全息再现象效果最佳时 , 可和原物大小一样 , 是细节精美、形态逼真的三维像 , 整 个画面层次清楚 , 可做到超景深 , 是普通照相术不可比拟的。 四、总结观察结果 结合全息图的记录过程 , 再现象的观察过程、感光片的处理过程 (显影、定影等 ) 以及感光材料 的性能等各方面因素的影响 , 分析评价全息图的亮度效果、景深范围、视角大小和幅面宽度等全息 显示的技术效果 , 写出实验报告。 五、结论 当今 , 全息技术有了飞跃发展 , 特别是全息和狭缝技术相结合的产物——彩虹全息图以及全息 和印制技术相结合的产物——模压全息图 , 更具有特色 , 开创了全息新工艺技术。 全息照相的其它应用 , 如全息显示、全息干涉计量、全息光学元件、全息信息存贮等都已发展到 具有广泛前景的实用阶段。特别是商标全息加密技术的应用已深入到各行各业。 全息照相术不仅应用开发方面取得了很大进展 , 而且已发展成为现代光学中一门新兴学科 ——全息学 , 进入到高科技领域。此领域的科研方面的课题也很多 , 学生在做好基本实验的前提下 可开展一些有关科研方面的探讨 , 从而可以增长广泛的知识、获取相关的新技术 , 相应也可提高学 生的科研能力、创新能力和技术素质。 完成这样的实验 , 需要事实求是的科学态度、严肃认真的工作作风和善于钻研的学习精神。教 师应该从严要求学生完成整个实验。 责任编辑 : 廖建波　 ·21· 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　萍乡高等专科学校学报　　　　　　　　　　　　　　　　　第四期　 ? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.