杭州电子科技大学：《大学物理》课程实验指导（近代物理）实验09 全息照相实验.pdf_大学文库

近代物理实验一一物理实验教学中心实验09全息照相实验引言全总照相术是一种新的信总记录和显示方法，与传统的照相术有着完全不同的概念。传统的照相术是以几何光学为基础，采用光学透镜把物体的像成像于底片上。物与像有者一一对应的关系。全息照相则以物理光学理论为基础，无需光学透镜，而使物体发出的光波直接照射到全息底片上，应用光波干涉原理，将物体光波的全部信息记录在全息底片上，制成全息图。它所记录的不是物体的像，而是记录了反映物体光波特性的振幅和位相。因而在全息图上看不到物体的像，看到的只是物体光波和参考光波干涉所形成的条纹。为了再现原来物体的光波，还需要用与参考光相似的相干光束照射全息图，通过全息图上干涉条纹的衍射作用，能再现出与原始物体光波相同的光波，透过全息图可看到原来物体的像。全息相照除了具有三维成像特点外，还可在一张底片上重复记录若干不同物体的信息而不会使再现像互相重叠，因此用途很广。目前在精密干涉计量、光测应力分析、全息无损检验、光学信总处理、信总存储、显微光学、集成光学等各个方面都得到广泛应用。实验目的 1.了解全总照相的基本原理。 2.学会调节光路，并摄制全息照片。实验原理全息照相以光波干涉原理为基础。其基本思想是要把待测物体的漫反射光波的全部信息 (振幅和位相)记录在感光乳胶上。但现有的记录介质仅对光强有响应。这就需要把位相信息转换成光强的变化。用干涉法可做到这点，即把振幅和位相已知的相干波和未知的相干波一起照射到全息底片上，使两个波的波前叠加，产生干涉，如图1(a)所示。因此，照射到全息 (b) 图1全息照相原理 (a)记录)再现

近代物理实验 —— 物理实验教学中心实验 09 全息照相实验引言全息照相术是一种新的信息记录和显示方法，与传统的照相术有着完全不同的概念。传统的照相术是以几何光学为基础，采用光学透镜把物体的像成像于底片上。物与像有着一一对应的关系。全息照相则以物理光学理论为基础，无需光学透镜，而使物体发出的光波直接照射到全息底片上，应用光波干涉原理，将物体光波的全部信息记录在全息底片上，制成全息图。它所记录的不是物体的像，而是记录了反映物体光波特性的振幅和位相。因而在全息图上看不到物体的像，看到的只是物体光波和参考光波干涉所形成的条纹。为了再现原来物体的光波，还需要用与参考光相似的相干光束照射全息图，通过全息图上干涉条纹的衍射作用，能再现出与原始物体光波相同的光波，透过全息图可看到原来物体的像。全息相照除了具有三维成像特点外，还可在一张底片上重复记录若干不同物体的信息而不会使再现像互相重叠，因此用途很广。目前在精密干涉计量、光测应力分析、全息无损检验、光学信息处理、信息存储、显微光学、集成光学等各个方面都得到广泛应用。实验目的 1．了解全息照相的基本原理。 2．学会调节光路，并摄制全息照片。实验原理全息照相以光波干涉原理为基础。其基本思想是要把待测物体的漫反射光波的全部信息 (振幅和位相)记录在感光乳胶上。但现有的记录介质仅对光强有响应。这就需要把位相信息转换成光强的变化。用干涉法可做到这点，即把振幅和位相已知的相干波和未知的相干波一起照射到全息底片上，使两个波的波前叠加，产生干涉，如图 1(a)所示。因此，照射到全息（a） (b) 图 1 全息照相原理 (a)记录 (b)再现

近代物理实验一一物理实验教学中心由式(6)所决定的全息图具有一定的振幅透射率，即全息图的透明区允许光通过的成分多一些，而阴暗区允许光通过的成分少一些。把透射光的振幅与照射光的振幅之比定义为振幅透射率T。显然，振幅透射率是全息图曝光量E的函数 T=f(E) (E)的函数形式与全息底片乳胶特性有关。牒光量E与振幅透射率T之间的关系曲线如图2 所示。从曲线可以看出，它是非线性函数，但曲线中间部分却似近地成线性关系。当全息底片在联光时位于T一￡曲线的线性部分时，则透射率就与曝光量成线性关系，即 T(x,y)=mE (9) 其中m为常数。将(6)式代入上式可得 T(x,y)=ml(x,y)=B1(x,y)(10) 式中B=m 如果再现时用的再现光波与记录时的完光波完全一样，也就是用 Rc=R=Ro(x,y)e'tau) 图2曝光量与振幅透过率照射全息图，则全息图透射的光波场为： I,=T(x.y).R=BR(x.y)+(x.y)R(x.y)e() +BR3x,em.0,(x,en+BR3(x0,(c,e（a1D 上式表示再现时的光波场。如果用于再现的光波充分均匀，则R(化，)在整个全息图上近似为常数，雨方程的第三项正好是R(化，川乘上物光泼O,(任， ,再现时，它表示一个与物体光波相同的透射波，具有原物体光波的一切性质。如果迎者这列光波观察，就会看到一个与原物体一样的像。再现物体光波就像是从这个“像”发出的。所以这个透射光波被称之为原始物体的波前再现，再现时，实际物体并不存在。再现像是由全息图上干涉条纹衍射光线的反向延长线所构成。这个再现像称为原始物体的虚像，如图1()所示。(11)式中的第二项也包含物体光波的振幅和位相信息，但它与原始物体光波的前进方向不同，这一点可以从位相相中看出。，(：)前的负号表示再现光波相对原始物光波来说，在位相上是共轭的。从物理意义上来讲，如果原物体光波是发散的，则该项衍射光波将是会聚的，在全息图后边某处形成物体的一个实像。(1)式中第一项表示衍射光在照明光束方向传播的光波，它通过全息图后，光轴不偏移，形成一种均匀的背景光

近代物理实验 —— 物理实验教学中心由式(6)所决定的全息图具有一定的振幅透射率，即全息图的透明区允许光通过的成分多一些，而阴暗区允许光通过的成分少一些。把透射光的振幅与照射光的振幅之比定义为振幅透射率T 。显然，振幅透射率是全息图曝光量 E 的函数  EfT )( (Ef ) 的函数形式与全息底片乳胶特性有关。曝光量 E 与振幅透射率 T 之间的关系曲线如图 2 所示。从曲线可以看出，它是非线性函数，但曲线中间部分却似近地成线性关系。当全息底片在曝光时位于 T—E 曲线的线性部分时，则透射率就与曝光量成线性关系，即 ),(  mEyxT （9）其中 m 为常数。将（6）式代入上式可得    yxIyxmtIyxT ),(),(),( （10）式中   mt 。如果再现时用的再现光波与记录时的完光波完全一样，也就是用 ),( 0 ),( yxi C R eyxRRR   图 2 曝光量与振幅透过率照射全息图，则全息图透射的光波场为：   ),( 0 2 0 2 0 ),( ),(),(),( yxi T c R eyxRyxOyxRRyxTI     （11） ),( 0 2 0 ),( 0 2 ),(2 0 0 0 ),( ),( ),(),( yxi yxi yxi eyxOeyxR eyxOyxR  R         上式表示再现时的光波场。如果用于再现的光波充分均匀，则在整个全息图 ),( 2 0 yxR 上近似为常数，而方程的第三项正好是乘上物光波，再现时，它表示一个与物体光波相同的透射波，具有原物体光波的一切性质。如果迎着这列光波观察，就会看到一个与原物体一样的像。再现物体光波就像是从这个“像”发出的。所以这个透射光波被称之为原始物体的波前再现，再现时，实际物体并不存在。再现像是由全息图上干涉条纹衍射光线的反向延长线所构成。这个再现像称为原始物体的虚像，如图 1(b)所示。(11)式中的第二项也包含物体光波的振幅和位相信息，但它与原始物体光波的前进方向不同，这一点可以从位相相中看出。 ),( 2 0 yxR ),( 0 0 ),( yxi eyxO  ),( 0  yx 前的负号表示再现光波相对原始物光波来说，在位相上是共轭的。从物理意义上来讲，如果原物体光波是发散的，则该项衍射光波将是会聚的，在全息图后边某处形成物体的一个实像。(11)式中第一项表示衍射光在照明光束方向传播的光波，它通过全息图后，光轴不偏移，形成一种均匀的背景光

近代物理实验一一物理实验教学中心 3.全息照相应考忠的问题：要拍摄到像质很好的全总照片，要注意以下问题： 3.1全息照相对光源的要求全息照相的记录和再现是利用光的干涉和衍射效应。在全息图的记录中，为了在记录介质上得到清晰的干涉条纹图样，物光束和参考光束必须来自同一光源，并要求光源具有良好的时间相干性，即相干长度一定要大于物光束和参考光束的最大光程差。同时，全息照相记录的物体都是有漫反射表面的三维物体，记录物体上每一点的漫反射光波都要与参考光波中任一点的光波进行干涉。这实际上是光束截面内不同空间点的光场的干涉问题，故，要求光源具有良好的空间相干性，被摄物体横向截面越大，空间相干性要求越高。一般来说，光源的时间相干性决定了能够记录的物体最大景深，而空间相干性则决定了能够记录物体最大横向截面积。激光光源的时间相干性和空间相干性以及功率输出都能满足全总照相对光源的要求，是一种理想的光源。 3.2隔振装置全息照相一般是在银盐全息干版上记录物光和参考光相干涉形成的干涉条纹，条纹密度为数百条到数千条，条纹间距为波数。因此，要摄制一张良好的全息图不仅要求激光光源有足够的相干长度、时间相干性和空间相干性，还要求物体在曝光期间内因环境振动引起的移动量应充分小，使条纹移动量小于入/4，才能得到可分辨的干涉图形。当用功率较低的连续波激光光源作静态全息照相时，由于噪光时间较长（几秒到几分），故必须用隔振性能良好的全息工作台来保证条纹的稳定。采用质量较大的钢板做光学平台，具有较好的隔振性，能满足全息记录对环境隔振的要求。 3.3全息照相技术要获得一张反差良好，图像清晰的全息照片，在照相技术方面必须注意以下几点： (1)参考光和物光之间的夹角不宜过大：条纹间距d-元/2si(0/2),曝光期间条纹移动量不应超过半个条纹宽度，否则就不能形成全息图。 (2)光程选择全息照相时，物光和参考光的光程差必须小于光源的相干长度。为了采用相干长度较小的激光光源摄取景深较大的物体的全息图，光路布置时应尽量采用等光程布置，即要求物光光程和参考光光程大致相等。 (3)光强比的选择当全息干涉光路中的两束激光的光强分别为1，和12时，干涉后合成的光强分布为 1=1+,+2dc0s2A 入式中△为两束光的光程差。若1，=12，则可获得最大的对比度，即条纹的最小强度为零，当位相差为零时最大光强为4工，这对一般线性接收光学元件来说是合适的

近代物理实验 —— 物理实验教学中心 3．全息照相应考虑的问题：要拍摄到像质很好的全息照片，要注意以下问题： 3.1 全息照相对光源的要求全息照相的记录和再现是利用光的干涉和衍射效应。在全息图的记录中，为了在记录介质上得到清晰的干涉条纹图样，物光束和参考光束必须来自同一光源，并要求光源具有良好的时间相干性，即相干长度一定要大于物光束和参考光束的最大光程差。同时，全息照相记录的物体都是有漫反射表面的三维物体，记录物体上每一点的漫反射光波都要与参考光波中任一点的光波进行干涉。这实际上是光束截面内不同空间点的光场的干涉问题，故，要求光源具有良好的空间相干性．被摄物体横向截面越大，空间相干性要求越高。一般来说，光源的时间相干性决定了能够记录的物体最大景深，而空间相干性则决定了能够记录物体最大横向截面积。激光光源的时间相干性和空间相干性以及功率输出都能满足全息照相对光源的要求，是一种理想的光源。 3.2 隔振装置全息照相一般是在银盐全息干版上记录物光和参考光相干涉形成的干涉条纹，条纹密度为数百条到数千条，条纹间距为波数。因此，要摄制一张良好的全息图不仅要求激光光源有足够的相干长度、时间相干性和空间相干性，还要求物体在曝光期间内因环境振动引起的移动量应充分小，使条纹移动量小于 ／4，才能得到可分辨的干涉图形。当用功率较低的连续波激光光源作静态全息照相时，由于曝光时间较长(几秒到几分)，故必须用隔振性能良好的全息工作台来保证条纹的稳定。采用质量较大的钢板做光学平台，具有较好的隔振性，能满足全息记录对环境隔振的要求。 3.3 全息照相技术要获得一张反差良好，图像清晰的全息照片，在照相技术方面必须注意以下几点： (1)参考光和物光之间的夹角不宜过大；条纹间距 d= ／2sin( ／2)，曝光期间条纹移动量不应超过半个条纹宽度，否则就不能形成全息图。 (2)光程选择全息照相时，物光和参考光的光程差必须小于光源的相干长度。为了采用相干长度较小的激光光源摄取景深较大的物体的全息图，光路布置时应尽量采用等光程布置，即要求物光光程和参考光光程大致相等。 (3)光强比的选择当全息干涉光路中的两束激光的光强分别为和时，干涉后合成的光强分布为 1 I 2 I ) 2 21  21 cos(2    IIIII 式中  为两束光的光程差。 2 ，则可获得最大的对比度，即条纹的最小强度为零，当位相差为零时最大光强为 4I，这对一般线性接收光学元件来说是合适的。若 I1 = I