第25卷第5期 激光技术 Vol,25,N.5 2001年10月 LASER TECHNOLOGY October 2001 参物光夹角和光强比对全息图拍摄效果的研究 金清理薛漫芝卢晓燕严胜娟 (温州师范学院物理与电子信息科学系,温州,325003) 摘要:对全息照相实验参考光与物光的夹角和光强比的取值范围进行探讨。拍摄不同夹角 和光强比的全息图,观察其再现像的效果。实验表明,参考光与物光的夹角在0~140°光强比为 2~120的取值范围,可得到较满意的结果 键词:物光参考光光强比夹角 Study on the effect of included angle and intensity ratio bet ween reference beam and object bea m on hologra phy Jin Qingli, Xue Marrhi, Lu Xiaoyan, Yan Shengyuan Department of Physics and Electronic Information Sciences, Wenzhou Normal Gollege, Wenzhou, 325003 Abstract The range of the included angle and intensity ratio between reference beam and object beam in ography have been studied through observation of the reappear images with different included angle and intem sity ratio. Experiments show that the results would be satisfactory as the range of included angle is ( and the intensity ratio is 2 1-120. Key words: object light reference beam intensty ratio included angle 言 目前,全息照相实验是大学物理专业学生必修课程之一,有关全息照相实验的参考书对参 考光与物光的夹角和光强比的取值范围的规定有一定的局限性。一般规定拍摄时光路调节要 求夹角在20°~60°范围,光强比为2:~10:之间5,使学生形成参考光与物光的夹角和光 强比只能处于此范围内才能拍摄成功的错觉,同时给实验带来不便 我们对全息照相实验进行研究,在不同的角度分别用不同的光强比拍摄系列的全息图,根 据全息图的再现结果,明确θ角和光强比的取值范围,实验结果较为满意,对实验教学有一定 的参考指导意义 holographic dry plate reference beam 1实验原理的可行性分析 1.1全息图的拍摄 全息图的拍摄如图1所示,参考光与物光在 全息干版上产生干涉。参考光主要在干版上形成 object light 密度,它的相位确定与物光波无关;而物光射至干 Fig. 1 Diagram mtes of mlogran 版上与参考光产生干涉在干版上以干涉条纹的形式记录物体的信息。它的位相与物体表面 各点的分布和漫反射的性质有关。设全息干版所在为xy平面,物光O和参考光R为平面 波,令 0(x,y,D=O0(x,ye“ 2 01995-2005 T inghua Tongfang Optical Disc Co, LId. All rights reserved
参物光夹角和光强比对全息图拍摄效果的研究 金清理 薛漫芝 卢晓燕 严胜娟 (温州师范学院物理与电子信息科学系 ,温州 ,325003) 摘要 : 对全息照相实验参考光与物光的夹角和光强比的取值范围进行探讨。拍摄不同夹角 和光强比的全息图 ,观察其再现像的效果。实验表明 ,参考光与物光的夹角在 0～140°、光强比为 2∶1～120∶1的取值范围 ,可得到较满意的结果。 关键词 : 物光 参考光 光强比 夹角 Study on the effect of included angle and intensity ratio between reference beam and object beam on holography Jin Qingli , Xue Manzhi , Lu Xiaoyan , Yan Shengjuan (Department of Physics and Electronic Information Sciences ,Wenzhou Normal College , Wenzhou , 325003) Abstract : The range of the included angle and intensity ratio between reference beam and object beam in holography have been studied through observation of the reappear images with different included angle and inten2 sity ratio. Experiments show that the results would be satisfactory as the range of included angle is 0～140°and the intensity ratio is 2∶1～120∶1. Key words : object light reference beam intensity ratio included angle 引 言 目前 ,全息照相实验是大学物理专业学生必修课程之一 ,有关全息照相实验的参考书对参 考光与物光的夹角和光强比的取值范围的规定有一定的局限性。一般规定拍摄时光路调节要 求夹角在 20°～60°范围 ,光强比为 2∶1～10∶1 之间[1～5 ] ,使学生形成参考光与物光的夹角和光 强比只能处于此范围内才能拍摄成功的错觉 ,同时给实验带来不便。 我们对全息照相实验进行研究 ,在不同的角度分别用不同的光强比拍摄系列的全息图 ,根 据全息图的再现结果 ,明确θ角和光强比的取值范围 ,实验结果较为满意 ,对实验教学有一定 Fig. 1 Diagram notes of hologram 的参考指导意义。 1 实验原理的可行性分析 1. 1 全息图的拍摄 全息图的拍摄如图 1 所示 ,参考光与物光在 全息干版上产生干涉。参考光主要在干版上形成 密度 ,它的相位确定与物光波无关 ;而物光射至干 版上与参考光产生干涉 ,在干版上以干涉条纹的形式记录物体的信息。它的位相与物体表面 各点的分布和漫反射的性质有关。设全息干版所在为 x2y 平面 ,物光 O 和参考光 R 为平面 波 ,令 : O ( x , y , t) = Oo ( x , y) e iωt (1) 第 25 卷 第 5 期 2001 年 10 月 激 光 技 术 LASER TECHNOLOGY Vol. 25 ,No. 5 October ,2001 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
第25卷第5期 金清理参物光夹角和光强比对全息图拍摄效果的研究 R(x,y, t)=Ro(x, y)ion 根据叠加原理,感光干版上的总场强U(x,y,D)为 U(x,y,t)=O(x, y, t)+R(x,y, t=Ooe+roe 在感光干版上的光强为合振幅的平方,即 /x,y=|a+R|2=aO+RR'+OR+ROb=A+A+2A1Aos(+中)4 式中,第1项后反映了物光的光强在底片上不同位置有不同的大小。第2项A反映参考光 的光强,由于Ar是均匀分布的,在底片上构成均匀的背景。第3项2A1Aos(ψ-中)反映了 两束相干光的振幅和相对相位的关系 根据干涉理论,在全息干版上记录参考光与物光条纹的平均宽度d为 d= N2sin(0/2) 式中,为入射光波长,0为参考光与物光之夹角,d的倒数n为分辨率,则有 AsIn 实验所使用的全息干版分辨率为300ne/m,由(6)式得:当n=300ine/m时, 0=143°,按全息干版的分辨本领0角的取值范围应达到0~143 1.2全息图的再现 全息图的再现是以原参考光相似的再现光照射,使全息图衍射产生第1级虚像和实像 设全息干版对再现光振幅的透过率(x,y(透射光的复振幅/入射光的复振幅)与入射光强 (x,y的关系为:T(x,y=b+月O+R|2,l为底片的灰雾度,B为比例常数。当以原参考 光为再现光入射全息图时透射光的复振幅A(x,y)为 A(x, y)= T(x, y).=IoR+BR|0o+R12 lo Ro+BRo( 0.|2+I Ro12+BR. R.O.+ BR. R Oo virtual image (7)式中第1,2项为零级衍射,第3项为第1级虚 像,第4项为第1级实像,如图2所示。判断全息图 zero level 拍摄的效果好坏,将拍得的全息图放回原参考光路 中在第1级衍射处直接看虚像的清晰度。 object light real image 2拍摄过程 Fig 2 Diagram of the reappear for hologram 实验采用输出功率为30mW的HNe激光器 调节参考光与物光不同夹角和不同的光强比进行系例拍 摄,光照强度用图3装置测量,测量时狭缝内光电池放在全 息干版处位置并面对入射光。为避免参考光强度大光点检 流计量程改变有误差,测量参考光光强时将电键3换到Ⅱ 位置进行电阻分流,使检流计在同一量程档进行测量,提高 其精度。 Fig 3 Diagram of the measurement de 在某一角度(如=15°)拍摄系列不同光强比的全息 图,分别拍摄光强比为8:1,301,50:1,701,100:1,1101 1-sit 2-phmtocell 3-switch G- 140:1等共8张。将拍得的全息图再用图2所示再现 spotgal ammeter R-resistance 2 01995-2005 T inghua Tongfang Optical Disc Co, LId. All rights reserved
R ( x , y , t) = Ro ( x , y) eiωt (2) 根据叠加原理 ,感光干版上的总场强 U ( x , y , t) 为 : U ( x , y , t) = O ( x , y , t) + R ( x , y , t) = Ooe iωt + Roe iωt (3) 在感光干版上的光强为合振幅的平方 ,即 : I( x , y) =| Oo + Ro | 2 = Oo O 3 o + Ro R 3 o + Oo R 3 o + Ro O 3 o = A 2 o + A 2 r + 2ArAocos(φo +φr ) (4) 式中 ,第 1 项 A 2 o 反映了物光的光强 ,在底片上不同位置有不同的大小。第 2 项 A 2 r 反映参考光 的光强 ,由于 Ar 是均匀分布的 ,在底片上构成均匀的背景。第 3 项 2ArAocos(φo - φr ) 反映了 两束相干光的振幅和相对相位的关系。 根据干涉理论 ,在全息干版上记录参考光与物光条纹的平均宽度 d 为 : d = λ/ 2sin (θ/ 2) (5) 式中 ,λ为入射光波长 ,θ为参考光与物光之夹角 , d 的倒数η为分辨率 ,则有 : η = 1 d = 2sin(θ/ 2) λ (6) 实验所使用的全息干版分辨率为 3000line/ mm ,由 ( 6) 式得 : 当 η = 3000line/ mm 时 , θ= 143°,按全息干版的分辨本领θ角的取值范围应达到 0～143°。 1. 2 全息图的再现 全息图的再现是以原参考光相似的再现光照射 ,使全息图衍射产生第 1 级虚像和实像。 设全息干版对再现光振幅的透过率 T ( x , y) (透射光的复振幅/ 入射光的复振幅) 与入射光强 I ( x , y) 的关系为 : T( x , y) = to +β| Oo + Ro| 2 , to 为底片的灰雾度 ,β为比例常数。当以原参考 光为再现光入射全息图时 ,透射光的复振幅 A ( x , y) 为 : A ( x , y) = T( x , y) Ro = to Ro +βRo | Oo + Ro | 2 = to Ro +βRo (| Oo | 2 +| Ro | 2 ) +βRo R 3 o Oo +βRo Ro O 3 o (7) Fig. 2 Diagram of the reappear for hologram (7) 式中第 1 ,2 项为零级衍射 ,第 3 项为第 1 级虚 像 ,第 4 项为第 1 级实像 ,如图 2 所示。判断全息图 拍摄的效果好坏 ,将拍得的全息图放回原参考光路 中在第 1 级衍射处直接看虚像的清晰度。 2 拍摄过程 实验采用输出功率为 30mW 的 He2Ne 激光器 , Fig. 3 Diagram of the measurement de2 vice for light intensity 1 —slit 2 —photocell 3 —switch G— spotgal vanometer R —resistance 调节参考光与物光不同夹角和不同的光强比进行系例拍 摄 ,光照强度用图 3 装置测量 ,测量时狭缝内光电池放在全 息干版处位置并面对入射光。为避免参考光强度大光点检 流计量程改变有误差 ,测量参考光光强时将电键 3 换到 Ⅱ 位置进行电阻分流 ,使检流计在同一量程档进行测量 ,提高 其精度。 在某一角度 (如θ= 15°) 拍摄系列不同光强比的全息 图 ,分别拍摄光强比为 8∶1 ,30∶1 ,50∶1 ,70∶1 ,100∶1 ,110∶1 , 140∶1 等共 8 张。将拍得的全息图再用图 2 所示再现 , 第 25 卷 第 5 期 金清理 参物光夹角和光强比对全息图拍摄效果的研究 593 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
396 2001年10月 Table 1 The otes of take pictures exposure R O 00846 clear clear 0.1 00 70 120 100 clear 1201 xmxy01234 clear generality clear 1201 generality 0.1 38 100I clear clear 1001 clear 120I 80 100 clear 0.2 110:1 mot have 看其再现虚像的效果,判断清晰度。在拍摄过程中由 于定时器最小时间控制量为0.1s,光强比值大的曝光 稍有过渡通过减少显影时间来弥补。拍摄的结果记 录如表1。图4为两张再现虚像翻拍所得的照片 3结 论 实验表明,参考光与物光的夹角取值范围达到Fg4 Take photos of reappear images 140°与理论基本相符。由于当夹角大于90°时,拍摄调a-=15°, Intensty ratio120:b-=90° 整光路不便和再现虚像太斜一侧难于观察,没有应用 意义;当夹角小于15°时,拍摄仪器在操作台上放置也有难度。因此,实验时夹角的取值范围为 15°~90°为宜。光强比在2~1201范围内都能拍到清晰全息图,这样的取值范围几乎没有 2 01995-2005 T inghua Tongfang Optical Disc Co, LId. All rights reserved
Table 1 The notes of take pictures No. θ R∶O exposure (s) reappear images 01 02 03 04 05 06 07 08 15° 8∶1 0. 2 clear 20∶1 0. 1 clear 30∶1 0. 1 clear 50∶1 0. 1 clear 70∶1 0. 1 clear 100∶1 0. 1 clear 120∶1 0. 1 clear 140∶1 0. 1 generality 09 10 11 12 13 14 15 16 30° 2∶1 0. 2 clear 15∶1 0. 2 clear 26∶1 0. 1 clear 40∶1 0. 1 clear 80∶1 0. 1 clear 100∶1 0. 1 clear 120∶1 0. 1 clear 140∶1 0. 1 generality 17 18 19 20 21 22 23 40° 10∶1 0. 2 clear 20∶1 0. 1 clear 40∶1 0. 1 clear 60∶1 0. 1 clear 80∶1 0. 1 clear 100∶1 0. 1 clear 120∶1 0. 1 generality 24 25 60° 7∶1 0. 2 clear 30∶1 0. 1 clear No. θ R∶O exposure (s) reappear images 26 27 28 29 30 60° 60∶1 0. 1 clear 80∶1 0. 1 clear 100∶1 0. 1 clear 110∶1 0. 1 clear 120∶1 0. 1 generality 31 32 33 34 35 36 37 38 80° 15∶1 0. 2 clear 30∶1 0. 1 clear 45∶1 0. 1 clear 70∶1 0. 1 clear 90∶1 0. 1 clear 100∶1 0. 1 clear 120∶1 0. 1 generality 140∶1 0. 1 not have 39 40 41 42 43 44 45 90° 5∶1 0. 2 clear 20∶1 0. 2 clear 50∶1 0. 1 clear 80∶1 0. 1 clear 100∶1 0. 1 clear 120∶1 0. 1 generality 140∶1 0. 1 not have 46 47 130° 35∶1 0. 1 clear 70∶1 0. 1 clear 48 49 50 140° 70∶1 0. 1 clear 90∶1 0. 1 generality 110∶1 0. 1 not have Fig. 4 Take photos of reappear images a —θ= 15°,intensity ratio 120∶1 b —θ= 90°, intensity ratio 120∶1 看其再现虚像的效果 ,判断清晰度。在拍摄过程中由 于定时器最小时间控制量为 0. 1s ,光强比值大的曝光 稍有过渡 ,通过减少显影时间来弥补。拍摄的结果记 录如表 1。图 4 为两张再现虚像翻拍所得的照片。 3 结 论 实验表明 ,参考光与物光的夹角取值范围达到 140°与理论基本相符。由于当夹角大于 90°时 ,拍摄调 整光路不便和再现虚像太斜一侧难于观察 ,没有应用 意义 ;当夹角小于 15°时 ,拍摄仪器在操作台上放置也有难度。因此 ,实验时夹角的取值范围为 15°～90°为宜。光强比在 2∶1～120∶1 范围内都能拍到清晰全息图 ,这样的取值范围几乎没有 693 激 光 技 术 2001 年 10 月 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
第25卷第5期 金清理参物光夹角和光强比对全息图拍摄效果的研究 限制,任意调整都能满足要求给全息照相实验教学有一定的参考指导意义。 参考文献 1李正平,王广泰,李冬梅.新编大学物理实验,北京:中国石化出版社,1998:356~363 2唐远林,朱肖平.大学物理实验.重庆:重庆大学出版社,19923-240 3杨述武.普通物理实验(三、光学部分).第2版,北京:高等教育出版社,1993:194~203 4邬鸿彦,朱明刚.近代物理实验.北京:中国科学出版社,1995:140~149 5肖苏.实验物理教程.北京:中国科学出版社,1998:231~237 作者简介:金清理,男,1956年8月出生。实验师。主要从事激光全息教学与研究工作 收稿日期:2000705收到修改稿日期:200911 A白 重庆金帛科技有限公司 地址:重庆市渝北区龙溪镇花卉东路36号富贵花园二楼邮编:401147 电话:023-679117806790496 传真:023-67909717Emal: shuli 连续YAG激光系统的钻石组合 香蕉圆镀金聚光腔声光Q开关电源 100W YAG 换灯棒无须重调光 工作频率:25MHz 激光器水冷机 带精密调整膜片架 调制频率:1~35kHz 日本压缩机,快换接头 10s 意大利不锈钢水泵 水温控制范围:5~30度 温度漂移:0.5度 流量:35升/分 连YAG激光电瓴 扬程:48米 日本IGBT模块 美国自适应一次点燃技术 输入电压:160~250VAC 输出电流:0~30ADC 控制方式:PwM 电流纹波:500MW/cm2 插入损耗:80W(多模) 2 01995-2005 T inghua Tongfang Optical Disc Co, LId. All rights reserved
限制 ,任意调整都能满足要求 ,给全息照相实验教学有一定的参考指导意义。 参 考 文 献 1 李正平 ,王广泰 ,李冬梅 1 新编大学物理实验 1 北京 :中国石化出版社 ,1998 :356～363 2 唐远林 ,朱肖平. 大学物理实验. 重庆 :重庆大学出版社 ,1999 :233～240 3 杨述武. 普通物理实验(三、光学部分) . 第 2 版 ,北京 :高等教育出版社 ,1993 :194～203 4 邬鸿彦 ,朱明刚. 近代物理实验. 北京 :中国科学出版社 ,1995 :140～149 5 肖 苏. 实验物理教程. 北京 :中国科学出版社 ,1998 :231～237 3 3 3 作者简介 :金清理 ,男 ,1956 年 8 月出生。实验师。主要从事激光全息教学与研究工作。 收稿日期 :2000207205 收到修改稿日期 :2000209211 第 25 卷 第 5 期 金清理 参物光夹角和光强比对全息图拍摄效果的研究 793 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved