物理实验教程一近代物理实验 [5]吴兴林，代少玉.近代物理实验[M们.西安：西安电子科技大学出版社，2019。 [6]刘惠莲.近代物理实验M.北京：科学出版社，2020. 171 RUAN Y.IARVIS R A.RODE A V.et al.Wavelength Dispersion of verdet Constants in Chalcogenide Glasses for Magneto-optical Waveguide Devices]] Optics Communications,2005,252(3):39-45. [8]KRUK A.MROZEK M.The Measurement of Faraday Effeet of Translucent Material in the Entire Visible Spectrum.Measurement,2020,162(5):1-9. [9]FARADAY M,MARTIN T.Faraday's Diary of Experimental Investigation (Vol.4)[M].2nd Edition.Fairfield.IA:HR Direct.2008. 实验1-8白光再现激光全息照相 为了提高电子显微镜的分辨本领，1947年匈牙利裔的英国应用物理学家丹尼斯·盖 博(D.Gabar)提出了“波前重建”的全息照相(holography)基本原理，并开始了全息照相 技术的研究工作。盖博于1948年用汞灯光源拍摄出世界上第一张“全息照片”，并在《自 然》杂志上发表了一篇介绍全息照相技术的两页短文1949年又在英国《伦敦皇家学会学 报》上发表了一篇37页的长文，详细阐述了全息照相的原理与技术。由于当时缺少相干 性好的光源，全息照相技术的实：用研究没右取得突破性的进展。1960年，高亮度、高相干 的激光光源问世。1963年，在美国密执安大学从事雷达工作的雷斯(E.N.Lei)和乌巴 尼克.Upatnieks)发表了世界上第一张激光全息照片，全息照相技术才有了实用性突破 并迅速发展。盖博因发明和发展全息照相技术而荣获1971年的诺贝尔物理学奖。 现在的光学全息照相技术除了传统的全息照相技术外，还发展出数字全息照相技术 (digital holography);不仅有激光全息照相(laser photography),而且有白光全息照相 (white-light holography)、彩虹全息照相(rainbow holography)、全景全息照相 (panoramic holography),已成为近代物理中一种重要的光学技术。全息照相的基础理论 除了适用于光波之外，还可应用于其他多种类型的波，只要这些波在形成干涉图样时具有 足够的相干性。全息照相技术也从光学领域发展到其他领域，如微波全息照相、电子波全 息照相、X射线全息照相、声被全息照相、地震波全息照相等，在科学研究、军事侦察、医学 诊断、检测分析、艺术展现、生产生活等许多领域都具有广阔的应用空间和实用价值。 全息照相技术的发展可分为四个阶段.第一阶段是水银灯光记录的同轴全息照相.尽 管这是一项开创性技术，但基本没有实用价值：第二阶段是激光记录，激光再现的全息照 相，应用受到一定的限制：第三阶段是激光记录、白光再现的全息照相，实用价值更高：第 四阶段是当前所致力研发的白光记录全息照相，但还没有达到实用阶段。在激光记录、白 光再现的全息照相技术中，反射全息照相技术具有记录光路简单，白光直接再现的优点 而且是实现真彩色全息的重要基础。通过本实验重点学习反射全息照相技术的基本原 —62
— ６２ — [５] 吴兴林,代少玉．近代物理实验[M]．西安:西安电子科技大学出版社,２０１９． [６] 刘惠莲．近代物理实验[M]．北京:科学出版社,２０２０． [７] RUAN Y,JARVISR A,RODEA V,etal．WavelengthDispersionofVerdet ConstantsinChalcogenideGlassesforMagnetoＧopticalWaveguideDevices[J]． OpticsCommunications,２００５,２５２(３):３９Ｇ４５． [８] KRUK A,MRZEK M．TheMeasurementofFaradayEffectofTranslucent MaterialintheEntireVisibleSpectrum[J]．Measurement,２０２０,１６２(５):１Ｇ９． [９] FARADAY M,MARTIN T．FaradaysDiaryofExperimentalInvestigation (Vol．４)[M]．２ndEdition．Fairfield,IA:HRDirect,２００８． 实验１Ｇ８ 白光再现激光全息照相 为了提高电子显微镜的分辨本领,１９４７年匈牙利裔的英国应用物理学家丹尼斯盖 博(D．Gabar)提出了“波前重建”的全息照相(holography)基本原理,并开始了全息照相 技术的研究工作.盖博于１９４８年用汞灯光源拍摄出世界上第一张“全息照片”,并在«自 然»杂志上发表了一篇介绍全息照相技术的两页短文;１９４９年又在英国«伦敦皇家学会学 报»上发表了一篇３７页的长文,详细阐述了全息照相的原理与技术.由于当时缺少相干 性好的光源,全息照相技术的实用研究没有取得突破性的进展.１９６０年,高亮度、高相干 的激光光源问世.１９６３年,在美国密执安大学从事雷达工作的雷斯(E．N．Leith)和乌巴 尼克(J．Upatnieks)发表了世界上第一张激光全息照片,全息照相技术才有了实用性突破 并迅速发展.盖博因发明和发展全息照相技术而荣获１９７１年的诺贝尔物理学奖. 现在的光学全息照相技术除了传统的全息照相技术外,还发展出数字全息照相技术 (digitalholography);不仅有激光全息照相(laserphotography),而且有白光全息照相 (whiteＧlightholography)、彩 虹 全 息 照 相 (rainbow holography)、全 景 全 息 照 相 (panoramicholography),已成为近代物理中一种重要的光学技术.全息照相的基础理论 除了适用于光波之外,还可应用于其他多种类型的波,只要这些波在形成干涉图样时具有 足够的相干性.全息照相技术也从光学领域发展到其他领域,如微波全息照相、电子波全 息照相、X射线全息照相、声波全息照相、地震波全息照相等,在科学研究、军事侦察、医学 诊断、检测分析、艺术展现、生产生活等许多领域都具有广阔的应用空间和实用价值. 全息照相技术的发展可分为四个阶段:第一阶段是水银灯光记录的同轴全息照相,尽 管这是一项开创性技术,但基本没有实用价值;第二阶段是激光记录、激光再现的全息照 相,应用受到一定的限制;第三阶段是激光记录、白光再现的全息照相,实用价值更高;第 四阶段是当前所致力研发的白光记录全息照相,但还没有达到实用阶段.在激光记录、白 光再现的全息照相技术中,反射全息照相技术具有记录光路简单、白光直接再现的优点, 而且是实现真彩色全息的重要基础.通过本实验重点学习反射全息照相技术的基本原
0. 光学测量技术实验第1章 理，掌握全息照相的激光记录和白光再现的实验方法与技术。 【实验目的】 (1)理解全息照相的基本理论，掌握白光再现的反射全息照相的基本原理。 (2)学会反射全息照相的实验方法与技术，掌握拍摄反射全息图的光路设计和调整 方法。 (3)掌握反射全息图的制作方法和再现方法，学会分析反射全息图再现物像的基本 特性。 (4)学会用全息照相的方法与技术研究相关问题。 (5)了解全息照相技术中获得诺贝尔物理学奖的相关成果和研发历程，培养勇于探 索的创新精神，具有科技报国的使命担当。 【预习要求】 (1)什么是全息照相？ (2)全息照相有什么特性 (3)全息照相的基本原理是什么？为什么要分为记录和再现两个基本过程？ (4)反射全息照相实现的最基本条件是什么？激光记录过程主要解决什么问题？白 光再现过程主要解决什么问题 (5)如何设计拍摄反射全息图的基本光路？如何制作反射全息图？如何白光再现全 息图？ 【实验原理】 一、全息照相的基本方法 根据波动光学理论，一定频率的光波都包含着振幅和相位两类信息，光的频率、振幅 和相位可表征物体的颜色、明暗、形状和远近。照相是将物体上各点发出或反射的光波信 息记录在感光材料上。普通照相与全息照相在基本原理上有者本质的区别。普通照相以 几何光学原理为基础，通过成像系统使物体在感光材料上成像，感光强度与物体表面光强 分布有关，光强与振幅的平方成正比，因此普通照相只记录了光波的振幅信息，所成的像 ·觳是物体的一个二维平面像。全息照相以波动光学的干涉和衍射原理为基础，在感光 材料上形成物光的干涉图样，此干涉图样被称为全息图(hologram)。全息图记录了物体 发出或反射光波的振幅，相位的全部信息，在一定的光照条件下才能通过衍射重建原来的 物光波，再现出物体的一个逼真的三维立体像。因此，全息照相包括波前干涉全息记录和 皮前衍射全息再现两个基本过程。按所用再现光源分类，全息照相可分为激光再现全息 照相和白光再现全息照相。 二、激光再现全息照相的基本原理 1.会息，照相的记录 光的千涉 激光全息照相波前干涉记录原理的光路如图1-8-1所示。当一束单色激光照射物体 时因漫反射形成物光波，设在感光片的感光材料上一点(x,y,z)处物光波的波函数为： O(.)-Ao(r.y. 1-8-1） 式中，Ao(x,y,z)和9o(x,y,z)分别为物光波的振幅和相位分布，j为虚数单位。因此照 -63
— ６３ — 理,掌握全息照相的激光记录和白光再现的实验方法与技术. 【实验目的】 (１)理解全息照相的基本理论,掌握白光再现的反射全息照相的基本原理. (２)学会反射全息照相的实验方法与技术,掌握拍摄反射全息图的光路设计和调整 方法. (３)掌握反射全息图的制作方法和再现方法,学会分析反射全息图再现物像的基本 特性. (４)学会用全息照相的方法与技术研究相关问题. (５)了解全息照相技术中获得诺贝尔物理学奖的相关成果和研发历程,培养勇于探 索的创新精神,具有科技报国的使命担当. 【预习要求】 (１)什么是全息照相? (２)全息照相有什么特性? (３)全息照相的基本原理是什么? 为什么要分为记录和再现两个基本过程? (４)反射全息照相实现的最基本条件是什么? 激光记录过程主要解决什么问题? 白 光再现过程主要解决什么问题? (５)如何设计拍摄反射全息图的基本光路? 如何制作反射全息图? 如何白光再现全 息图? 【实验原理】 一、全息照相的基本方法 根据波动光学理论,一定频率的光波都包含着振幅和相位两类信息,光的频率、振幅 和相位可表征物体的颜色、明暗、形状和远近.照相是将物体上各点发出或反射的光波信 息记录在感光材料上.普通照相与全息照相在基本原理上有着本质的区别.普通照相以 几何光学原理为基础,通过成像系统使物体在感光材料上成像,感光强度与物体表面光强 分布有关,光强与振幅的平方成正比,因此普通照相只记录了光波的振幅信息,所成的像 一般是物体的一个二维平面像.全息照相以波动光学的干涉和衍射原理为基础,在感光 材料上形成物光的干涉图样,此干涉图样被称为全息图(hologram).全息图记录了物体 发出或反射光波的振幅、相位的全部信息,在一定的光照条件下才能通过衍射重建原来的 物光波,再现出物体的一个逼真的三维立体像.因此,全息照相包括波前干涉全息记录和 波前衍射全息再现两个基本过程.按所用再现光源分类,全息照相可分为激光再现全息 照相和白光再现全息照相. 二、激光再现全息照相的基本原理 １．全息照相的记录———光的干涉 激光全息照相波前干涉记录原理的光路如图１Ｇ８Ｇ１所示.当一束单色激光照射物体 时因漫反射形成物光波,设在感光片的感光材料上一点(x,y,z)处物光波的波函数为: O(x,y,z)＝AO (x,y,z)ejφO(x,y,z) (１Ｇ８Ｇ１) 式中,AO (x,y,z)和φO (x,y,z)分别为物光波的振幅和相位分布,j为虚数单位.因此照
物理实验教程一近代物理实验 射在感光材料上的物光波具有振幅和相位的全部信息。由于感光材料只对光强有响应 所以为了记录相位信息，需要将相位信息转换成光强变化。由波动光学理论可知，光的干 涉与光的振幅和相位信息相关，故可用干涉方法来记录物光波的全部信息。为了实现光 的干涉，可将来自同一激光光源的光波分为两部分，一部分照射物体产生物光波，另一部 分作为参考光波，二者在感光材料上叠加而发生干涉。 入射平面波 光片 粉考光波 图1-81激光全息照相波前干涉记录原理的光路 设与物光波在感光材料上同一点(x,y,x)处的参考光波的波函数为： R(ry.)=Ag(y. (1-8-2) 式中，AR(xy,z)和gR(x,y,z)分别为参考光波的振幅和相位分布。物光波与参考光波 在该点发生干涉后的合振幅A(x,y,z)及光强I(红，y,z)分别为： A(r.y.)=0(.y.)+R(r.y.) (1-8-3) 1(x,y,e)=A(x,y,x)·A·(xy,z) =(O+R)·(O+R)· =OO·+RR·+OR·+OR =A8十AR十2 AOAR ce0s(go-9R） (1-8-4) 式中，A·,O·和R·分别为A,0和R的共钷函数。式(1-8-4)中A反映了物光被在成 光材料上的光强，A反映了参考光波在感光材料上的光强，二者之和(A+A)表示干 涉条纹的平均强度：2 AoAgcos(gPo一PR)这一项表示与相位分布有关的不同光强分布即 干涉条纹，包含了物光波和参考光波的振幅和相位信息。因此，通过物光波和参考光波的 干涉，在感光材料上记录了物光波振幅和相位的全部信息。 根据上述分析可知，物光波和参考光波在感光片的感光材料上叠加干涉，形成了许多 明暗不同的条纹、小环和斑点等复杂的干涉图样，感光片再经过显影、定影等处理，便制作 成一张有复杂干涉图样的全息照片即全息图，该全息图就相当于一个复杂的光栅。 2.全息照相的再现 一光的衍射 直接观察全息图时一般不能看到原物体的像，只能看到复杂的干涉图样。要想观看 原物体的像，需要用全息图再现原物体发出的光波，才能形成原物体的立体像，这个过程 称为全息照相的再现。全息照相再现的方法就是通过全息图的衍射来重建原物体的光 波。如图1-8-2所示，用与原参考光波相同的激光（通常称为再现光波）照射相当于 个复 杂光栅的全息图，再现光波R(x,y,x)通过全息图时会发生衍射，透过全息图的衍射光波 的波函数W(xy,z)为 W(x.y.z)=T(r.y.:)R(r.y.z) (1-8-5) 式中，T(x,y,)为全息图的振幅透射率，其与记录光波的光强呈线性关系，即 —64
— ６４ — 射在感光材料上的物光波具有振幅和相位的全部信息.由于感光材料只对光强有响应, 所以为了记录相位信息,需要将相位信息转换成光强变化.由波动光学理论可知,光的干 涉与光的振幅和相位信息相关,故可用干涉方法来记录物光波的全部信息.为了实现光 的干涉,可将来自同一激光光源的光波分为两部分,一部分照射物体产生物光波,另一部 分作为参考光波,二者在感光材料上叠加而发生干涉. 图１Ｇ８Ｇ１ 激光全息照相波前干涉记录原理的光路 设与物光波在感光材料上同一点(x,y,z)处的参考光波的波函数为: R(x,y,z)＝AR (x,y,z)ejφR(x,y,z) (１Ｇ８Ｇ２) 式中,AR(x,y,z)和φR (x,y,z)分别为参考光波的振幅和相位分布.物光波与参考光波 在该点发生干涉后的合振幅A(x,y,z)及光强I(x,y,z)分别为: A(x,y,z)＝O(x,y,z)＋R(x,y,z) (１Ｇ８Ｇ３) I(x,y,z)＝A(x,y,z)A∗ (x,y,z) ＝(O＋R)(O＋R)∗ ＝OO∗ ＋RR∗ ＋OR∗ ＋O∗R ＝A２ O ＋A２ R ＋２AOARcos(φO －φR ) (１Ｇ８Ｇ４) 式中,A∗ ,O∗ 和R∗ 分别为A,O 和R 的共轭函数.式(１Ｇ８Ｇ４)中 A２ O 反映了物光波在感 光材料上的光强,A２ R 反映了参考光波在感光材料上的光强,二者之和(A２ O ＋A２ R )表示干 涉条纹的平均强度;２AOARcos(φO －φR )这一项表示与相位分布有关的不同光强分布即 干涉条纹,包含了物光波和参考光波的振幅和相位信息.因此,通过物光波和参考光波的 干涉,在感光材料上记录了物光波振幅和相位的全部信息. 根据上述分析可知,物光波和参考光波在感光片的感光材料上叠加干涉,形成了许多 明暗不同的条纹、小环和斑点等复杂的干涉图样,感光片再经过显影、定影等处理,便制作 成一张有复杂干涉图样的全息照片即全息图,该全息图就相当于一个复杂的光栅. ２．全息照相的再现———光的衍射 直接观察全息图时一般不能看到原物体的像,只能看到复杂的干涉图样.要想观看 原物体的像,需要用全息图再现原物体发出的光波,才能形成原物体的立体像,这个过程 称为全息照相的再现.全息照相再现的方法就是通过全息图的衍射来重建原物体的光 波.如图１Ｇ８Ｇ２所示,用与原参考光波相同的激光(通常称为再现光波)照射相当于一个复 杂光栅的全息图,再现光波R(x,y,z)通过全息图时会发生衍射,透过全息图的衍射光波 的波函数W(x,y,z)为: W(x,y,z)＝T(x,y,z)R(x,y,z) (１Ｇ８Ｇ５) 式中,T(x,y,z)为全息图的振幅透射率,其与记录光波的光强呈线性关系,即
0. 光学测量技术实验第1章 T()=T+.) (1-8-6) 式中，T。为感光片的灰雾度即未曝光部分的透射率，3为由感光片特性决定的常数。由式 (1-8-4)~式(1-8-6)可得衍射光波的波函数为： W(.y.)=[T.+B(AB+Ak)R(r.y.)]+BAiO(r.y.)+BRO(r.y.=) (1-8-7)》 式中，第号右端第一项「T。+B(A:+A)R(x,v.z)门表示振幅受调制后直接诱时全息图 的再现光波，也就是光栅衍射的零级衍射光波，无法反映物光波的变化：第二项AO(x y,z)是透过全息图的十1级衍射光波，这是按一定比例系数重建的一个物光波，表示与原 物光波振幅和相位的相对分布完全相同的重现物光波，在原物体位置上形成物体的一个 虚像（原始像）：第三项R0·(x,y,x)是透过全息图的一1级衍射光波，这是一个原物光 被的共扼光波，形成物体的一个失直实像，称为腰实像。因此，当迎若衍射光波方向诱过 全息图，并朝原来被摄物体的方位观察时，就可看到一个逼真的再现 了原物体的立体像 原始像 共像子 全总图 再现光波 图1-8-2激光全息照相波前衍射再现原理的光路 3.全息图的特性 与普通照片相比，全息照片即全息图具有多重记录、可分割、立体视觉、物像亮度及大 小可调等特性。 (1)全息图的多重记录性 在一次全息照相拍摄后，稍微改变感光片或物体的方位，或改变参考光的入射方向 就可在同一张感光片上再次重叠记录；也可使不同的物体以不同方位的物光入射感光片， 次摩光重叠记录多个物体。再现时，只要适当转动全息图即可获得各物体的互不干扰 的独立像。 (2)全息图的可分割性 全息图上的任一小区域都分别记录了从同一物点发出的不同倾角的物光信息，因此 通过全息图的任一碎片仍能再现出完整物体的像。 (3)全息图的立体视觉特性。 全息图再现的被摄物体是一幅完全逼真的三维立体像，若移动眼睛从不同角度去观 察，就好像面对原物体一样，可看到原来被遮住的侧面。 (4)全息图的物像亮度、大小可调性 全息图再现的物像亮度随入射光强弱而变化，再现光愈强，像的亮度愈大：再现的物 像也可方便地进行缩放。 三、白光再现全息照相的基本原理 上述用激光记录并用激光透射而再现单色像的全息图相当于一个二维光栅，若直接 65
— ６５ — T(x,y,z)＝T０＋βI(x,y,z) (１Ｇ８Ｇ６) 式中,T０为感光片的灰雾度即未曝光部分的透射率,β为由感光片特性决定的常数.由式 (１Ｇ８Ｇ４)~式(１Ｇ８Ｇ６)可得衍射光波的波函数为: W(x,y,z)＝[T０＋β(A２ O ＋A２ R )R(x,y,z)]＋βA２ RO(x,y,z)＋βR２ O∗ (x,y,z) (１Ｇ８Ｇ７) 式中,等号右端第一项[T０＋β(A２ O ＋A２ R )R(x,y,z)]表示振幅受调制后直接透过全息图 的再现光波,也就是光栅衍射的零级衍射光波,无法反映物光波的变化;第二项βA２ RO(x, y,z)是透过全息图的＋１级衍射光波,这是按一定比例系数重建的一个物光波,表示与原 物光波振幅和相位的相对分布完全相同的重现物光波,在原物体位置上形成物体的一个 虚像(原始像);第三项βR２ O∗ (x,y,z)是透过全息图的－１级衍射光波,这是一个原物光 波的共轭光波,形成物体的一个失真实像,称为赝实像.因此,当迎着衍射光波方向透过 全息图,并朝原来被摄物体的方位观察时,就可看到一个逼真的再现了原物体的立体像. 图１Ｇ８Ｇ２ 激光全息照相波前衍射再现原理的光路 ３．全息图的特性 与普通照片相比,全息照片即全息图具有多重记录、可分割、立体视觉、物像亮度及大 小可调等特性. (１)全息图的多重记录性. 在一次全息照相拍摄后,稍微改变感光片或物体的方位,或改变参考光的入射方向, 就可在同一张感光片上再次重叠记录;也可使不同的物体以不同方位的物光入射感光片, 一次曝光重叠记录多个物体.再现时,只要适当转动全息图即可获得各物体的互不干扰 的独立像. (２)全息图的可分割性. 全息图上的任一小区域都分别记录了从同一物点发出的不同倾角的物光信息,因此 通过全息图的任一碎片仍能再现出完整物体的像. (３)全息图的立体视觉特性. 全息图再现的被摄物体是一幅完全逼真的三维立体像,若移动眼睛从不同角度去观 察,就好像面对原物体一样,可看到原来被遮住的侧面. (４)全息图的物像亮度、大小可调性. 全息图再现的物像亮度随入射光强弱而变化,再现光愈强,像的亮度愈大;再现的物 像也可方便地进行缩放. 三、白光再现全息照相的基本原理 上述用激光记录并用激光透射而再现单色像的全息图相当于一个二维光栅,若直接
物理实验教程—近代物理实验“ 用白光再现，白光中各种波长的光波衍射形成的像会混叠在一起，使色彩模糊，无法让人 清楚地观察到物体的像。因此，这种用激光再现的全息照相技术的广泛应用受到一定的 限制，进而发展了激光记录、白光再现的全息照相技术。白光再现全息照相主要有像面全 息照相，彩虹全息照相、反射全息照相等，实际应用价值更高。像面全息照相和彩虹全息 照相用白光再现可形成色彩缤纷的像，反射全息照相用白光再现则形成单色的像。反射 全良照相书术是实现直影伍全息的重要基础，且有记录光路简单、白光直接再现的优点 白光再现的反射全息照相同样分为记录和再现两个基本过程。激光记录的基本原理 如图1-8-3所示，物光和参考光分别从具有一定厚度感光材料的感光片两侧照射，两束相 干光在三维空间的感光材料中发生干涉现象，形成三维干涉图样，不同厚度处的干涉条纹 平行于两束光夹角的平分线，如图1-8-3()所示。因此，在感光材料中形成平行于感光片 平面的一层一层的干涉极大平面，感光片再经过显影、定影等处理，制作成三维全息图，也 称体全息图，该全息图就相当于一个三维光栅，如图1-8-3(b)所示 干沙条 a)干花条纹的产生 (6)干涉条效的记录 图1-8-3白光再现全息照相微光记录原理的光路 在物光和参考光的干涉极大处，三维全息图中产生了许多类似半透射、半反射镜面的 小反射平面，称为布拉格面。相邻两个布拉格面之间的距离d与入射光（参考光和物光） 的波长入以及人射光和感光片的夹角的关系，满足三维光栅衍射的布拉格公式，即 2dsin0=入 (1-8-8) 实际上，参考光和物光都不是平面波，特别是物光具有复杂的波前，因此干洗条纹并 非是与感光片平行的理想平面，制作成的三维全息图是 一个非常复杂的三维光栅。 三雄全息图白光再现的基本原理如图1-8-4所示。用白光 再现光 照射三维全息图时，三维光栅衍射等效于不同布拉格面的反射 才1透射光 光相干叠加，只有遵从布拉格公式(1-8-8)的入射光才能形成衍 射极大光，因此行射极大光的方向正好是入射光经布拉格面反 射后的反射光方向，此反射光常称为再现光。根据图1-8-3(b) 和图18-4可知，再现光的出射方向正好是原物光的入射方向， 因此在反射方向上实现了原物光的波前重建，可看到原物体的入射光/ 布拉格而 三维虚像。全息图再现的立体像是迎着反射光方向上观察到图1-& 三维全息图白为 的，故称为反射全息。 再现原理的光路 —66
— ６６ — 用白光再现,白光中各种波长的光波衍射形成的像会混叠在一起,使色彩模糊,无法让人 清楚地观察到物体的像.因此,这种用激光再现的全息照相技术的广泛应用受到一定的 限制,进而发展了激光记录、白光再现的全息照相技术.白光再现全息照相主要有像面全 息照相、彩虹全息照相、反射全息照相等,实际应用价值更高.像面全息照相和彩虹全息 照相用白光再现可形成色彩缤纷的像,反射全息照相用白光再现则形成单色的像.反射 全息照相技术是实现真彩色全息的重要基础,具有记录光路简单、白光直接再现的优点. 白光再现的反射全息照相同样分为记录和再现两个基本过程.激光记录的基本原理 如图１Ｇ８Ｇ３所示,物光和参考光分别从具有一定厚度感光材料的感光片两侧照射,两束相 干光在三维空间的感光材料中发生干涉现象,形成三维干涉图样,不同厚度处的干涉条纹 平行于两束光夹角的平分线,如图１Ｇ８Ｇ３(a)所示.因此,在感光材料中形成平行于感光片 平面的一层一层的干涉极大平面,感光片再经过显影、定影等处理,制作成三维全息图,也 称体全息图,该全息图就相当于一个三维光栅,如图１Ｇ８Ｇ３(b)所示. 图１Ｇ８Ｇ３ 白光再现全息照相激光记录原理的光路 在物光和参考光的干涉极大处,三维全息图中产生了许多类似半透射、半反射镜面的 小反射平面,称为布拉格面.相邻两个布拉格面之间的距离d 与入射光(参考光和物光) 的波长λ 以及入射光和感光片的夹角θ的关系,满足三维光栅衍射的布拉格公式,即 ２dsinθ＝λ (１Ｇ８Ｇ８) 实际上,参考光和物光都不是平面波,特别是物光具有复杂的波前,因此干涉条纹并 非是与感光片平行的理想平面,制作成的三维全息图是一个非常复杂的三维光栅. 图１Ｇ８Ｇ４ 三维全息图白光 再现原理的光路 三维全息图白光再现的基本原理如图１Ｇ８Ｇ４所示.用白光 照射三维全息图时,三维光栅衍射等效于不同布拉格面的反射 光相干叠加,只有遵从布拉格公式(１Ｇ８Ｇ８)的入射光才能形成衍 射极大光,因此衍射极大光的方向正好是入射光经布拉格面反 射后的反射光方向,此反射光常称为再现光.根据图１Ｇ８Ｇ３(b) 和图１Ｇ８Ｇ４可知,再现光的出射方向正好是原物光的入射方向, 因此在反射方向上实现了原物光的波前重建,可看到原物体的 三维虚像.全息图再现的立体像是迎着反射光方向上观察到 的,故称为反射全息
0. 光学测量技术实验第1章 由式(1-8-8)可知，一定角度人射的光中只有一种波长的光产生衍射极大的反时光】 因此三维全息图的衍射具有波长选择性。采用这种波长选择性，可从白光中选择出一种 波长的光，再现出原物体的单色像，从而可实现激光记录的三维全息图的白光再现。 【实验器材】 实验器材主要有激光全息减振平台、全息照相实验仪、拍摄反射全息图的光学部件 制作全息图的材料和被拍摄物体。全息照相实验仪主要由激光功率计、曝光定时控制器 半导体激光器电源等组成。光学部件有半导体激光器、三维可调反射镜、扩束镜、干板固 定架及载物台、带有调节激光准直通光孔的光屏、光电探测器等。制作全息图的材料有全 息干板、白炽灯光源、冲洗器Ⅲ、异丙醇、量筒、竹夹、电吹风、玻璃刀等 拍摄反射全息图的基本光路如图】-8-5所示，选取表面漫反射强的物体作为被拍摄物 体，全息干板与物体之间的距离尽量小且使物面大致平行于全息干板：扩束后的激光从具 有厚感光乳胶层的全息干板的背面（无乳胶层面）照射全息干板，透过的光束照射到被拍 摄物体上，经物体漫反射回来的光作为物光，从全息干板的正面（有乳胶层面）照射在感 乳胶层上。从全息干板背面直接照射的参考光与从正面照射的物光在厚感光乳胶层中相 干叠加形成三维干涉图样。 企息干板 被拍摄物体 体激光器 图1-8-5拍摄反射全息图的基木光路 【实验内容】 一、基础性实险内容 1.澈光记录反射全息图的制作 (1)全息图的拍摄。参考图1-8-5所示的基本光路，在激光全息减振平台上安装半导 体激光器反射镜扩束镜和光屏激光器出口附近放上电子快门.并围整激光束，使其处 于电子快门的通光孔中央，实验快门对激光束的关断能力以及对设定曝光时间的控制能 力，确保无误。调整各光学部件，使光屏上的光斑呈现一个完整的高斯圆斑。若光斑中出 现明显条纹状现象，可旋转调整激光器前端的小透镜来消除。在扩束斑的光路中放置载 物台，在载物台上安装被拍摄物体，调整载物台并使扩束斑激光完全覆盖照射在被拍摄物 体上。通过摩光定时控制器设置摩光时间，并控制激光器处于关断状态。在载物台的槽 内放入大小裁剪合适的全息干板，使涂有感光乳胶的表面朝向被拍摄物体，并稳定地固定 好。通过曝光定时控制器开启激光器，曝光一定时间，曝光完成后取出全息干板。 (2)全息图的显影、定影。按照全息干板和显影液使用说明要求，完成臊光全息干板 -67
— ６７ — 由式(１Ｇ８Ｇ８)可知,一定角度入射的光中只有一种波长的光产生衍射极大的反射光, 因此三维全息图的衍射具有波长选择性.采用这种波长选择性,可从白光中选择出一种 波长的光,再现出原物体的单色像,从而可实现激光记录的三维全息图的白光再现. 【实验器材】 实验器材主要有激光全息减振平台、全息照相实验仪、拍摄反射全息图的光学部件、 制作全息图的材料和被拍摄物体.全息照相实验仪主要由激光功率计、曝光定时控制器、 半导体激光器电源等组成.光学部件有半导体激光器、三维可调反射镜、扩束镜、干板固 定架及载物台、带有调节激光准直通光孔的光屏、光电探测器等.制作全息图的材料有全 息干板、白炽灯光源、冲洗器皿、异丙醇、量筒、竹夹、电吹风、玻璃刀等. 拍摄反射全息图的基本光路如图１Ｇ８Ｇ５所示,选取表面漫反射强的物体作为被拍摄物 体,全息干板与物体之间的距离尽量小且使物面大致平行于全息干板;扩束后的激光从具 有厚感光乳胶层的全息干板的背面(无乳胶层面)照射全息干板,透过的光束照射到被拍 摄物体上,经物体漫反射回来的光作为物光,从全息干板的正面(有乳胶层面)照射在感光 乳胶层上.从全息干板背面直接照射的参考光与从正面照射的物光在厚感光乳胶层中相 干叠加形成三维干涉图样. 图１Ｇ８Ｇ５ 拍摄反射全息图的基本光路 【实验内容】 一、基础性实验内容 １．激光记录反射全息图的制作 (１)全息图的拍摄.参考图１Ｇ８Ｇ５所示的基本光路,在激光全息减振平台上安装半导 体激光器、反射镜、扩束镜和光屏.激光器出口附近放上电子快门,并调整激光束,使其处 于电子快门的通光孔中央,实验快门对激光束的关断能力以及对设定曝光时间的控制能 力,确保无误.调整各光学部件,使光屏上的光斑呈现一个完整的高斯圆斑.若光斑中出 现明显条纹状现象,可旋转调整激光器前端的小透镜来消除.在扩束斑的光路中放置载 物台,在载物台上安装被拍摄物体,调整载物台并使扩束斑激光完全覆盖照射在被拍摄物 体上.通过曝光定时控制器设置曝光时间,并控制激光器处于关断状态.在载物台的槽 内放入大小裁剪合适的全息干板,使涂有感光乳胶的表面朝向被拍摄物体,并稳定地固定 好.通过曝光定时控制器开启激光器,曝光一定时间,曝光完成后取出全息干板. (２)全息图的显影、定影.按照全息干板和显影液使用说明要求,完成曝光全息干板
物理实验教程—近代物理实验. 0 的显影，用热风吹干法完成全息干板的定影。定影后的全息干板就是完成全部制作过程 的一张全息图即全息照片。 2.白光手现反射全息图的物像分析 用白炽灯光照射制作好的全息图，分别观察全息图的正面和背面反射光形成的物像 分析物像的特性。 3.白光再现反射全息图制作参数的优化 探究激光器功率，糜光时间、显影时间对白光再现全息照相效果的影响，优化制作反 射全息图的最佳参数。 二、设计性实验内容 1.实验内客 在结合现有实验条件的基础上，通过查阅文献自主设计实验方案，尝试完成下列实验 内容 (1)制作被拍摄物体不同方位或不同被拍摄物体的多重记求反射全息图，分析再现 物像的特性。 (2)采用全息照相方法研究分析激光的横模模式。 2.实验要求 阐述实验基本原理和方法，说明测量系统组成和基本实验步骤，进行实际实验测量， 选择合理方法处理实验数据，分析与讨论实验结果。 【注意事项】 (1)任何时候切勿直视激光束，以免损伤视力。 (2)不同全息干板的特性差异较大，务必按照全息干板使用说明的要求来操作 (3)一定保证各光学器件的清洁，否则影响全息照相的拍摄效果。 (4)组建拍摄光路时，反射镜尽量靠近激光全息减振平台边缘放置，扩束镜尽量靠向 反射镜，使载物台有尽量大的调整空间。 (5)照射在被拍摄物体上的激光束，要调整成光强均匀的圆斑，光斑直径约为被拍摄 物体的两倍，光斑中心对正被拍摄物体的中央。 (6)在曝光拍摄时保持实验室内安静，避免实验平台振动和人员来回走动。 (7)长期保存全息图时，应使用干净的薄玻璃片紧紧贴住全息图的胶膜面并封闭，将 其放置在空气干燥的环境中。 【思考与讨论】 (1)全息照相的激光记录应选用什么模式的激光？为什么？ (2)激光再现和白光再现的全息照相有哪些异同点？ (3)一般可白光再现的一张反射全息图中应有布拉格面50个以上，才能保证再现物 像的质量。若用波长为633m的激光拍摄，需要选用感光层厚度至少为多少的全息 干板？ (4)反射全息图白光再现的物像是彩虹色的还是单色的？为什么？ (⑤)若反射全息图白光再现的物像颜色与实际物体的颜色不同，试分析出现这种现 —68
— ６８ — 的显影,用热风吹干法完成全息干板的定影.定影后的全息干板就是完成全部制作过程 的一张全息图即全息照片. ２．白光再现反射全息图的物像分析 用白炽灯光照射制作好的全息图,分别观察全息图的正面和背面反射光形成的物像, 分析物像的特性. ３．白光再现反射全息图制作参数的优化 探究激光器功率、曝光时间、显影时间对白光再现全息照相效果的影响,优化制作反 射全息图的最佳参数. 二、设计性实验内容 １．实验内容 在结合现有实验条件的基础上,通过查阅文献自主设计实验方案,尝试完成下列实验 内容: (１)制作被拍摄物体不同方位或不同被拍摄物体的多重记录反射全息图,分析再现 物像的特性. (２)采用全息照相方法研究分析激光的横模模式. ２．实验要求 阐述实验基本原理和方法,说明测量系统组成和基本实验步骤,进行实际实验测量, 选择合理方法处理实验数据,分析与讨论实验结果. 【注意事项】 (１)任何时候切勿直视激光束,以免损伤视力. (２)不同全息干板的特性差异较大,务必按照全息干板使用说明的要求来操作. (３)一定保证各光学器件的清洁,否则影响全息照相的拍摄效果. (４)组建拍摄光路时,反射镜尽量靠近激光全息减振平台边缘放置,扩束镜尽量靠向 反射镜,使载物台有尽量大的调整空间. (５)照射在被拍摄物体上的激光束,要调整成光强均匀的圆斑,光斑直径约为被拍摄 物体的两倍,光斑中心对正被拍摄物体的中央. (６)在曝光拍摄时保持实验室内安静,避免实验平台振动和人员来回走动. (７)长期保存全息图时,应使用干净的薄玻璃片紧紧贴住全息图的胶膜面并封闭,将 其放置在空气干燥的环境中. 【思考与讨论】 (１)全息照相的激光记录应选用什么模式的激光? 为什么? (２)激光再现和白光再现的全息照相有哪些异同点? (３)一般可白光再现的一张反射全息图中应有布拉格面５０个以上,才能保证再现物 像的质量.若用波长为 ６３３nm 的激光拍摄,需要选用感光层厚度至少为多少的全息 干板? (４)反射全息图白光再现的物像是彩虹色的还是单色的? 为什么? (５)若反射全息图白光再现的物像颜色与实际物体的颜色不同,试分析出现这种现
0 光学潤量技术实验第1章 象的原因。 【参考文献】 [1]姚启钧.光学教程[M们.4版.北京：高等教有出版社，2019. 「2门有新，近代物理实脸指导「M门.北京：治金工业出版社，2021 [3]唐明君.近代物理实验[M].2版.北京：科学出版社，2020 [4]马洪良.近代物理实验[M门.2版.上海：上海大学出版社，2012. [5]吕广娟，张孝林，段新超.白光再现全息照相[J].大学物理实验，2006,19(1) 36-39. [6]杨晓梅.白光再现激光全息照相的实验研究[J门.大学物理实验，2008,21(4)： 14-16. [7]徐一琛，朱竞堃，王幕冰，等.反射式全息照相成像效果的影响因素探究[门.物 理与工程，2016,26(Z1):35-39. [8]GABOR D.A New Microscopie Principle[J].Nature,1948.161(5):777-778. [9]GABOR D.Microscopy by Reconstructed Wave-fronts[J].Proceedings of the Royal Society of London,Series A.Mathematical and Physical Sciences,1949. 197(7):454-487 69
— ６９ — 象的原因. 【参考文献】 [１] 姚启钧．光学教程[M]．４版．北京:高等教育出版社,２０１９． [２] 何新．近代物理实验指导[M]．北京:冶金工业出版社,２０２１． [３] 唐明君．近代物理实验[M]．２版．北京:科学出版社,２０２０． [４] 马洪良．近代物理实验[M]．２版．上海:上海大学出版社,２０１２． [５] 吕广娟,张孝林,段新超．白光再现全息照相[J]．大学物理实验,２００６,１９(１): ３６Ｇ３９． [６] 杨晓梅．白光再现激光全息照相的实验研究[J]．大学物理实验,２００８,２１(４): １４Ｇ１６． [７] 徐一琛,朱竞堃,王慕冰,等．反射式全息照相成像效果的影响因素探究[J]．物 理与工程,２０１６,２６(Z１):３５Ｇ３９． [８] GABORD．A New MicroscopicPrinciple[J]．Nature,１９４８,１６１(５):７７７Ｇ７７８． [９] GABORD．MicroscopybyReconstructedWaveＧfronts[J]．Proceedingsofthe RoyalSocietyofLondon,SeriesA,MathematicalandPhysicalSciences,１９４９, １９７(７):４５４Ｇ４８７．