實(shí)驗(yàn)六全息技術(shù)

1、實(shí)驗(yàn)六 全息技術(shù)引言1948年,伽柏(D.Gabor)提出了一種新的照相技術(shù)，記錄的不是物體的影像，而是物體上各點(diǎn)光的完全信息振幅和相位，從而稱之為全息技術(shù)。由于初期采用的同軸方法和條件上的困難，在最早的十多年間全息技術(shù)的發(fā)展非常緩慢。1960年激光問世以后，這一領(lǐng)域重新活躍起來。1962年，利思（E.N.Leith）等人利用激光做光源，并采用離軸方法，成功地進(jìn)行了三維物體的記錄和再現(xiàn)，為現(xiàn)代全息技術(shù)的發(fā)展開辟了新的途徑。1971年，伽柏因全息技術(shù)的發(fā)明榮獲了諾貝爾物理獎。現(xiàn)在，全息技術(shù)已成為一門很有前景的新學(xué)科，在許多方面已獲得實(shí)際應(yīng)用，全息技術(shù)的產(chǎn)品也越來越多地走向市場，而且這種新技術(shù)仍以

2、極大的魅力吸引著眾多的科技工作者致力研究，不斷涌現(xiàn)出新的成果。本實(shí)驗(yàn)的目的，在要讓讀者了解全息照相的基本原理和實(shí)驗(yàn)方法，通過攝制全息圖引起讀者對這一領(lǐng)域的興趣和關(guān)注。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解激光全息照相的基本原理。2. 學(xué)習(xí)拍攝靜態(tài)全息照相的技術(shù)。3. 了解再現(xiàn)全息物象的方法。實(shí)驗(yàn)原理全息技術(shù)，是一種二步成像的照相技術(shù)。如圖321（a）所示，將物體O的光波波面記錄在光敏材料H上，記錄的結(jié)果稱全息圖，然后如圖321（b）所示，按一定條件用光照射這全息圖，原先被記錄的物體光波波面，就會在全息圖H的右方再現(xiàn)出來。這時，H左面的物體以及物體至全息圖之間的光波面并不存在，但是H右方的“再現(xiàn)”波面，卻和物體在原

3、位發(fā)出的完全相同，這就相當(dāng)于在“物”的原位再現(xiàn)了完全相同的三維“像”。物體光波波面的記錄物體光波與參考光波的干涉如圖3-2-1（a），物體O漫反射的光和參考光源R的光是相干光，它們在xy平面上的振幅分別為a0(x,y), ar(x,y),相位分布為ø0(x,y).ør(x,y),也就是,復(fù)振幅分布為 A0 = A0(x,y) = a0(x,y)expi ø0(x,y). Ar = Ar(x,y) = ar(x,y)expi ør(x,y).疊加后的合振幅分布為 A = A(x,y) = A0(x,y) + Ar(x,y),合振動的強(qiáng)度分布為 I = I(

4、x,y) = | A(x,y)|2 = AA* ,式中的*表示共軛復(fù)數(shù),所以I(x,y)= A0A0*+ArAr*+ A0*Ar+ A0 Ar*. (32-1)為了便于分析，這強(qiáng)度分布改寫為I(x,y)=a02+ar2+2a0arcos(ø0-ør). (32-2)由式(32-2)各項(xiàng)看出：a02+ar2是xy平面上的平均光強(qiáng)。是“直流”項(xiàng)；2a0arcos(ø0-ør)是隨坐標(biāo)變化的波動項(xiàng)，是信息項(xiàng)，它包含了O光和R光的振幅信息和位相信息，它使光強(qiáng)度在xy平面上按坐標(biāo)周期性地變化，即形成干涉條紋。當(dāng)點(diǎn)物和點(diǎn)參考源位于無限遠(yuǎn)，即物光和參考光為平行光時，干

5、涉條紋最簡單，xy平面上光強(qiáng)的空間頻率（某一物理量在單位長度上的周期數(shù)叫做它的空間頻率）是單一方向的單一值。設(shè)二平面波對稱入射，波長為，夾角為，則xy平面上光強(qiáng)的空間頻率N為 N = 2sin(/2)/. （32-3）當(dāng)物體有一定大小時，干涉條紋非常復(fù)雜，它是一系列強(qiáng)度不同、空間頻率不大小和方向也不同的干涉條紋的疊加。從而構(gòu)成一個空間頻率譜,簡稱頻譜。如果用光敏材料把上述光強(qiáng)分布線性地記錄下來，這就記錄了O光和R光的振幅和位相分布。 （2）記錄材料有多種記錄介質(zhì)，銀鹽乳膠干版仍是最常用的記錄材料。負(fù)性干版的感光特性如圖3-2-2所示。圖中橫坐標(biāo)E是曝光量，縱坐標(biāo)T是振幅透過率。曲線可以這樣去測

6、定：用一束強(qiáng)度恒定的光，按不同的時間，如1秒、2秒、4秒、對干版不同的位置曝光，各相對曝光量E就是1、2、4、干版經(jīng)顯、定影等處理后，再用一束強(qiáng)度穩(wěn)定的光來測試透光情況，透過的光強(qiáng)可用光電池檢測，通常光電流和光強(qiáng)成正比，設(shè)與入射光強(qiáng)和透射光強(qiáng)對應(yīng)的光電流為i0和I，則光強(qiáng)透過率為i/i0。如果干版只會改變透射光的強(qiáng)度而不會影響光的位相，由于光強(qiáng)和振幅的平方成正比，所以振幅透過率T=（i/i0）1/2。對原先曝光過的各個位置逐一測試后，就可以描出曲線。從曲線可以看出，在E不大的那一小段，可用方程 T = T0+kE (32-4)近似表示。式中T0、k 是常數(shù)，k<0是負(fù)片。可見，振幅透過率

7、和曝光量，在一定范圍內(nèi)存在線性關(guān)系。（3）記錄全息圖將上述干版H放在xy平面處,讓它感光適當(dāng),即工作在線性區(qū),經(jīng)顯影定影處理后,xy平面上的光強(qiáng)分布I(x,y)就轉(zhuǎn)換成了干涉了干版上的振幅透過率分布T(x,y).這樣就完成了物體光波波面的記錄,得到了物體的全息圖.將式(32-1)中的I代替式(3-2-4)中的E,整理后可得全息圖的振幅透過率分布為T(x,y) = T0+k|A0|2+k|Ar|2+kA0Ar*+kA0*Ar. (3-2-5)但也可改寫為T(x,y) = T0+ka02+kar2+2ka0arcos(ø0-ør). (3-2-6)有著振幅透過率分布的全息圖，一

8、般情況下，就是一塊刻紋方向不統(tǒng)一、刻紋密度各處不同、條紋極其復(fù)雜的衍射光柵。最簡單的，就是由兩個平面波的干涉條紋得到的全息圖，也就是大家熟悉的密度均勻的直線刻紋光柵，實(shí)際使用的“全息光柵”，它的刻紋密度可按式（3-2-3）進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作。 2、物體光波波面的再現(xiàn)。全息照相的第二步是由全息圖再現(xiàn)物體的像。這里，像的再現(xiàn)可以不使用透鏡等成像系統(tǒng)，全息圖本身就有成像作用。當(dāng)用與原參考光相同的再現(xiàn)光Ar照射全息圖時，按式（3-2-5），透過全息圖的在振幅分布為A'（x,y）=TAr=T0+ k|A0|2+k|Ar|2 Ar+ k|Ar|2A0+kAr2A0*=A1'+A2'+A

9、3' .考慮到H上的Ar比較均勻，各點(diǎn)的A0差別較大，所以上式第一項(xiàng)A1'=T0+ k|A0|2+k|Ar|2 Ar是衰減了的并略有失真的再現(xiàn)照明光Ar的波面，這是Ar透過全息圖的零級衍射波。第二項(xiàng)A2'= k|Ar|2A0是透過全息圖的1級衍射波，是一個衰減了的和原物體光波完全相同的波面，是物體光波的準(zhǔn)確再現(xiàn)；雖然物體并不存在，這些光波卻和物體仍在原位發(fā)出的完全一致。這也就是圖（3-2-1b）所示的情況：H右邊的光波A0和真實(shí)物體O存在時的情況完全一致，而H左邊只有“虛有的物”O(jiān)'；所以，O'是一個虛像，稱為初始像。通常說的再現(xiàn)，就是指獲得初始像。第三

10、項(xiàng)A3'= kAr2A0*是透過全息圖和-1級衍射波，它形成與初始像共軛、有所失真的實(shí)像。記錄時如果物體和參考光源的連線垂直于干版，那么，上述O級、1級、-1級三個像在同一軸線上。這種全息圖叫同軸全息圖，它形成的三個像在觀察時會互相干擾，這是同軸全息圖的缺點(diǎn)。現(xiàn)在，通常使物體和參考光源的連線不垂直于干版，這就是利思等人首創(chuàng)的離軸全息圖，它形成的三個像能很方便地互相分離。如果需要詳細(xì)分析計(jì)算物像之間的幾何關(guān)系，則請閱讀有關(guān)參考文獻(xiàn)。3、介紹幾種全息圖有許多種分類方法，這里介紹的，都是離軸全息圖。在圖3-2-3至3-2-8中，都用以下符號：被攝物體O，參考光R，干版H，鍍膜式分束鏡B，棱鏡

11、式分束鏡P，反射鏡M，擴(kuò)束鏡C，透鏡L、L1等，針孔e，狹縫S，漫射器G。傅立葉變換全息圖當(dāng)物體和參考點(diǎn)源都距感光干版無限遠(yuǎn)時，記錄的全息圖叫傅立葉變換全息圖，實(shí)際拍攝時，可使幻燈片、文字片等半透明物體O位于變換透鏡L 的前焦面上，而且用平行光照射；參考光R為平行光（可將點(diǎn)光源位于透鏡前焦面而獲得平行光）；感光干版位于L的后焦面上，圖3-2-3是其中的一種拍攝光路，干版上記錄的是物光的空間頻譜。由于后焦面上物光頻譜光強(qiáng)分布的強(qiáng)弱差別懸殊，為了能線性記錄，干版可稍為離焦，使光斑大小適當(dāng)，這種全息圖由于尺寸小（一個小光斑），可以高密度存儲圖書資料。菲涅耳全息圖當(dāng)物體到干版的距離較近時拍攝的全息圖叫

12、菲涅耳全息圖。圖3-2-4是其中的一種拍攝光路。 像面全息圖當(dāng)物體（實(shí)際是通過成像系統(tǒng)所成的像）位于干版上或其附近時所拍攝的全息圖叫像面全息圖。圖3-2-5是其中的一種拍攝光路。這種全息圖可用白光再現(xiàn)，但不能分割。白光再現(xiàn)反射全息圖它是利用后層乳膠干版記錄，通過布拉格衍射效應(yīng)來再現(xiàn)的，圖3-2-6（a）是記錄時的情景，物體靠近干版，透過乳劑照到物體上的光，經(jīng)物體漫反射后，在乳劑里跟入射光干涉形成駐波，在波腹處的薄層乳劑被感光，經(jīng)顯影定影處理后，形成一層層與記錄介質(zhì)表面平行的布拉格平面。圖3-2-6（b）是再顯的情景，白光以掠射，衍射光應(yīng)滿足反射定律，相鄰平面衍射的光還必須滿足波長選擇條件dsi

13、n=(這叫選擇反射，d為布拉格平面的間距)，于是在方位可觀察到與波長相應(yīng)的顏色的像。 彩虹全息圖所謂彩虹全息圖，是指當(dāng)用白色照射再現(xiàn)時，隨著觀看角度的不同，再現(xiàn)像將呈現(xiàn)不同的顏色，有如彩虹。拍攝方法有二步法和一步法兩種，圖3-2-7是透射式一步法彩虹全息圖的拍攝光路。稍做改變，也可以擺成反射物體一步彩虹的記錄光路。用白光再現(xiàn)。時，沿水平方向移動眼睛，可看到物體不同顏色的像。二次曝光全息圖二次曝光法是全息干涉量度術(shù)的一種。在攝下物體第一狀態(tài)的全息圖后，干版等實(shí)驗(yàn)裝置均保持不動，接著又?jǐn)z下物體在第二狀態(tài)（比如受力產(chǎn)生微小形變）的全息圖，經(jīng)顯定影等處理后進(jìn)行再現(xiàn)。如果物體各點(diǎn)第二狀態(tài)對第一狀態(tài)有不同

14、的位移，看到的再現(xiàn)表面就會有明暗相間的干涉條紋。確定某點(diǎn)暗條紋的級次m后，按式（3-2-7）就可以計(jì)算出該點(diǎn)的位移量l。式中1是拍攝時該點(diǎn)的照明光線跟該點(diǎn)位移方向的夾角，2是再現(xiàn)時該點(diǎn)觀測方向跟該點(diǎn)位移方向的夾角。如果是檢查工件的損傷，比如汽車輪胎內(nèi)部有裂縫，重現(xiàn)時損傷工件的條紋，跟無損工件的條紋就不同。圖3-2-8是其中的一種實(shí)驗(yàn)光路，在第一次攝下物體O的全息圖后，用快門遮斷光路，再輕輕旋動加壓螺旋對物體O稍微加壓，靜待片刻后再第二次攝下物體O的全息圖，干版經(jīng)顯定影后，就成為而次曝光全息圖。實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)條件（1）選用相干性好的激光器，通常使用小型的或一米管長的氦氖激光器?；诠獾母缮娴娜⒄?/p>

15、相，物光和參考光必須滿足相干條件頻率相同、電矢量振動方向相同、位相差恒定。由于物光和參考光從同一激光束中獲得，滿足了頻率相同的要求。為了保證振動方向相同，當(dāng)物光和參考光二光束夾角大時，最好使振動方向跟二光束軸線確定的平面垂直（可用檢偏鏡檢查）。要做到這點(diǎn)，在物體衍射的光振動面沒有多大改變時，只需轉(zhuǎn)動激光管使布儒斯特窗朝上；在有大的轉(zhuǎn)變時，可在物體照明光路上插入起偏鏡去調(diào)整。夾角較小時，振動面平行于二光束軸線平面也還能較好干涉。小型激光器振動面是隨機(jī)的，故二光束夾角不宜過大，為了保證位相差恒定，激光的空間，時間相干性都要好，也就是要單橫模，最好單縱模。對多縱模的1米管長激光器，最大光程差要小于1

16、/4管長，最好零光程差附近。小型激光器的空間、時間相干性雖好，但功率較小，曝光時間長，更要注意光路系統(tǒng)的機(jī)械穩(wěn)定性。（2）保證光路系統(tǒng)的機(jī)械穩(wěn)定性。設(shè)干涉條紋的間距為d，曝光期間，如果條紋移動d/2，就不可能記錄條紋。因此，光路各元件自身以及元件跟防震平臺的聯(lián)結(jié)，要能穩(wěn)定在任一狀態(tài)，而且平臺要慣量大隔震好，以確保條紋移動小于d/2。（3）選用分辨率適當(dāng)?shù)母砂?。干版的分辨率?yīng)高于全息圖的最大空間頻率，空間頻率和光束夾角有關(guān)，按式（3-2-3），對已定的干版 ，最大光束夾角要適當(dāng)。此外，使用最佳的物光和參考光強(qiáng)度比(一般在1:21:4)，使用盡可能少的光學(xué)元件并保持元件清潔,以減少雜散光和縮短曝光

17、時間，對拍好全息圖也是很重要的。2.設(shè)備和用具在暗房進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，主要裝置有剛質(zhì)防震光學(xué)平臺、 激光器、 快門、 照度計(jì)、分束鏡、 反束鏡、 反射鏡、透鏡、干版架、自動曝光控制器以及干版、顯定影藥品、器皿等。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容注意：切勿讓激光束直接照射眼睛！并防止干版誤曝光。1檢查防震臺的穩(wěn)定性。用平臺上的光學(xué)元件組成邁克耳孫干涉儀，用擴(kuò)束鏡將二出射光束投射到墻壁上，觀察干涉條紋隨外來振動引起的抖動和衰減情況。2按選定的光路布置、調(diào)整好元件，并注意讓二光束到干版的光程大致相等。調(diào)節(jié)時，干版先用毛玻璃等代替。3測量光強(qiáng)比和總光強(qiáng)。用照度計(jì)分別測出干版處物光和參考光的光強(qiáng)，并調(diào)整到預(yù)定的比值，然后測量總光強(qiáng)，確定曝光時間。4拍攝、沖洗。關(guān)閉快門，將干版裝到干版架上，藥面朝向物體。靜待片刻后，打開自動曝光控制器，讓干版