全息照相和全息干涉法的應用

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1、全息照相和全息干涉法的應用繆長宗實驗目的1．了解全息照相的基本原理2．熟悉反射式全息照相合透射式全息照相的基本技術和方法3．通過對反射式、透射式全息照片的攝制和觀察，了解反射式、透射式全息照相的特點4．了解全息干涉法及其應用全息照相的概念全息照相術是一種新型的照相技術，其成像過程是：利用光的干涉和衍射現(xiàn)象，在照相干板或膠片上以干涉條紋的形式把圖像記錄下來，然后用光照射這種干板（稱作全息干板），就能以立體形式再現(xiàn)出原來的物體像。與普通照相不同，全息照相有一些突出的特點，比如它的像有三維立體性、其干板具有可分割性、可多次記錄性等等。全息照相之所以具有上

2、述特點，是因為全息照相與普通照相的方法截然不同。普通照相在膠片上記錄的僅是物光的振幅信息（即光強分布），而全息照相在記錄振幅信息的同時，還記錄了物光的相位信息，“全息”也因此而得名。全息照相術的起源全息術最初是由英國科學家丹尼斯·伽柏（DennisGabor）于1948年提出來的，伽柏并因此在1971年獲得了諾貝爾物理學獎，當初的目的是想利用全息術提高電子顯微鏡的分辨率，伽柏當初使用汞燈作為光源，但是汞燈作為光源還不是很理想，這種技術由于要求高度相干性及高強度的光源而一度發(fā)展緩慢。1960年梅曼（Maiman）研制成功了紅寶石激光器，第二年（196

3、1年）賈范（Javan）等制成了氦氖激光器。從此，一種全所未有的優(yōu)質相干光源誕生了。1962年美國科學家E.N.利思（E.N.Leith）和J.烏帕特尼克斯（J.Upatnieks）用激光器對伽柏的技術做了劃時代的改進，全息術的研究從此獲得了突飛猛進的發(fā)展，近40年來，全息技術的研究日趨廣泛深入，逐漸開辟了全息應用的新領域，成為近代光學的一個重用分支。請看圖1，使從點光源（可以認為是從物體上的一點反射出來的光，也可考慮為有一個針孔）發(fā)出的相干激光束A與另一方向射來的激光束B在照相干板上疊加而產生干涉，形成如圖2、3所示的那樣的干涉條紋。如果將這種干

4、板沖洗后則可變成一種衍射光柵，即全息照片（或稱作全息圖）。如果將全息照片置于原來的位置，并在與記錄干涉條紋是參考光照射的方向相同的方向上用相干光照射，則此照射光在沖洗后的干板（衍射光柵）上被衍射。由圖4可知，在衍射光柵的柵格間距小的地方，光的衍射角大；在衍射光柵的柵格間距大的地方，光的衍射角小。結果，整個衍射光就好像從原來點光源所在位置傳播過來的方向上被衍射。同樣，如果放置兩個點光源，通過與另外的相干光形成干涉條紋，并記錄在干板上，則自然會有兩種不同的干涉條紋相重疊地被記錄下來。并且，每種干涉條紋都具有與各自的點光源的光強相應的反差，從而起衍射光柵

5、的作用，使得衍射光象是從原來兩個點光源所在位置傳播過來似的被衍射。在類似的點光源極多的情況下，也可按這種方式處理。被光照射的物體可以看作是無數(shù)點光源的集合體。在這種情況下，非常復雜的干涉條紋被記錄下來，當用相干光照射干板時，光在與原物體存在時相同的方向上被衍射。換言之，在物體原來所在的位置上將再現(xiàn)它的像，這就是全息照相的原理。下面，根據(jù)實際裝置，再從稍微從不同的角度來說明全息照相術的原理。如圖5所示，如果用分束鏡將一束相干光（激光）分為兩束，它們再以某一角度θ在干板上疊加，則會形成大致一樣的干涉條紋，這些干涉條紋的間距為Δx的大小由光波長λ和兩束光

6、的夾角θ決定，這從圖中也很容易理解。這樣產生的干涉條紋如圖6所示，是黑白相間周期性重復的排列。每一毫米內存在的干涉條紋數(shù)稱作空間頻率或空間載波，這樣產生的空間載波未受任何調制。如圖7所示，如果在一個方向上的光束中途放置一塊幻燈片之類的透射體，利用從透射體透射出來的光，或者是利用照射物體時產生的反射光，與另一方向上的相干光（即參考光）疊加而形成干涉條紋，則這樣形成的干涉條紋不再是規(guī)則排列的清晰條紋，而是變成了復雜的干涉條紋。這種情況，可以認為是空間載波被物體所調制。這樣記錄下來的受到物體光波調制了的干涉條紋，就是全息圖。圖8時全息圖實際記錄過程的圖解

7、，如果要由全息圖再現(xiàn)原物的形狀和位置，則如圖9那樣，用同一波長的相干光照射全息圖，被調制的空間頻率就像一種衍射光柵一樣把光波衍射。由于被衍射的光是沿著與透過物體的光或被物體反射的光相同的方向行進，所以再現(xiàn)的像在空間也有景深，從而可觀測到三維的立體象。相對而言，一般照相技術僅僅是個記錄過程，而全息照相術具有記錄過程和再現(xiàn)過程兩個階段，再現(xiàn)出來的像恰是來自物體的光的波面本身。一、反射式全息照相反射式全息是利用后照相乳膠的布拉格衍射效應來實現(xiàn)的。反射式全息的記錄光路如圖10所示，激光細光束經擴束鏡L0擴束后照射在全息干板H上作為參考光，透過H的光照明物體

8、，經物體漫反射的光成為物光，干板的乳膠面向著物體，由于乳膠感光材料的透過率為30%～50%，若物體的反射率較高，則光束比能