《全息照相實驗》PPT課件.ppt

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1、全息照相實驗一、光學全息概述普通照相是根據幾何光學成像原理,記錄下光波的強度(即振幅),將空間物體成像在一個平面上,由于丟失了光波的相位,因而失去原物體的三維信息。如果能夠記錄物光波的振幅和相位,并在一定條件下再現(xiàn),則可看到包含物體全部信息的三維像,即使物體已經移開,仍然可以看到原始物體本身具有的全部現(xiàn)象,包括三維感覺和視差利用干涉原理,將物體發(fā)出的特定光波以干涉條紋的形式記錄下來,使物體波前的全部信息都貯存在記錄介質中,故所記錄的干涉條紋圖樣被稱為“全息圖”。當用光波照射全息圖時,由于衍射原理能重現(xiàn)出原始

2、物光波,從而形成與原物體逼真的三維像,這個波前記錄和重現(xiàn)的過程稱為全息術或全息照相。全息照相術是英籍匈牙利科學家丹尼斯蓋伯(DennisGabor)發(fā)明的.1947年他從事電子顯微鏡研究,當時電子顯微鏡的理論分辨率極限是0.4nm,由于丟失了光波的相位,實際只能達到1.2nm,比分辨原子晶格所要求的分辨率0.2nm差得很多.這主要是由于電子透鏡的像差比光學透鏡要大得多,從而限制了分辨率的提高。為此,蓋伯設想:記錄一張不經任何透鏡的,用電子衍射的電子波制作曝光照片(即全息圖),使它能保持物體的振幅和相位的全部

3、信息,然后用可見光照明全息圖來得到放大的物體像。由于光波波長比電子波長高5個數(shù)量級,這樣,再現(xiàn)時物體的放大率就可獲得倍而不會出現(xiàn)任何像差,所以這種無透鏡兩步成像的過程可期望獲得更高的分辨率.根據這一設想,他在1948年提出了一種用光波記錄物光波的振幅和相位的方法,并用實驗證實了這一想法,從而開辟了光學中的一個嶄新領域,他也因此而獲得1971年的諾貝爾物理學獎。從1948年蓋伯提出全息照相的思想開始一直到50年代末期,全息照相都是采用汞燈作為光源,而且是所謂的同軸全息圖,它的級衍射波是分不開的,即存在所謂的孿

4、生像問題,不能獲得好的全息像.這是第一代全息圖,是全息術的萌芽時期。第一代全息圖存在兩個晉嚴重問題,一個是再現(xiàn)的原始像和共軛像分不開,另一個是光源的相干性太差。1960年激光的出現(xiàn),提供了一種高相干性光源。1962年美國科學家利思（Leith）和烏帕特尼克斯（Upatnieks）將通信理論中的載波概念推廣到空域中，提出了離軸全息術。他用離軸的參考光和物光干涉形成全息圖，再利用離軸的參考光照射全息圖，使全息圖產生三個在空間互相分離的衍射分量，其中一個復制出原始物光。這樣，第一代全息圖的兩大難題宣告結束，產生了

5、激光記錄、激光再現(xiàn)的第二代全息圖。從而使全息術在沉睡了幾十年之后得到了新生，進入了迅速發(fā)展年代，相繼出現(xiàn)了多種全息方法，并在信息處理、全息干涉計量、全息顯示、全息光學元件等領域得到廣泛應用。由此可見，高相干度激光的出現(xiàn)，是全息術發(fā)展的巨大動力。由于激光再現(xiàn)的全息圖失去了色調信息，人們開始始致力于研究第三代全息圖。第三代全息圖是利用激光記錄和白光再現(xiàn)的全息圖，例如反射全息、像全息、彩虹全息及模壓全息等，在一定的條件下賦予全息圖以鮮艷的色彩。激光的高度相干性，要求全息拍攝過程中各個元件、光源和記錄介質的相對位置

6、嚴格保持不變，并且相干噪聲也很嚴重，這給全息術的實際使用帶來了種種不便。于是，科學們又回過頭來繼續(xù)探討白光記錄的可能性。第四代全息圖可能是白光記錄和白光再現(xiàn)的全息圖，它將是全息術走出實驗室，進入廣泛的使用領域。目前已經開始取得進展。除了用光學干涉方法記錄全息圖，還可用計算機和繪圖設備畫全息圖，這就是計算全息(Computer-GeneratedHologram,簡稱CGH)。計算計算全息是利用數(shù)字計算機來綜合的全息圖，不需要物體的實際存在，只需要物光波的數(shù)學描述。因此，具有很大的靈活性。全息術不僅可以用于光

7、波波段，也可以用于電子波、X射線、聲波和微波波段。實際上，利思和烏帕特尼克斯的高軸全息概念就是來自于微波領域的旁視雷達—微波全息圖。正如蓋伯在他榮獲諾貝爾獎時的演說中所指出的，利思在雷達中用的電磁波長比光波長10萬倍，而蓋伯本人在電子顯微鏡中所用的電子波長又比光波短10萬倍。他們分別在相差倍波長的兩個方向上發(fā)展了全息照相術，這說明科學的發(fā)展總是互相滲透，互相影響的。二、實驗原理1.全息圖的記錄：ROH兩光波疊加后，（x,y）點的強度為式中第一項、第二項為物光和參考光的光強，對H上任一點（x,y），這兩項為常

8、數(shù)。第三項、第四項為干涉項，反映了兩相干光的振幅和相對位相的關系。可見在底片H上，干涉圖樣將物光波的振幅和位相兩種信息全部記錄下來了。2.全息圖的再現(xiàn)若感光干板H的曝光和顯影都控制在線性部分（即振幅透過率t隨曝光量H的變化關系），則感光干板H上各點的振幅透過率t(x,y)與光強I(x,y)成線性關系，即式中、為常數(shù)，其中是t—H曲線線性部分的斜率。為了重現(xiàn)物光波，一般是用參考光波相似的光照射全息圖。設再現(xiàn)光波復振