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1、“全息照相”实验原理孙建鹏高贵(天津工业大学理学院,天津300160)(收稿日期:2002207222)摘要本文以工科物理中波动光学的基本内容———干涉和衍射为基础,较为通俗地介绍了全息照相的物理思想.全息照相;实验原理关键词THEPRINCIPLEOFHOLOGRAMSunJianpengGaoGui(FacultyofSchoolofScience,TianjinPolytechnicalUniversity.Tianjin300160)AbstractInthisarticle,basedontheinterference
2、anddiffraction,whichisthebasiccontentofwaveopticsinengineeringphysics,weintroducedmorepopularlythephysicalconceptionofhologram.KeyWordshologram;experimentprinciple实验原理是整个实验的灵魂.学生只有大家斧正.真正理解了实验原理,才能发挥其能动性,独1概述立地、创造性地完成实验,达到培养能力,提高素养的目的.教学中存在的一个实际问题(1)人眼视物的简单机理是:对于某些实验
3、,学生反映看不懂实验原光是电磁波,在光波中产生感光作用和理.这里固然有学生的问题,但与我们的实验生理作用的是电场强度E0.一列单色光波可教材也不无关系.像“全息照相”实验,对于实表示为验原理的叙述,有的教材过于简略,读后不得E=E0cos(ωt-2πrΠλ+φ0)要领;有的过于深奥,比如用复数形式的光场计算表明,底片上任一点处的光强I为过照相机镜头使物体成像于底片上,底片只记录了光强(振幅)分布,反映了物体各部分的明暗.而对相位的差别则不能分辨,也就无法反映物体表面的凹凸和距底片的远近,从而失去了立体感.(3)全息照相的物理思想
4、普通照相所不能记录的相位分布在全息照相中是如何被记录的?它的创造性的思想就是:把感光材料所不能“感受”的相位分布,利用光的干涉现象,使之转化为底片能记录的光强分布.具体地说,把来自物体的光波称为物光(O光),再引入一束与之相干的参考光(R光),让参考光和物光同时照在底片上.在底片上的各点处,R光相位都相同,而O光的相位不相同,从而O光与R光在各处的相位差也不同,经干涉后各处的条纹亮暗程度就不同.这样底片就可以在记录下物光振幅分布的同时,也记录下了其相位分布,即记录下了物光的全部信息,这就是全息照相的重要物理思想.本实验就是从实践
5、上实现这一物理思想的.(4)全息照相的实验过程分为两步:一是拍摄,即把物光的全部信22I=ER+EO+2EREOcos(φO-φR)2式中右边第一项ER代表参考光光强,ER是2均匀分布的,所以ER仅提供了底片上的均匀E2背景.第二项代表物光光强,它反映了物O体上各点的亮暗.第三项2EREOcos(φO-φR)],表示两束相干光振幅受相位差调制而对底片上该点光强的贡献.由于φR也是均匀分布的,起调制作用的实际上只是物光波的相位φO.故该项主要反映了物体上各点在底片上该点的相位的情况.这就是全息照相能记录普通照相所不能记录的相位信息
6、的关键所在.为了进一步理解物光和参考光的干涉,的同心圆环的一部分.如果将四个频率相同(保证与参考光相干)而振幅和相位各不相同的点光源,同时放于A、B、C、D四处,底片上将同时得到四组干涉条纹,这四组条纹再进行叠加,将得到复杂的条纹图象.一个实际物体总可以看作是由许多具有图2不同振幅和相位的点光源组成.每一点光源和参考光干涉都形成各自不同的圆条纹(或圆条纹的一部分).这些条纹再相互叠加,最后形成复杂的干涉图样.这干涉图样的浓淡程度反映了物光波相对于参考光波之间振幅(光强)的变化,而干涉图样的形状和疏密则图3反映了物光波和参考光波之
7、间的相位变化.再作如下分析.由上可知,用全息照相的方法拍摄得到设物为一单色点光源.由它发出的一束的底片上,并不直接显示物体的形象.如何由球面波的等相位面是一系列以点光源所在处底片重现物体的光学像呢?为球心的等间距的同心球面.与它相干的参考光束为平面波,其等相位面是一系列等间3物体的再现———再现光波被全息图衍射距的平行平面.考虑把点光源放于A点处,如的结果(略)图2所示.讨论底片上距O点为x的P点的情况.如图3所示,两束光在P点的光程差为4全息照相的特点(略)δ,则5实现全息照相的基本条件(略)2δ=xxsinθ=,δ==kλx
8、rr参考文献x亮=krλ(k=0,1,)可知两束光在底片上形成的干涉条纹是[1]张三慧主编.大学物理学第四册.第二版.清华大学以O为圆心的明暗交替的同心圆环,中心为出版社,2000年1月杨述武主编.普通物理实验(三光学部分).第三版高等教育出版社,2000年5月
