实验讲义_激光全息照相

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1、实验7激光全息照相【实验目的】1．了解全息照相的基本原理。2．学习并掌握全息照相的基本实验技术。【实验原理】英国物理学家伽柏（D.Gabor）在1947年，并非从三维成像（threedimensionalimaging）的目的出发，而是为了提高电子显微镜（electronmicroscope）的分辨率，发明了全息术（holography）。他提出用物体衍射的电子波制作全息图（hologram），然后用可见光（visiblelight）照明全息图来得到放大的物体像。由于省去了电子显微镜物镜（objective），这种无

2、透镜两步成像过程可期望获得更高的分辨率（resolution），伽柏用可见光验证了这一原理。全息术的思想渊源来自波动光学（waveoptics），全息术的发展，不仅有赖于激光（laser）的出现，还有赖于其它方面的贡献。伽柏曾经说过：“在进行这项研究时，我站在两个伟大的物理学家的肩膀上，他们是布喇格（W.L.Bragg）和采尼克（F.Zernike）。”这就是说，伽柏全息思想的萌生受到他们的启发。在发明全息术的前几年，伽柏看过布喇格的“X射线显微镜（X-raymicroscope）”（布喇格采用两次衍射使晶格的像重现

3、），并注意到如若采用布喇格的方法还不足以记录傅里叶变换的全部信息。为了解决相位记录的问题，伽柏想到了采尼克在研究透镜像差（lensaberration）时使用过的“相干背景”，即用“相干背景”作为参考波（referencewave），那么参考波与衍射波（diffractionwave）（物波（objectwave））相互干涉，用照相底片记录干涉图样（interferencepattern），便得到包含相位（phase）信息在内的干涉图样，此即全息图。在全息图上，两个波相位相同处产生极大，相反处产生极小，当用参考光照明

4、全息图时可重建物波波前（wavefront）。由于前人未掌握波前重建，故直到1947年全息术的思想才在伽柏的脑子里萌生。在最初的实验里，由于所用的光源（lightsource）很弱、且相干长度（coherentlength）小，必须把每一实验器件都布置在同一轴线上（称之为同轴全息实验），这样不可避免的受到孪生像（共轭像（conjugateimages））的干扰，使再现的图象不大理想，尽管如此，伽柏的实验首次实现了全息记录和重建波前，因而，标志着全息术的开端。由于当时没有理想的相干光源（coherentsource），

5、受到伽柏同轴全息孪生像的困扰，有成效的工作很少。到了1962年左右发明了激光，美国人利思（E.N.Leith）和厄泊特尼可斯（J.Upatnicks）的第一个激光全息照片以及其后的全息图的发表，马上引起巨大的轰动，他们的工作清晰的表明全息图的大存储量。此外，苏联物理学家丹尼苏克，把伽柏全息术与李普曼（G.Lippmann）自然彩色照像技术结合在一起，于1962年提出了一种体积反射再现波前原理，也就是反射全息术（reflectionholography），为白光全息的发展打下了基础。由于全息术的发明，1971年伽柏荣获

6、诺贝尔物理学奖。在获奖时他说道：“46我深深懂得，这是一支年轻的、有才干的和热诚的研究队伍所完成的……我希望向他们表达我的真挚的谢意，感谢他们的工作帮助我得到这个最高的科学荣誉”。如今，全息术已发展成一门用途很广的一门学科了，相继出现了多种全息方法，开辟了全息应用的新领域，全息术不仅可用于可见光波段，也可用于电子波（electronwave）、X射线（X-ray）、微波（microwave）和声波（soundwave）等。人的眼睛可以看到一个物体，是由于物体所发出的光波（自发光或反射光）携带着物体所包含的信息传播到眼

7、睛，由眼睛在视网膜上成像所致。光信息（lightinformation）包含光波的波长（wavelength）、振幅（amplitude）和相位（phase），它们决定了所看见物体的特征（颜色、亮暗、远近和形状）。只要能够记录并再现该特定的光波，即就是物体不存在，但人眼看到再现的特定光波，就如同看到逼真的物体一样。记录与再现光波的这一过程就是光学全息术要解决的问题。1．全息照相（holograph）的基本过程普通照相利用透镜将物体成像在底片上，它只记录了物体的光强（lightintensity）信息，而并未记录反映物

8、体之间相对位置、远近的相位信息，所以看到的相片没有立体感。全息照相把物体的光强和相位信息全部记录，因而得到的是立体像。全息术利用干涉原理，将物体发射的特定光波以干涉条纹（interferencefringe）的形式记录下来。由光的干涉原理可知，所形成的干涉条纹与物光波的振幅和相位有关，所以记录干涉条纹就记录了物光波的全部信息，这就是“全息图”。