激光全息实验

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1、激光全息实验[实验目的]学习全息照相的基本原理和方法。制作漫反射全息图并观察再现像。[实验原理]早在激光出现以前，1948年D.Gabor（1971年获得诺贝尔奖）为了提高电子显微镜的分辨本领，提出了一种无透镜两步光学成像方法（波前记录与重建），这就是现代全息技术的思路。但由于缺少理想的光源，工作进展缓慢。直到上世纪60年代后，激光的出现才为全息照相提供了高度相干的强光源，使它得到了迅速发展。现如今，全息术已经在现代成像理论和光学图像检测等领域内显示了其独特的优点。全息照相与普通照相无论在原理上还是方法上都有本质的区别。首先，普通照相是以几何光学为基础，利用透镜把

2、物体成像在一个平面记录介质上，以记录平面上各点的光强或振幅分布。物、像之间虽然一一对应，但这种对应是二维平面图像上的点和三维物体上的点之间的对应，因此并不是完全意义的逼真。根据干涉原理，干涉条纹的光强分布能提供参与干涉的光波的光强和相位两方面的信息。全息照相正是以光的干涉、衍射等光学规律为基础，借助参考光波记录物光波的全部信息（振幅和相位）。在记录介质上得到的不是物体的像，而是只有在高倍显微镜下才能看得到的细密干涉条纹，称之为全息图。条纹的明暗程度和图样反映着物光波的振幅与相位分布，好像是一个复杂的光栅。对全息图适当照明就能重建原来的物光波，看到与原物不可分辨的立

3、体像。另外，由于每一物点的散射球面波被扩散后覆盖整个全息图面，所以，全息图上的每一点都包含着整个物体的信息，类似普通照相的一一对应关系在此不复存在。故而，如果全息图破损，仍有可能观察到物体的全貌。第三，全息图的另一个优点是能在同一张照像底板上记录多个物体的信息，而且仍能够得到各自高质量的再现。1、全息记录（即全息图的制作）用激光照射物体时，物体因漫反射而发出物光波（透明物体可以采用透射的物光波）。物光波的全部信息应该包括振幅和相位两个方面，但是所有的感光介质都只对光强有响应，所以必须把相位信息转换成强度的变化才能被记录下来，而常用的方法就是干涉法，思路是用另一振幅

4、和相位都已知的相干波（参考光）与物光发生干涉。如Fig.1所示，为了记录物光波在照相底板（全息干板）上每一点振幅和相位的全部信息，我们采用分光干涉法。一束激光经分束镜分成两路光，一路照在物体上形成物光波，另一路光直接照在干板上，即作为参考光。物光波复振幅可表示为：；(1)参考光的复振幅表示为：；(2)它们的振幅和相位都是空间坐标的函数。这样，在感光干板上的总光场是二者的叠加，复振幅为：，从而，干板上各点的光强分布为：(3)式中、代表、的共轭量，、分别为物光与参考光独立照射到干板上时的光强，这两项在干板上与位置的关系不明显，基本均匀，在全息记录中不起主要作用。而为干

5、涉项，可见干涉项产生的是明暗以为变量按余弦规律变换的干涉条纹。由于这些干涉条纹在底板上各点的强度决定于物光波（及参考光）在各点的振幅和相位，因此底板上就保留了物光波的振幅与相位分布信息。从此就可以推知物光波会聚点的位置，因此当我们观察全息图的再现波前时，看到的将是与原物不可分辨的立体像。2、波前的重建记录物光波全息图的底板经曝光、冲洗后，形成透光率各处不同（由曝光时间和光强分布决定）的全息片。光经过这样的底板时振幅和相位都要发生变化。底板上各点的振幅透过率定义为：；曝光量：；其中，为生成全息图时底板上的光强分布，为曝光时间。特性曲线如Fig.2所示适当选取曝光时间

6、和显影时间，以使位于曲线中段近似直线的工作区部分（图中AB段）。在此段，其透过率为：；(4)式中为直线斜率。把(3)式的光强度分布代入(4)式，该式表示了全息图片的振幅透过率。波前的重建的方法是用再照光照射制作好的全息片。通常再照光仍用制作全息片的参考光，则再照光透过干板后的复振幅分布为：(6)该式称为再现方程。代表了再照光经过全息片上复杂光栅衍射后的振幅分布。这种光栅的透过率是按余弦规律变化的（可由3、5式知），根据(6)式，再照光经过它衍射后，只有零级、正一级和负一级的衍射光束，它们分别对应着(6)式右边的三项。如Fig.3所示。若令，；则上式右边第一项的相位

7、角：，说明光沿着与干板法线成角方向出射，并保持与再照光方向一致，还可以发现该项与再照光复振幅成正比，或者说是直接透过的再照光，相当于零级衍射波。所以第一项不能成像，对信息记录无意义。第二项的相位角：，相当于正一级衍射波，我们可以发现它与制作全息片时底板所在处原来的物光波成正比，即是按一定比例重建的物光波。这个重建的物光波离开全息片继续传播时，其行为与原物在原来位置发出的光波一致，不同的是振幅按一定比例改变了，而且位相改变了180度。因此在全息片后面的观察者对着这个衍射光波方向观察时（与再照光夹角），可以看到原来物体的三维立体虚像。第三项的相位角：，它是沿着相对于再

8、照光入射方