全息照相和全息干涉法的应用

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1、全息照相和全息干涉法的应用缪长宗实验目的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术和方法3．通过对反射式、透射式全息照片的摄制和观察，了解反射式、透射式全息照相的特点4．了解全息干涉法及其应用全息照相的概念全息照相术是一种新型的照相技术，其成像过程是：利用光的干涉和衍射现象，在照相干板或胶片上以干涉条纹的形式把图像记录下来，然后用光照射这种干板（称作全息干板），就能以立体形式再现出原来的物体像。与普通照相不同，全息照相有一些突出的特点，比如它的像有三维立体性、其干板具有可分割性、可多次记录性等等。全息照相之所以具有上

2、述特点，是因为全息照相与普通照相的方法截然不同。普通照相在胶片上记录的仅是物光的振幅信息（即光强分布），而全息照相在记录振幅信息的同时，还记录了物光的相位信息，“全息”也因此而得名。全息照相术的起源全息术最初是由英国科学家丹尼斯·伽柏（DennisGabor）于1948年提出来的，伽柏并因此在1971年获得了诺贝尔物理学奖，当初的目的是想利用全息术提高电子显微镜的分辨率，伽柏当初使用汞灯作为光源，但是汞灯作为光源还不是很理想，这种技术由于要求高度相干性及高强度的光源而一度发展缓慢。1960年梅曼（Maiman）研制成功了红宝石激光器，第二年（196

3、1年）贾范（Javan）等制成了氦氖激光器。从此，一种全所未有的优质相干光源诞生了。1962年美国科学家E.N.利思（E.N.Leith）和J.乌帕特尼克斯（J.Upatnieks）用激光器对伽柏的技术做了划时代的改进，全息术的研究从此获得了突飞猛进的发展，近40年来，全息技术的研究日趋广泛深入，逐渐开辟了全息应用的新领域，成为近代光学的一个重用分支。请看图1，使从点光源（可以认为是从物体上的一点反射出来的光，也可考虑为有一个针孔）发出的相干激光束A与另一方向射来的激光束B在照相干板上叠加而产生干涉，形成如图2、3所示的那样的干涉条纹。如果将这种干

4、板冲洗后则可变成一种衍射光栅，即全息照片（或称作全息图）。如果将全息照片置于原来的位置，并在与记录干涉条纹是参考光照射的方向相同的方向上用相干光照射，则此照射光在冲洗后的干板（衍射光栅）上被衍射。由图4可知，在衍射光栅的栅格间距小的地方，光的衍射角大；在衍射光栅的栅格间距大的地方，光的衍射角小。结果，整个衍射光就好像从原来点光源所在位置传播过来的方向上被衍射。同样，如果放置两个点光源，通过与另外的相干光形成干涉条纹，并记录在干板上，则自然会有两种不同的干涉条纹相重叠地被记录下来。并且，每种干涉条纹都具有与各自的点光源的光强相应的反差，从而起衍射光栅

5、的作用，使得衍射光象是从原来两个点光源所在位置传播过来似的被衍射。在类似的点光源极多的情况下，也可按这种方式处理。被光照射的物体可以看作是无数点光源的集合体。在这种情况下，非常复杂的干涉条纹被记录下来，当用相干光照射干板时，光在与原物体存在时相同的方向上被衍射。换言之，在物体原来所在的位置上将再现它的像，这就是全息照相的原理。下面，根据实际装置，再从稍微从不同的角度来说明全息照相术的原理。如图5所示，如果用分束镜将一束相干光（激光）分为两束，它们再以某一角度θ在干板上叠加，则会形成大致一样的干涉条纹，这些干涉条纹的间距为Δx的大小由光波长λ和两束光

6、的夹角θ决定，这从图中也很容易理解。这样产生的干涉条纹如图6所示，是黑白相间周期性重复的排列。每一毫米内存在的干涉条纹数称作空间频率或空间载波，这样产生的空间载波未受任何调制。如图7所示，如果在一个方向上的光束中途放置一块幻灯片之类的透射体，利用从透射体透射出来的光，或者是利用照射物体时产生的反射光，与另一方向上的相干光（即参考光）叠加而形成干涉条纹，则这样形成的干涉条纹不再是规则排列的清晰条纹，而是变成了复杂的干涉条纹。这种情况，可以认为是空间载波被物体所调制。这样记录下来的受到物体光波调制了的干涉条纹，就是全息图。图8时全息图实际记录过程的图解

7、，如果要由全息图再现原物的形状和位置，则如图9那样，用同一波长的相干光照射全息图，被调制的空间频率就像一种衍射光栅一样把光波衍射。由于被衍射的光是沿着与透过物体的光或被物体反射的光相同的方向行进，所以再现的像在空间也有景深，从而可观测到三维的立体象。相对而言，一般照相技术仅仅是个记录过程，而全息照相术具有记录过程和再现过程两个阶段，再现出来的像恰是来自物体的光的波面本身。一、反射式全息照相反射式全息是利用后照相乳胶的布拉格衍射效应来实现的。反射式全息的记录光路如图10所示，激光细光束经扩束镜L0扩束后照射在全息干板H上作为参考光，透过H的光照明物体

8、，经物体漫反射的光成为物光，干板的乳胶面向着物体，由于乳胶感光材料的透过率为30%～50%，若物体的反射率较高，则光束比能