1、全息照相的原理和實驗過程【實驗目的】1. 了解全息照相的基本原理；2. 學習全息照相的實驗技術，拍攝合格的全息圖；3. 了解攝影暗室技術。【實驗儀器】JQ* 1型激光全息實驗臺，He-Ne激光器，光開關及 DBD- I電腦多功能曝光定時器，分束鏡一個，擴束鏡兩個，全反射鏡兩個，被攝物體（如：小雞，小鴨等）及放置物體的底座，全息干版及底架，暗室技術使用的設備。圖 1 實驗儀器實物圖【實驗原理】全息照相的基本原理早在1948 年就由伽伯（D. Gabor ）發現，但是由于受光源的限制（全息照相要求光源有很好的時間相干性和空間相干性），在激光出現以前，對全息技術的研究進展緩慢，在60 年代激光出現以

2、后，全息技術得到了迅速的發展。目前，全息技術在干涉計量、信息存儲、光學濾波以及光學模擬計算等方面得到了越來越廣泛的應用。伽伯也因此而獲得了1971 年度的諾貝爾物理學獎。一、全息照相與全息照相術在介紹全息照相的基本原理之前，我們首先來看一下全息照相和普通照相有什么區別。總的來說，全息照相和普通照相的原理完全不同。普通照相通常是通過照相機物鏡成像，在感光底片平面上將物體發出的或它散射的光波（通常稱為物光）的強度分布（即振幅分布）記錄下來，由于底片上的感光物質只對光的強度有響應，對相位分布不起作用，所以在照相過程中把光波的位相分布這個重要的信息丟失了。因而， 在所得到的照片中，物體的三維特征消失了

3、，不再存在視差，改變觀察角度時，并不能看到像的不同側面。全息技術則完全不同， 由全息術所產生的像是完全逼真的立體像（因為同時記錄下了物光的強度分布和位相分布，即全部信息），當以不同的角度觀察時，就象觀察一個真實的物體一樣，能夠看到像的不同側面，也能在不同的距離聚焦。全息照相在記錄物光的相位和強度分布時，利用了光的干涉。從光的干涉原理可知：當兩束相干光波相遇，發生干涉疊加時，其合強度不僅依賴于每一束光各自的強度，同時也依賴于這兩束光波之間的相位差。在全息照相中就是引進了一束與物光相干的參考光，使這兩束光在感光底片處發生干涉疊加，感光底片將與物光有關的振幅和位相分別以干涉條紋的反差和條紋的間隔形式

4、記錄下來，經過適當的處理，便得到一張全息照片。二、全息照相的基本過程具體來說，全息照相包括以下兩個過程：（一） 波前的全息記錄利用干涉的方法記錄物體散射的光波在某一個波前平面上的復振幅分布，這就是波前的全息記錄。通過干涉方法能夠把物體光波在某波前的位相分布轉換成光強分布，從而被照相底片記錄下來，因為我們知道，兩個干涉光波的振幅比和位相差決定著干涉條紋的強度分布，所以在干涉條紋中就包含了物光波的振幅和位相信息。典型的全息記錄裝置如圖2 所示： 從激光器發出的相干光波被分束鏡分成兩束，一束經反射、擴束后照在被攝物體上，經物體的反射或透射的光再射到感光底片上，這束光稱為物光波；另一束經反射、擴束后直

5、接照射在感光底片上，這束光稱為參考光波。由于這兩束光是相干的，所以在感光底片上就形成并記錄了明暗相間的干涉條紋。干涉條紋的形狀和疏密反映了物光的位相分布的情況，而條紋明暗的反差反映了物光的振幅，感光底片上將物光的信息都記錄下來了，經過顯影、定影處理后，便形成與光柵相似結構的全息圖一一 全息照片。所以全息圖不是別的， 正是參考光波和物光波干涉圖樣的記錄。顯然，全息照片本身和原是物體沒有任何相似之處。圖2漫反射全息光路圖（二）物光波前的再現物光波前的再現利用了光波的衍射，如圖3所示。用一束參考光（在大多數情況下是與記錄全息圖時用的參考光波完全相同）照射在全息圖上，就好像在一塊復雜光柵上發生衍射，在

6、衍射光波中將包含有原來的物光波，因此當觀察者迎著物光波方向觀察時，便可看到物體的再現像。這是一個虛像，它具有原始物體的一切特征。此外還有一個實像，稱為共軻像。應該指出，共軻波所形成的實像的三維結構與原物并不完全相似。圖3物光波的再現三、全息照相的主要特點和應用全息照片具有許多有趣的特點：1 .片上的花紋與被攝物體無任何相似之處，在相干光束的照射下，物體圖像卻能如實重現。2 .立體感很明顯（三維再現性），如某些隱藏在物體背后的東西，只要把頭偏移一下，也 可以看到。視差效應很明顯。3 .全息圖打碎后，只要任取一小片，照樣可以用來重現物光波。猶如通過小窗口觀察物體 那樣，仍能看到物體的全貌。這是因為

7、全息圖上的每一個小的局部都完整地記錄了整個 物體的信息（每個物點發出的球面光波都照亮整個感光底片，并與參考光波在整個底片 上發生干涉，因而整個底片上都留下了這個物點的信息）。當然，由于受光面積減少，成像光束的強度要相應地減弱；而且由于全息圖變小，邊緣的衍射效應增強而必然會導 致像質的下降。4 .在同一張照片上，可以重疊數個不同的全息圖。在記錄時或改變物光與參考光之間的夾 角，或改變物體的位置，或改變被攝的物體等等，一一曝光之后再進行顯影與定影，再 現時能一一重現各個不同的圖像。由于具有這些特點，全息照相術現在已經得到了廣泛的應用。如前面提到的全息信息存儲和全息干涉分析就是分別應用了所述的第三和

8、第四個特點。四、實驗條件為了實現全息照相，實驗裝置必須具備下述的三個基本條件：1. 一個好的相干光源。全息原理是在1948年就已提出，但由于沒有合適的光源而難以實現。激光的出現為全息照相提供了一個理想的光源，這是因為激光具有很好的空間相干 性和時間相干性。本實驗用多縱模He-Ne激光器，其波長為 632.8 nm,其相干長度約為20 cm。為了保證物光和參考光之間良好的相干性，應盡可能使兩光束的光程接近，一 般要求光程差不超過 4cm,以使光程差在激光的相干長度內。學系統的穩定性良好。從布拉格法則可知：條紋寬度2. 一個穩定性較好的防震臺。由于全息底片上所記錄的干涉條紋很細，相當于波長量級，

9、在照相過程中極小的干擾都會引起干涉條紋的模糊，不能形成全息圖，因此要求整個光d = -,由此公式可以估2sin 萬計一下條紋的寬度。當物光與參考光之間的夾角6 =60時，兒=632.8 nm ,則d =0.6328Nm。可見，在記錄時條紋或底片移動1 .仙將不能成功地得到全息圖。因此在記錄過程中，光路中各個光學元件(包括光源和被攝物體)都必須牢牢固定在防震 臺上。從公式可知，當 日角減小時，d增加，抗干擾性增強。但考慮到再現時使衍射光 和零級衍射光能分得開一些，日角要大于300, 一般取450左右。還有適當縮短爆光時間,保持環境安靜都是有利于記錄的。3. 高分辨率的感光底片。普通感光底片由于銀

10、化合物的顆粒較粗，每毫米只能記錄幾十至 幾百條，不能用來記錄全息照相的細密干涉條紋，必須采用高分辨率的感光底片(一般 采用條紋寬度 d的倒數表示空間頻率或感光材料的分辨率)。我們采用的是天津感光膠片廠出品的GS-I型紅光干版。其極限分辨率為 3000條每毫米。其實，要獲得最終的全息圖，充分了解和學習感光底片的顯影、定影、沖洗等有關攝影 的暗室技術知識也是不可缺少的。【實驗內容與步驟】一、調整光路1、調好曝光裝置的位置，使通過的光強最強。曝光定時器打到調試。2、打開激光器，參照圖1擺好光路，使光路系統滿足下列要求：(1) 光通過的平面與振動臺平行，即各元器件的中心在同一高度。(2) 物光和參考光

11、的光程大致相等，光程差最多不能超過1.5cm。(3) 經擴束鏡擴展后的參考光應均勻照在整個底片上，被攝物體各部分也應得到較均勻照明。即經擴束鏡后的光為平行光。(4) 使兩光束達到底片時，它們之間的夾角小于45°。(5) 直接到達底片的參考光與經物體漫反射到底片的光強基本相等。平臺上如上圖放置。紅線與綠線分別代表兩條光路的光程。可用繩子拉一拉。、拍攝1、確定曝光時間。調好定時曝光器，設置曝光時間約為615s。2、曝光定時器打到曝光，關燈。將底片從暗室中取出裝在底片架上，應注意使乳膠面對著光的入射方向(涂 AgI的那一面粗糙一點)。靜置一分鐘后進行曝光。曝光時間約絕對安靜。曝光好之后再靜為615s,曝光過程中絕對不準觸及防震臺，并保持室內 止一分鐘，之后再拿到里間洗照片。注意拿出底片之后一定要把盒子的蓋子蓋上。切記切記！二、洗照片顯影及定影。放入顯影劑中 5分鐘，漂洗1分鐘；放入定影劑中 4分鐘，漂洗1分鐘;放入漂白劑中3分鐘，漂洗1分鐘。顯影時間與溫度有關，25度5分鐘就可以了最后的漂白漂洗好之后，才可以開燈 三、 物像再現將全息照片放回原處，光路保持原光路不變，干板放在原來的位置，拿走物體，關燈，眼睛逆著光，透過干板看原來物體的位置，就可以看見物