实验40全息技术.doc

实验40 全 息 技 术
1948年，英国物理学家伽伯（D.Gabor）为了提高电子显微镜的分辨能力，发明了利用干涉和衍射原理的照相新技术，该技术记录了物体上各点光的完全信息（即光波的振幅和相位），因此，被称为全息技术。当时由于缺乏明亮的相干光源，全息图的成像质量很差。1962年随着激光器的问世，美国学者利思和乌帕特尼克斯(Leith and Upatnieks)在盖伯全息术的基础上发明了离轴全息术，成功实现了物光波前的记录与重建，物体三维图像显示成为当时全息术研究的热点。1969年美国物理学家本顿(Benton)发明了彩虹全息术，从此，掀起了以白光显示为特征的全息三维显示新高潮。1971年，伽伯因全息术的发明获得诺贝尔物理学奖。现在，全息技术已成为一门有着广泛应用前景的新技术学科。
应用背景
随着全息技术的发展，该技术已广泛应用于生产实践和科学研究领域中。全息显微术主要有“全息显微镜”和“全息放大”两种形式。“全息显微镜”解决了一般显微镜中分辨本领与景深的矛盾，从而获得更大的视野，“全息放大”通过改变再现光的波长和波前曲率，即能得到放大率高达100倍左右的图像。全息显微技术被广泛应用于医学、生物学等研究领域。全息干涉计量能精确地测量出物体微小变化，测量精度高达0.01，且能对任意形状、任意粗糙表面的物体实现非接触无损三维测量。近年来，全息干涉测量技术已与莫尔技术、光电检测技术、CCD数据采集技术、计算机技术等相结合，实现了准确，自动和实时测量。全息存储将信息以全息照相的方式存储起来，全息存储的容量非常大，一张全息光盘的容量是DVD标准容量（4.7GB）的200倍，全息存储还具有噪声低、保真度高，数据传输速率高，寻址时间短等特点，是信息存储应用的重要方向。模压全息图在白光照射下可再现出斑斓多姿的彩色三维图像，使得其在包装、装饰和防伪领域方面充分应用，目前，很多国家的护照、身份证、信用卡、商标、商品包装上都用模压全息作为防伪标识。另外，超声、红外和微波全息等技术，可用于医疗诊断、工业无损探伤或军事侦察和监视等。
全息技术是一个正在蓬勃发展的光学分支，其应用已渗透到多个领域，成为近代科学研究、工业生产及经济建设中有效的工具。
实验目的
1．了解全息照相的基本原理。
2．学习全息照相的实验技术，拍摄和还原全息图像。
实验原理
全息照相是以光波的干涉和衍射为理论基础，通过一定的光路系统把物光波和参考光波叠加在一起，并记录光波的强度和位相信息的过程，整个实验分为信息记录和图像再现两个过程。
（一）物光波前的全息记录
如图5.16所示，从激光器发出的相干光波被分束镜分成两束，一束经反射、扩束后照在被摄物体上，再经物体反射到感光底片上，这束光称为物光束；另一束经反射、扩束后直接照射在感光底片上，这束光称为参考光束。
设x-y平面为全息底片平面，底片上一点（x, y）处物光束 O和参考光束R的光场分布分别为
（5.7）
（5.8）
其中 （5.9）
（5.10）
为物光和参考光的复振幅。由于物光束和参考光束是相干光束，所以底片上的光强是两者合振幅的平方，即

  （5.11）

图5.16 全息记录光路图
为了书写简便，上式中等号右边各项省略了（x, y）。式（5.11）右边三项中，第一项为物光在底片处的光强，其大小会由于物体表面不同部位反射的不同而变化。第二项为参考光的光强，由于是均匀分布的，因此，该项构成了底片上的均匀背景。第三项反映了两束相干光的振幅和相位的关系。这样，通过物光束和参考光束的干涉就把物光束的振幅和相位两种信息都记录了下来。底片经过显影、定影处理后，便形成类似光栅结构的全息图。全息图上干涉图样的明暗反映了物光波相对于参考光波之间振幅的变化，而干涉图样的形状和疏密变化则反映了物光波和参考光波之间的相位关系。
（二）物光波前的再现
拍摄好的全息底片，经过适当的显影、定影和漂白处理后，底片上各点的振幅透射率与原入射光强I(x, y)的关系如下：
（5.12）
其中t0为底片的灰雾度，为比例常数（对于负片，<0）。为了重现物光的波前，必须用一相干光（在大多数情况下是与记录全息图时用的参考光波完全相同）照射全息图，就好像在一块复杂光栅上发生衍射，再现光路如图5.17所示。

图5.17 物光波前的再现光路
设照射到全息图上的相干光的复振幅也为R0，则透过全息图的复振幅A(x, y)为：

（5.13）
式（5.13）表明经全息图透射的光包含三个分量：第一、二项代表的是强度衰减的直接透射光；第三项正比于O0，即除振幅大小改变外，原来的物光被准确地再现了，波前发散形成物体（在原来位置上）的虚像，因此当观察者迎着物光波方向观察时，便可看到物像的再现；第四项是与物光共轭的光波，这意味着在虚像的相反一侧会聚成一个共轭的实像。
全息照相的主要特点：
① 立体感强，因为全息图记录了物光的相位信息，图像具有显著的视差特性，可以看到逼真的三维图像。某些隐藏在物体背后的东西，只要把头偏移一下，也可以看到。
② 底片上每一点都记录下了物体的信息，因此全息图打碎后，只要任取一小片，照样可以用来重现物光波，只是分辨率受到一些影响。
③ 在同一张全息干版上，可以进行多次曝光记录，重叠数个不同的全息图，且能一一重现各个不同的图像。
实验仪器
气垫隔振平台、空气压缩机、He-Ne激光器、光开关、曝光定时器、分束镜一个、扩束镜两个、全反射镜两个、被摄物体及放置物体的底座、全息干版及底架、暗室技术使用的设备等。
实验内容
1．物光波前的全息记录。
（1）给隔振平台充气并调节气压使平台水平。
（2）打开激光器，参照图5.16摆好光路，使光路系统满足下列要求：
① 物光和参考光的光程大致相等，物光束与参考光束的光强比介于1 : 2~1 : 5之间。
② 经扩束镜扩展后的参考光应均匀照在整个底片上，被摄物体各部分也应得到较均匀照明。
③ 使两光束在底片处重叠时之间的夹角约为30°。
（3）关上照明灯（可开暗绿灯），确定曝光时间，调好定时曝光器。可以先练习一下快门的使用。
（4）关闭快门挡住激光，将底片从暗室中取出装在底片架上，应注意使乳胶面对着光的入射方向。静置三分钟后进行曝光。曝光过程中绝对不准触及防震台，并保持室内安静。曝光时间根据激光的强弱大约在40~60秒之间。
2．显影及定影。
显影采用D19显影液，定影采用F5定影液。显影定影温度以20摄氏度最为适宜，显影时间2~3分钟，定影时间5~10分钟。定影后的底片应放在清水中冲洗5~10分钟（长期保存的底片定影后要冲洗20分钟以上），晾干。
3．物像再现。
将全息照片放回原处，遮住物光，用参考光束照亮全息片，光路如图5.17，作如下观察：
（1）物的虚像，用眼睛直接地观察，在原物处有物的虚像。改变观察角度，看到虚像有何不同？通过有小孔的纸片观察，在不同的部位看到的虚像有无不同？改变参考光束的强弱与远近，看到的情况有何变化？
（2）物的共轭像，用毛玻璃屏接收并观察物体的共轭实像及其特点。
数据处理
1．记录曝光时间，显影、定影时间。
2．记录物像再现过程中，在不同观察条件下的物像的特点，并对现象作出物理解释。
3．为提高实验成功率和拍摄图像的质量，如何操作。
注意事项
1．光学镜头应轻取轻放，注意保护镜头的光学面。
2．拍摄照片时要保持安静并严防振动。
3．显影、定影完成后，将液体到回广口瓶中并及时清洗台面。
4．严防未经扩束的激光直射眼睛。
小知识
全息照相实验系统
漫反射全息照相拍摄所用仪器如图5.18所示。

图5.18 漫反射全息照相拍摄光路
1. 氦氖激光器　 2. 光开关　　3. 反射镜　　4. 分束镜　　5. 物光反射镜　　6. 物光扩束镜　　7. 被拍摄物体
8. 参考光反射镜　　9. 参考光扩束镜　10. 全息干版　　11. 曝光定时器底座　　12. 隔振平台
一、隔振平台主要性能指标
1．载荷能力：最大500~800kg。
2．充气压力：最大0.6MPa。
3．固有频率：垂直方向：空载：1~1.7Hz ，满载：0.8Hz；
水平方向：空载：1~1.7Hz ，满载：1.0Hz。
4．最大动挠度系数：。
5．最大相对位移：0.22nm。
6．台面平面度：0.10mm/m2。
二、设备主要功能
配有JQS-II激光全息照相实验系统，可开出的实验内容有：迈克尔逊干涉仪光路观察；三维全息实验；像面全息；反射全息；反射像面全息；一步彩虹全息；付里叶变换全息；无透镜付里叶变换全息；全息图的复制；全息无损检验；振动物体的时间平均全息；全息资料存贮；阿贝-波特实验；应变分析实验；付里叶频谱与频谱分析等16个 实验。