试验二十二全息照相.doc

实验二十二全息照相
实验目的
1、了解全息照相记录和再现的原理。
2、掌握漫反射全息照片的摄制方法。
3、加深对全息照片特点的理解。
实验装置(图22-1)
1:He-Ne激光器L
2:光栅转台(SZ-10)
3:升降调节架(SZ-03)
4:升降调节架(SZ-03)
5:分束器
6:干版架(SZ-12)
7:二维调节架(SZ-07)
8:平面镜M1
9:二维平移底座(SZ-02)
10:二维平移底座(SZ-02)
11:扩束器(f ,=)
12:二维调节架(SZ-07)
13:三维调节干版架(SZ-16)
14:全息干版
15:三维平移底座(SZ-01)
16:拍摄物体
17:载物台(SZ-20)
18:升降调节底座(SZ-03)
19:升降调节底座(SZ-03)
20:扩束器(f ,=)
21:二维调节架(SZ-07)
22:二维平移底座(SZ-02)
23:平面镜M2
24:二维调节架(SZ-07)
图22-1
实验原理
普通照相底片上所记录的图象只反映了物体上各点发光(辐射光或反射光)的强弱变化,也就是只记录了物光的振幅信息,于是,在照相纸上显示的只是物体的二维平面象,丧失了物体的三维特征。全息照相则不同,它是借助于相干的参考光束R和物光束O相互干涉来记录物光振幅和相位的全部信息。
如图22-2所示,设xy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
图22-2
= (22-1)
R(x,y,t)=Ro(x,y)eiωt. (22-2)
 其中
Oo(x,y)=Ao(x,y)eiω, (22-3)
和 Ro(x,y)-Ar(x,y)eiω(22-4)
为物光束和参考光束的复数振幅。
由于它们系相干光束,所以全息底片上的光强是它们合振幅的平方[为了书写简便,略去(x,y)],即
I(x,y)=|Oo+Ro|2=OoO+RoR+OoR+RoO
=A+A++
=A+A+ (22-5)
(22-5)式右边三项中,第一项(A)反映了物光的光强,它在底片上不同位置有不同的大小。第二项(A)反映了参考光的光强,由于Ar是均匀发布的,所以A构成了底片上的均匀背景。第三项[2ArAocos]反映了两束相干光的振幅和相对相位的关系。这样的照相把物光束的振幅和相位两种信息全部记录下来了,因而称为全息照相。
全息照相底片上记录的不是物体的几何图形,而是一组记录着物光束的振幅和相位全部信息的不规则的干涉图样,所以又称为全息图。全息图上干涉图样的明暗对比程度反映了物光波相对于参考光波之间振幅(强度)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变化。
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入射光强I(x,y)的关系如下
t(x,y)=to+β|Oo+Ro|2 (22-6)
其中to为底片的灰雾度,β为比例常数(对于负片,β<0)。为了重现物光的波前,必须用一相干光照射全息图,设照射到全息图上的相干光的复振幅也为Ro,则透过全息图的复振幅A(x,y)为
A(x,y)=t(x,y)Ro=toRo+βRo|Oo+Ro|2
=toRo+βRo(|Oo|2+|Ro|2)+βRoROo+βRoRoO (22-7)
(22-7)式表明经全息图透射的光包含三个不同的分量:第一、二项代表的是强度衰减的直接透射光;第三项正比于Oo,即除振幅大小改变外,原来的物光准确地再现了,波前发散形成物体(在原来位置上)的虚象;第四项是与物光共轭的光波,这意味着在虚象的相反一侧会聚成一个共轭的实象,如图22-3所示。
图 22-3
(22-5)式与(22-7)式表明,全息照相过程包含记录和再现两个过程:(1)用干涉方法记录物光波的全部信息,(2)用衍射方法再现物体的光学象。下面以发光物点的全息照片为例。具体说明上述记录和再现的物理过程。如图22-4所示,从发光点O发出的单色球面波与相干的平面参考光波R在感光底片上叠加曝光的结果,形成一组明暗相间的同心干涉圆环,条纹的分布是中间稀疏而边部稠密,底片经冲洗后,干涉亮纹处形成不透光暗环,暗条纹处则形成透光环,因此点光源的全息图是一片具有不等间隔的圆光栅,其间隔从中心到边缘逐渐减少。
图22-4
当用平行光照明该全息图时,如图22-4(b)那样,每一透光的干涉环均要产生衍射,衍射光波具有旋转轴对称的特性,其衍射角随着光栅间隔的减小而增大,正一级发散的衍射波重现了物点O的原始虚象O′,负一级会聚衍射光波则形成了物点O的共轭实象O″。
因为任意物体是由许多独立发光点所组成,如图22-2所示,记录时,每一点发出的光波均