白光再现全息照相

大 学 物 理 实 验 PHYSICALEXPERIMENTOFCOLLEGE

Vol.19No.1Mar.

2006

文章编号:1007-2934(2006)01-0036-04

白光再现全息照相

吕广娟 张孝林 段新超

(西安交通大学,西安,710048)

摘 要 简述了激光全息照相的原理,设计出全息照相的拍摄光路,探索出能成功拍出全息图的方法以及能实现白光再现的实验参数。总结出拍摄反射全息的条件,并能了解全息照相与普通照相的区别,以及全息照相的应用及开拓。关键词 反射全息照相;全息记录;白光再现中图分类号:O438.2 文献标识码:A

全息术是利用光的干涉和衍射原理,将物体发射的特定光波-干涉的形式记录下来,并在一定的条件下使其再现,形成原物逼真的立体像。因为它记录了物体光波的全部信息(振幅和相位),因此称为全息照相或全息术。

全息照相发展到现在可分为四个阶段:第一阶段是用水银灯记录同轴全息图,这时是全息照相的萌芽时期,主要原因是没有好的相干光源,再现像和共轭像不能分离:第二阶段是用激光记录、激光再现的全息照相,能够把原始像和共轭像分离;第三阶段是激光记录、白光再现的全息照相,主要有反射全息、彩虹全息;第四阶段是当前所致力的方向,就是白光记录全息图。1 实验原理

1.1 全息照相基本原理

我们用

O(x,y)=O(x,y)eiU0(x,y)

(1)

表示物光波每一点的复振幅。物光波的全部信息包括位相和振幅两方面,但是所有的记录介质都只对光强有响应,所以必须把位相的信息转换成强度的变化才能记录下来,常用的转换方法是干涉法。因此,为了记录物光波在照相底版上每一点振幅和位相的全部信息,我们用同一激光光源的另一部分光直接照射到底版上。这个光波称为参考光,它的振幅和位相也是空间坐标的函数,其振幅用

R(x,y)=R0(x,y)e

两列波在底片平面上干涉后的合振幅及光强分别为:

收稿日期:2005-08-20

iU(x,y)

0

(2)

)36)A(x,y)=O(x,y)+R(x,y)I(x,y)=A(x,y)#A(x,y)=(O+R)#(O+R)*

=OO*+RR*+OR*+O*R

2

=O20+R0+2O0R0cos(U0-Ur)

*

(3)

(4)

*为共轭光波的符号,(4)式是全息照相记录的数学公式。式中第一项反映了物光的

强度,它在底片上不同处有不同的大小;第二项反映了参考光的强度,由于它是均匀分布的,所以它在底片上形成均匀的背景;第三项和第四项反映了物光和参考光的相对相位关系,它包含了物光和参考光的相对相位关系,它包括了物光和参考光的全部信息(振幅和相位分布)。

曝光后的全息底片经过冲洗后,全息片上各点振幅透射率与人射光强度在一定条件下有如下关系:

T(X,y)=T0+BI(X,y)

式中,T0为底片的灰雾度,B是由全息底片性质决定的常数(对于负片,B<0)。再现时,我们用原参考光波R(x,y)=R0(x,y)e

息图透过光的复振幅为

X(x,y)=T(x,y)#R(x,y)

2-iWi2W

=[T0+B(O2R2O0R20+R0]R(x,y)+B0O(x,y)+B0e0e

iU(x,y)

(5)

照射制备好的全息图,则从全

(6)

(6)式说明全息图透射后的光包括三部分:第一部分是强度衰减的再现光的透射光;第二

部分正比于物光O,它与原物光波波前具有同样相位分布和振幅分布,所以它就是物光波的再现波在原来的位置上有一个与原物体相同的虚像;第三部分是物光共轭的光波,即虚像相反的一侧会聚一个共轭的实像。1.2 反射全息原理

以上讨论的只是考虑参考光束与物光束在乳胶表面形成的二维干涉条纹,波前的重视是利用透过全息片的衍射光束得到的。事实上,乳胶有一定的厚度,但是它是透明的,故在其内部也存在着物光和参考光的相互干涉,干涉条纹也被记录下来,经过处理后得到三维全息图,相当于三维衍射光栅。和X射线在晶格中的衍射一样,三维光栅对光的衍射具有选择性,因此可以用单色相干光制作的全息片,用普通的白光照射它实现波前再现。这一重现过程是三维光栅衍射的结果,从效果上看,好像是从全息片的反射光束中得到的。因此称为反射全息,因为波前再现利用了白光,所以又称为白光再现全息照相。

反射全息片的制作法是让物光束和参考光束分别从照相底版的两面进入乳胶面。如图(1)所示,两束光的干涉极大值,在显影后形成基本上平行于底版的银层。实际上参考光和物光都不是平面波,特别是物光波具有复杂的波前,因此干涉极大并非是和底版平行的理想面,得到的全息图是复杂的三维光栅。

用再照光照射这个全息图时,入射光受三维光栅衍射遵从布喇格公式。此时三维光栅的衍射等效于各银层反射光束的相干迭加,只有入射光线与银层的夹角H和波长K满足布喇格公式:

)37)2dsinH=K(1)

时才存在干涉极大(公式中的d为银层的间距),而且相对于银层而言,干涉极大的方向正好是入射光经银层反射后的方向。不难发现这时干涉极大的方向正好是制作全息片时物光束的方向。因此在反射方向上,得到的正是重建的物光束,在此方向可以看到原物的三维虚像。

由于三维光栅衍射的这种波长选择性,我们不必用原来的参考光作为再照

图1 反射全息片制作

图2 白光照射全息片 图3 三维实像

光,而可以用白光照射重建原来的物光波,如图(2)所示。如果把图(2)中的乳胶面转过180b可以得到三维实像,如图(3)所示。2 实验步骤和方法2.1 拍摄反射全息图

(1)调整光路 按图(1)的光路布置光学元件,调节光学元件的螺钉,使光束基本同高,调节扩束镜的位置,是扩束后的光束均匀照在底版上,调整物体,是反射光束能够完全照在底版上。

(2)曝光 调好光路后,打开曝光定时器,选择预定的曝光时间(按底版特性要求和激光强度选定曝光量),选定7秒左右的曝光时间,让曝光定时器遮光,取下底版夹上的白板,装上底版(乳胶面面向物体),稳定1分钟后,打开曝光定时器,进行曝光。待光开关自动关闭后,取下底版冲洗。

(3)冲洗底版 将取下的底版,首先放在水中浸湿,然后放在显影液中进行显影,显影时间选定为80秒左右,等时间到后,取出底版放在水中洗掉显影液。然后再放到定影液中进行定影,选定的定影时间为15分钟左右,待显影完毕后,将底版放在活水中冲洗、晾干。

2.2 全息图的再现观察

(1)虚像观察 拍摄好的全息片,放在白光或太阳光下,按图(2)进行观察,可观察到红色的虚像。)38)(2)实像观察 拍摄好的全息片,放在白光或太阳光下,按图(3)进行观察,可观察到红色的实象。

3 实验结果与分析

当我们成功的拍摄出全息图后,放在白光或太阳光下观察看到的是红色图像(用激光拍摄的全息图),但有时看到的是绿色图像。这是因为三维光栅的衍射具有波长的选择性,白光中只有波长和制作全息片时所用光波波长相同的成分衍射后才能出现干涉极大。但是乳胶经过显影、定影、晾干后往往会发生收缩,使银层间距减小。因此能出现干涉极大的波长比制作时光波的波长要小。比如这个在实验中,我们用的是波长为6328埃的激光制作全息片,用白光再现时观察到的是绿色的图像。

为了拍出一张满意的全息照片,拍摄过程必须具备以下要求:(1)光源必须是相干光源。(2)全息照相系统要具有稳定性:工作台的稳定性和空气的稳定性。要求全息实验台是防震的;在曝光时禁止大声喧哗,不能随意走动,保证整个实验室的安静。我们的经验是,调好光路后,要离开实验台,稳定一分钟后,再在同一时间内曝光,得到较好的结果。(3)要注意全息照片的冲洗过程。

全息照相可以用于信息的大容量、高密度储存,如用全息照相方法可以把一本几百页的书的内容存储在只有指甲大小的全息片上.另外,它在精密测量、无损检测、显微术等方面也得到应用。目前,许多商家把企业的各类产品商标拍成全息图,制成防伪标志。总之,随着科学技术的日益发展,我们完全有理由相信,您具有一张自己的全息相片的日子不会再遥远.

参考文献

112 吴思诚、王祖铨主编1近代物理实验314基本实验1北京大学出版社,1986122 高学颜主编1近物实验1山东大学出版社,1989

RECONSTRUCTIONOFHOLOGRAPHYWITHWHITELIGHT

LuGuangjuan ZhangXiaolin DuanXinchao

(Xi.anJiaoTongUniversity)

Abstract:Thepaperdescribesbrieflythelaserhologramtheory,designstheshootlightwayofhologram,exploresthemethodwhichcanbesuccessfullyscreenthehologramandtheparameterwhichcanrealizethewhitelightreconstruc-tion.Thepapersummarizesthereflectholographicconditionandfindsoutthedifferencebetweentheholographicpic-tureandthecommonpicture,alongwiththeapplicationofhologram.

Keyword:reflectholographicpicture;holographicnote;whitelightreconstruction

)39)