全息光学实验

全息光学实验

厦门大学物理系

§1光学全息照相

[参考文献]

1、毋国光等编《光学》§11-5，p405；

2、黄献烈编《信息光学导论》§4-1，p88；

3、[美]杨振寰著（毋国光等译）《光学信息处理》，§10-1，p412；

4、[美]W.E.科克著（李崇桂译）《激光与全息照相》§1-4和§5-1；

5、[美]H.M.Smith著（物理所译）《全息光学原理》§2-1和§3-2，§6-1；

6、[日]辻内顺平等编《光学信息处理》，§6-2，p304；

7、王永昭编《光学全息》§1-2和§4-1。

[引言]

全息照相，就是利用干涉方法将自物体发出光的振幅和位相信息同时完全地记录在感光材料上，所得的光干涉图样在经光化学处理后就成为全息图，当按照所需要的光照明此全息图，能使原先记录的物体光波的波前重现。这是六十年代发展起来的一种新的照相技术，是激光的一种重要的应用。

全息照相是D.Gabor于1948年研究成功的（他由此获得1971年诺贝尔物理学奖），由于当时还没有相干性好的光源，所以全息照相在那以后的十年间没有什么大发展。到了六十年代初，由于激光的发明，在大量新型相干性极好的激光光源的帮助和一些技术进展的扩充下，全息照相不久便成为一门得到广泛研究并有远大前景的课题，这次复兴发源于美国密执安大学的雷达实验室，是以E.N.Leith和J. Upatnieks的工作为标志。他们于1962年发表了划时代的全息术研究成果，他们成功地得到了物体的立体重现像。全息图最惊人的特征、同时也必定是它最引人兴趣的地方就在于它产生极为逼真的三维幻觉的本领。这种完全逼真的性质无疑大大地推动了全息术的发展。

[实验目的]

1、学习和掌握全息照相的基本原理；

2、掌握全息照相的实验技术；

3、了解全息图的基本性质、观察并总结全息照相的特点。

[实验原理]

普通照相是把从物体表面上各点发出的光（反射光或散射光）的强弱变化经照相物镜成像，并记录在感光底片上，这只记录了物光波的光强（振幅）信息，而失去了描述光波的另一个重要因素——位相信息，于是在照相底片上能显示的只是物体的二维平面像。全息照相则不仅可以把物光波的强度分布信息记录在感光底片上，而且可以把物波光的位相分布信息记录下来，即把物体的全部光学信息完全地记录下来，然后通过一定方法重现原始物光波既再现三维物体的原像。这就是全息照相的基本原则，由三维物体所构成的全息图能够再现三维物体的原像。

全息照相的基本原理是利用相干性好的参考光束R和物光束O的干涉

和衍射，将物光波的振幅和位相信息“冻结”在感光底片上，即以干涉条纹的形式记录下来。在底片上所记录的干涉图样的微观细节与发自物体上各点的光束对应，不同的物光束（物体）将产生不同的干涉图样。因此全息图上只有密密麻麻的干涉条纹，相当于一块复杂的光栅，当用与记录时的参考光完全相同的光以同样的角度照射全息图时，就能在

这“光栅”的衍射光波中得到原来的物光波，被“冻结”在全息片的物光波就能“复活”，通过全息图片就能看见一个逼真的虚像在原来放置物体的地方（尽管原物体已不存在），这就是全息图的物光波前再现。

全息照相分两步，第一步是波前记录。设x-y平面为全息干板记录平面，底片上一点（x, y）处物光束O和参考光束R的复振幅分布分别为O o(x, y)和R o(x, y)：

(1)

由于它们系相干光束，所以物光和参考光在底片上相干迭加后的光强分布为：

Fig. 1 全息图记录

(2)

若全息干板的曝光和冲洗都控制在振幅透过率t随曝光量E[E=（光强）×（曝光时间）]变化曲线的线性部分，则全息干板的透射系数t(x,y)与光强I(x,y)呈线性关系，即

t(x,y)=t o+βI(x,y) (3)

其中t o为底片的灰雾度，β为比例常数，对于负片β＜0，这就是全息图的记录过程。

Fig. 2 全息图虚像的观察

第二步波前再现。若用光波P照明全息图，在全息图（x, y）点处该光波的复振幅为P o(x, y)，于是该光波用下式表示：

(4)

则透过全息图的光波在x-y平面上的复振幅分布为：

Fig. 3 全息图实像的观察

(5)

这式中第一、二项代表的是强度衰减了的照明光P的直接透射光，亦称零级衍射光。第三项中，当取照明光和参考光相同时，即P(x, y)=R(x, y)，则再现光波为：

(6)

R O2(x, y)=实常数。因此这一项正比于O (x, y)，即除振幅大小改变外，具有原始物光波的一切特性，波前发射形成物体（在原来位置上）的虚像，如用眼睛接收到这样的光波，就会看到原来的“物”——原始像。当照明光与参考光的共轭相同时，即P (x, y)=R* (x, y)，第四项有与原始物共轭的位相，

(7)

这意味着这一项代表一个实像，它不在原来的方向上而是有偏移，称之为“共轭实像”。通常把原始像的衍射光波称为+1级衍射波，把形成其共轭像的光波称为-1级衍射波（如图2,3所示）。

全息照相的基本条件是：一、参考光束和物光束必须是相干光(因此需用激光来作为照相光源，且一般使物光程与参考光程相当)。二、记录介质（底片的感光乳胶）要有足够的分辨率和对所使用的激光波长有足够的感光灵敏度。记录介质的分辨率通常以每毫米能分辨明暗相间的条纹数来表示。如果全息底片对于物光和参考光的照射方向是对称放置，则干涉条纹的间距公式为：

（8）

式中θ为物光和参考光之间的夹角，可见夹角θ越大，干涉条纹的间距越小，条纹越密，这就要求底片具有较高的分辨率(通常全息记录介质的分辨率>1000cy/mm)。三、光学系统必须有足够的机械稳定性，由于全息底片上记录的是精细的干涉条纹，在记录过程中若受到某种干扰（如地面的震动，光学零件支架的自振和变形，以及空气的紊流等）则将引起干涉条纹的混乱和迭加，导致衍射像亮度下降，甚至完全看不到像。因此，在曝光时间内干涉条纹的移动不得超过条纹间距的1/4，需要把整个拍摄系统安装在有效的防震台上。另外，在全息底片的光谱灵敏范围内应设法增加激光的输出功率，以便缩短曝光时间，以减少外界因素的影响。

全息照相的基本方法是把从激光器发出单束相干光分为两束，一束照明物体，另一束作为参考光束，并将光束进行扩展到具有一定的截面。参考光束一般为未受调制的球面波或平面波，参考光束的取向应使它能与物体反射（或散射）的物光束相交，在两束光重迭的区域内形成由干涉图样构成的光强分布，当感光介质放在重迭区域内，就会由于曝光产生光化学变化，经适当的处理后把这些变化转变为介质的光透射率的变化，即成了全息图。

[实验装置]

1、实验光路

我们采用的是记录离轴的Fresnel全息图光路，这时记录介质位于物光波的Fresnel衍射区。注意到拍好全息图的基本条件，要使物光程近似等于参考光程，所拍摄的物体应有均匀的激光照明，且有较高的漫反射率，在全息干板处物光强与参考光强之比可控制在1:3~1:5。拍摄全息图的另一个重要因素是物光束与参考光束的几何排列，这影响到全息图的空间分辨率。因此，入射到记录底片上的两束光之间的夹角θ应取在20o~50o之间[如图（4）所示]。

2、光路元件

（1）Laser——HN-T3氦氖激光器；

（2）Sh——Shutter光快门；

（3）BS——Beamsplitter光束分束器

（4）M1,M2,M3——Mirrors反射镜组；

（5）BE1,BE2——Beamexpanders光束扩束器组；

（6）O——Object物体；

（7）H——Hologram全息干板。

附有防振平台、三维可调镜座、卷尺、冲洗系统、底片架。

[实验步骤]

1、布置好光路[参考图（4）]，使得物光束和参考光束的夹角在45o左右，光强比在1:4或1:5，光程相等，并注意抑制物体的镜面反射，以提高拍摄全息图质量。

2、将全息干板放置在底片架上，乳胶面应朝向被拍摄物体，待整个系统稳定（即在所有元件就绪后，一般需要3~5分钟的“静台”）后再进行曝光，曝光时间由物光的强弱而定。

Fig. 4 Fresnel全息图拍摄实验光路

3、全息干板按常规感光底片显影定影冲洗处理，为了增加衍射效率，提高再现像亮度，通常把定影后的全息图进行漂白处理，使之变成为位相全息图。

4、全息图的重现。将拍摄好的全息图放回原先的底片架上，遮住物光和被摄物体，用参考光束照明全息图（其乳胶面仍须朝向原物体），通过全息图就可看到一个虚像，像即呈现在原物所在的位置上，就如通过一扇窗来观察外面的物体，不论从窗（全息图）的那个角落往外看都能看到整个物体，随着观察位置的改变，再现像的透视面也随着变化，景物上远近物体的视差是明显的[如图（2）所示]。由于全息图的每一部分都含有原物体所有的信息，所以当用激光束照明全息图的不同部分（或破碎全息图的任一小部分）都仍然可以看到完整的再现像。不过，全息图的每一部分将再现出物体的稍微不同的透视图，随着所用全息图面积的减少，像的分辨率就下降，因为分辨本领与成像系统的孔径大小有关。前后移动全息图（即选用不同曲率半径的球面波照明）可观察到虚像的放大和缩小的变化。将全息图面反转180o（绕垂直轴）并将照明光变成与参考光共轭的会聚球面光波的同频率激光，则在原来的物体的方位上得到物体的实像[如图（3）所示]。由于光是向着实像会聚，所以可用毛玻璃来接收观察，也可直接用感光底片或光探测器检测。

[报告要求]

1、画出您在实验中所设计并用于实际拍摄的光路（按比例画）并简要说明其特点。

2、简述全息照相的特点，比较全息照相与普通照相的同异点。

3、您认为全息照相的基本条件是什么？您做本实验时使之成功的关键是什么？

4、假如用物光束照明全息图，则您将通过全息图观察到什么？

5、观察并讨论用扩束的激光照明全息图，如光束扩束的大小（特别是不加扩束），照明方位改变时，对再现像的影响？

§2白光再现全息图

[参考文献]

1、王永昭编《光学全息》§1-2和§5-7。

2、于美文编《全息显示技术》§3-3和§4-2，§4-4。

3、黄献烈编《信息光学导论》§4-3。

4、黄婉云编《付里叶光学教程》§7-4。

5、[美]H.J.Coulfield《光全息手册》§5-1。

6、[日]辻内顺平等编《光学信息处理》§6-3。

7、[美]R.J.Collier等编《光学全息》§9-7和§17-1。

8、[美]杨振寰著（毋国光等译）《光学信息处理》，§12。

[引言]

白光再现全息图的制作成功，使得全息照相技术开始走出实验室并在人们的日常生活中展示出诱人的魅力和广阔的前景，今日人们不但可以在展览馆尽情地观赏那一幅幅具有奇异艺术效果的全息挂图、全息肖像。在大街上也将看到全息陈列橱窗，全息广告，还可以看到各种精美的全息贺年片、全息明信片、全息邮票、全息插图、全息防伪标识。这里向您介绍的是几种可在普通光源（白炽灯、太阳光）下观赏的全息图的制作。

[实验目的]

1、熟悉所用仪器及其调节；

2、学会制作彩虹全息图和反射全息图；

3、掌握制作原理，并体会它们在拍摄与再现方法上与一般全息照相的同异点。

[实验原理]

1、二步彩虹全息图

二步彩虹全息图是S.A.Benton于1969年提出的，这是由于他受到全息

图的碎片能再现物体完整像的特性启示而发现的。二步彩虹全息图的实现是首先对欲记录的物体O1拍摄一张离轴Fresnel全息图H1——称为主全息图或掩模，再用与其参考共轭的光束R1*照明主全息图H1[如图（2）所示]。使其再现赝实像I1，在靠近H1处放置一个宽度为a的狭缝S 来限制衍射光束，即以窄条光束构成赝实像。H是第二次记录的全息干板，为了得到较好的彩虹全息像，H应放在H1的赝实像平面附近，用会聚光作为参考光R可较方便地实现用共轭的光束（点光源）照明得到好的再现像。这样在H上实际记录的是许多窄条状的全息图（它们是相应每个物点所构成的）其宽度为△H，也称为线全息图，当用单色点光源逆参考光方向照明再现时，每一个线全图的衍射光形成一个像点，同时在原狭缝位置上再现一个亮狭缝实像S’[如图（3）所示]，这时将人眼置于狭缝实像的位置即可看到完整的再现像。由于实狭缝像是会聚再现，故人们看到的是个较亮的全息像。

Fig. 1 主全息图H1拍摄

当用白光点光源取代单色点光源照明再现，物体和狭缝的再现像将

因波长不同而变化。图（4）说明了红、绿、兰三种颜色波长光的再现

物体像和狭缝像位置变化（记录是用632.8nm的红光），这样不同波长狭缝像的位置就看到不同颜色的像，这就是能用白光照明再现单色像的原因。如果眼睛所在的位置能使几种颜色的光同时进入眼瞳，眼睛就会看到物体连续变化的颜色像，就象雨后天空中的彩虹一般，因而叫彩虹全息图。

Fig. 2 二步彩虹全息图记录

Fig.4 彩虹全息图的白光再现

Fig.3 单色光再现完整像

由图（2）知，在彩虹全息图上每一物点对应一个线全息图△H，由几何关系容易看出线全息图在y方向的宽度。

(1)

(这是在θ很小的情况下求△H，而)，式中a是狭缝的宽度，这样由于在y方向全息图的大小受到限制，再现像在垂直方向便失去了视差效应。所以彩虹全息图能用白光照明再现，是以牺牲垂直方向的视差为代价的，但它保留了全部的水平视差，因为人的双眼是位于水平位置，所以并不大影响人们对三维像的观察。

2、一步彩虹全息图

一步彩虹全息是相对于Benton提出的二步彩虹全息而言。二步彩虹全息的优点是视场大（水平方向），但程序比较复杂，又用了两次激光曝光，散斑噪音大，信噪比小。1978年陈选、杨振寰等研究成功一步彩虹全息术。它使制作程序简单，相干散斑噪音较小，信噪比较高，但视场受透镜孔径大小的限制。从本质上讲，一步彩虹和二步彩虹毫无区别，彩虹全息图的实质是要在观察者眼与物体的再现像之间形成一狭缝像，使观察者通过狭缝来看物体像，即采用狭缝等方法来调制物光的方向（空间频率），来减少色散，以实现白光再现准单色像。一步彩虹全息图的经典记录光路是在三维全息照相光路中，于记录干板与物体之间插入一个成像透镜和一个水平狭缝，把物体和狭缝的像一次记录下来。因此它属于像面全息图也是一种离轴的透射式全息图。由于狭缝放置的位置不同，一步彩虹全息的记录光路有两种：

（1）赝像记录。在这种光路中，狭缝置于成像透镜的焦点以内

（前、后焦点均可以），成像透镜只对物体成实像，而对狭缝不成像（或成虚像），用会聚光作参考光，如图（5）所示。再现光路如图（6）所示。用逆参考光的点光源照明再现，形成狭缝的实像和物体的虚像，眼睛置于狭缝的实像处，观察到物体的虚像这是个赝像，即再现像的凸凹与物体正好相反，因而这一光路只适宜用于二维平面物体的记录。

Fig.6 彩虹全息图赝视像再现

Fig.5 彩虹全息图赝视像记录

（2）“真”像记录。在这种光路中狭缝应放在透镜焦点以外，位于物体和透镜之间，成像透镜对物体和狭缝均成实像，二者的像均在透镜的另一侧，物体的实像和狭缝的实像分别成在记录干板的前面和后面，物体实像离全息干板近一些，如图（7）所示。再现时采

用与原参考光方向相同的发散光源照明，就可在全息图与观察者之

间形成狭缝的实像，当眼睛位于狭缝实像处观察可看到物体的像，但这再现像不是赝像，因而适合于三维物体记录，由于狭缝的效应在用白光源再现，就可以看到彩虹全息像。一步彩虹全息图的视场小，这是因为受到成像透镜相对孔径有限的限制（透镜的孔径不够大，焦距又太长），现已有几种方法可以补救，第一，使用大相对孔径（F数小）的照相镜头作为成像透镜。第二，把两个照相镜头串联使用以使成像系统相对孔径增大。第三，在全息干板H之前加一个场镜，这样可使物光会聚，又将狭缝的实像成在像方。

Fig.7 彩虹全息图“真”像记录光路

3、反射式全息

反射全息图是1962年由苏联人Denisyuk提出的，它的原理是基于Lippman的驻波法彩色照相，因而常称Lippman全息图。它利用厚层照相乳剂的作用来记录“干涉条纹层”以实现全息记录，在全息图衍射再现时，由于Bragge衍射效应作用即多层结构的全息图对衍射光波长有极高的选择性（滤波或波长灵敏性），因此反射全息图可以用激光记录，白光照明再现单色像。反射全息是指再现时用来成像（实像或虚像）的光是照明光的反射光。

制作反射全息图时是让参考光束和物光束由相反的两侧进入记录介质。它们的夹角接近180°，这两束光发生干涉，在记录介质中形成稳定的驻波图样。若取物光波和参考光波均为平面波（即对于基元全息图的情况），驻波的强度峰值面接近平面，经光化学处理后，乳胶中的银粒子密度比例于驻波图样的强度分布，即在乳胶中形成一些局部反射平面，称为Bragge平面，它们几乎与乳胶面平行，相邻高银粒面的面间距d为：

Fig.8 反射全息图记录光路

（2）

如图（8）所示。图中φo、φR为物光和参考光的入射角，θO、θR为它们相应的折射角，在对称记录的情况下，有│θO—θR│=180°。因此这时感光乳胶中干涉层面的面间距为介质中光波长的一半。Denisyuk认为这些平面等效于一个半波堆叠的干涉滤波器，所以再现过程可用白光来完成。其白光再现过程的机理可由Bragge定律来描述，即由于在厚乳胶中形成多层膜结构，这种结构对散射（反射）光具有方向选择性和波长选择性，对任意照明光（任意波长，任意入射角）只有入射角φC和波长满足Bragge定律，（折射角）

Fig.9 反射全息图再现光路

(3)

的这部分光才有反射极大。因此反射全息图在用白光照明时，全息图只选择与记录光波（λ和θC）相同的光束来反射，其他光均无反射极大（被透射或吸收），这些反射极大的光形成一个重建三维像，且这像仍与记录光颜色相同，图（9）为反射基元全息的再现原理图。

[实验装置]

1、实验光路

（1）一步彩虹真像记录如图（7）所示。

（2）反射全息图记录光路如图（10）和图（11）所示。

2、光路元件

（1）Laser——HN-T3氦氖激光器

（2）Sh——Shutter光快门

（3）M1，M2，M3——Mirrors反射镜组

（4）BE1,BE2——Beamexpanders光束扩束器组

（5）BS——Beamsplitter光束分束器

（6）P.F.——针孔滤波器

（7）L——Lens成像透镜

（8）S——狭缝

（9）S’——狭缝实像

（10）O——Object物体

（10）H——Hologram全息干板

附有：五维可调小镜座、三维可调镜座、磁性表座、卷R、底片夹、底片冲洗系统、光学防震平台。

[实验步骤]

1、彩虹全息照相

（1）按图（7）布置光路，逐项调整各光学元件，以达到充分利用光能和拍摄系统具有牢固的稳定；测量光程，使物光与参考光等光程，且光强比在1：3~1：5之间，夹角在45°左右；调整狭缝，使之所成的实像距全息干板在25~40cm之间，狭缝宽约4mm。

（2）在暗室条件下置放全息干板，注意乳胶面朝向物体。

（3）在系统稳定后（一般需要“静台”3分钟）曝光，曝光时间由激光功率强弱而定。

（4）常规底片冲洗，漂白。

（5）清洗吹干后按再现光路观察。

2、反射全息照相

（1）将所要拍摄的物体固定在防震台上（物体应具有较高的漫反射率）。

（2）按图（10）调整光路，使得激光能均匀照射整个物体，细心调节针孔滤波器以得到高质量的光斑。

（3）在暗室条件下于靠近物体前方放置全息干板，注意使乳胶面朝向物体。

Fig.10单光束反射全息图记录光路

（4）在一切仪器（整个系统）都稳定后，一般需要“静台”5分钟后进行曝光，曝光时间由激光输出功率而定。

（5）进行常规底片冲洗处理（用D-76稀释显影，F-5定影）。

（6）清洗，脱水吹干后，用白光反射再现。

[报告要求]

1、画出您在实验中所用的光路（按比例）。

2、简述您对彩虹全息和反射全息的认识，并谈谈您做本实验的体

会。

3、做本实验时在布置光路、调整光学仪器应注意什么？

4、简要回答下列问题

（1）什么线度的乳胶层为厚乳胶层？什么线度乳胶层为薄乳胶层？

它们在应用上和理论分析上区别何在？

（2）如果一张物体三维全息图（Fresnel全息图）用白光来再现，结果将会怎样？为什么反射全息图可以用白光来再现？

（3）为什么彩虹全息图的色彩会随再现光的入射角变化而变化？

（4）反射全息图白光再现时您看到最亮的是什么颜色？为什么？如何制备三维真彩色全息图？（要能用白光再现）

（5）试比较彩虹全息照相与Fresnel全息照相的同异点。

（6）在一步彩虹全息照相中当狭缝宽为4mm，透镜焦距为150mm，透镜孔径为105mm，您的光路系统此时最大像空间为多大？（像平面的有效范围）

Fig.11可调光束比反射全息图光路“真”像记录