实验五散射物体离轴全息图的拍摄.doc

实验五 散射物体离轴全息图的拍摄 一、实验目的 （1）了解散射物体光场的分布特点； （2）学会参物比和曝光量的选择； （3）掌握离轴全息图拍摄的光路构建； （4）掌握全息干板的化学处理过程； （5）学会用激光束再现，观察和评价全息再现像。 二、实验原理概述 1.散射物体的物光场 所谓散射物体就是指表面只发生漫反射(也就是散射)的物体，它的复反射率可以表示为 (5-1) 式中反映散射物体表面的反射率分布，而反映散射物体的表面形貌分布。 当激光被散射物体调制后的光场分布为 (5-2) 我们可以把重新写为 (5-3) 式中是照明物体外型轮廓的光场分布，由于它是用相干光照明的，故此光场应是相干的，它可以用一个复函数来描述。它的振幅分布应代表各点的振幅反射率。而其相位分布函数(波面)就是由物体外型轮廓所决定，这说明整个轮廓是有确定相位关系的。而是在物体上大量随机分布的点，我们可以把这些点看作是一些随机抽样点，故可用随机位移的δ函数组来描述，由于各点的位置分布是随机的，故各点之间没有确定的相位关系。 从散射物体传播到干板的过程是菲涅尔衍射，故干板上的光场分布应是的菲涅尔变换 (5-4) 的傅里叶变换还是一个近轴球面波，也就是一个大的爱里圆斑(实际上是一大堆尺寸相近的爱里圆斑的重叠)，的傅里叶变换是一个散斑场，卷积过后就是一个大的爱里圆斑包围着的散斑场。每一个散斑与散射物体的外形轮廓有相似之处，只不过原来高的变矮，胖的变瘦，反之亦然。可以用下式对每个散斑的平均尺寸作一估算： (5-5) 是散射物体的外形尺寸，为物体到观察屏的距离。设，,，则，故在散斑尺寸较小时，肉眼观察不到，看起来只是光场的灰度有所变化而已。 每一个散斑是原照明物体外形轮廓光场的衍射斑，故它们的面积是一个小的近轴球面波的波阵面(即是相干的)，但不同散斑的波阵面的传播方向是各不相同。因为物面上各点的位置是随机分布的，所以各散斑之间没有相位关系。 2.散射物体的全息图片 当物光与参考光相遇而发生干涉时，每一个散斑就形成一个小的光栅，把它称为子全息图。所有无规则分布的子全息图的总和就是散射物体的全息照片。如(图5-1)所示，是一张被电子显微镜放大五千倍后的部分全息图片。其中(A)是矩形散射物体的部分全息图片，照片中矩形散斑历历在目。而(B)是平面波的部分全息图片，照片中是与组平行干涉条纹，没有散斑。 (图5-1) 被电镜放大五千倍后的部分全息图片 3.散射物体全息图的再现像 (1)用宽激光束再现的情况：当用宽激光束再现光照射全息照片，干板上所有的子全息图都被照明。我们先考虑其中任一个子全息图，它的+1级衍射光将再现物光，即再现所有原来物点发出的每一束发散球面波，如(图5-2)所示，图中从子全息图出来的每一条光线，就代表一束发散球面波，它们的延长线交于所有虚像点，并行成原始虚像。它的-1级衍射光将再现物光的共轭光，即再现所有原来物点发出的共轭光，如(图5-2)所示，图中从子全息图出来的每一条光线，就代表一束汇聚球面波，它们交于所有的实像点，并行成共轭像。按物像关系式 (5-6) 原来物点近的现在共轭像点反而变远了，物点远的现在共轭像点反而变近了，这样就使得原来物体凸出的部份现在反而凹了下去，产生严重变形这称为赝像。也就是说共轭像是赝实像。 (图5-2)子全息图再现两个物像 每一张子全息图再现出的是该子全息片所在位置处看到的原物体的像。干板上所有的子全息图，将再现出全体子全息所看到的不同方位物体的像，按物像关系它们完全重合在一起，构成了物体的较大方位的三维再现象。所以少量子全息图片的损坏或丢失，并不影响物体的较大方位三维再现像。 每一个像点的成像光束，来自全息图片上，所有能够看到该点的子全息图，故该点的成像光束的直径是较大的。但是对不同像点有贡献的子全息到不完全相同，这正表现了它们是记录着不同方位的物体的像。 （图5-3）用细激光束再现全息图象 (2)用细激光束再现像全息像：当用细激光束(指光束直径在一毫米或更小)照射全息图片时也能再现物像，如（图5-3）所示。实验发现两个衍射像都成了实像。其中一个是倒立的实像，另一个是正立的实像，而且两者的景深较长，即在相当长的范围内它们都是清楚的。那个正立的实像就是负一级衍射像，它是三维共轭像。只不过目前窗口太小，不便直接观察，一般也在屏上观察。它的景深长是由于小孔限制了再现子全息的数目，且使它们的方位也极为接近，这样它们产生的同一像点，就能在较长的范围内都能重合，可以被观察到再现像，而不会模糊。 （图5-4）针孔成像的原理 为