漫反射全息照相.doc

漫反射全息照相 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。 全息照相是伽博（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，是以利思（E.N.Leith）和乌帕特（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。 一、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。 二、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，如图1。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，如图2。 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Oo(x, y)和Ro(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： (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）×（t(x,y)与光强I(x,y)呈线性关系，即 t(x,y)=to+βI(x,y) (3) 其中to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。 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Po(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： (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) 。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