基于GSZ—Ⅱ型全息照相实验平台实验项目与相关实验条件的研究.doc

基于GSZ—Ⅱ型全息照相实验平台实验项目与相关实验条件的研究 姓名：魏晋雷 指导教师：阎元红 【摘 要】 本文对GSZ—Ⅱ型全息照相实验平台可做全息照相的项目进行了实验研究，得出了透射全息、反射全息、菲涅耳全息以及夫琅和费全息的比较理想的实验条件。 【关键词】 全息照相 透射全息 反射全息 菲涅耳全息 夫琅和费全息 实验条件 引言 普通照相是根据几何光学原理，记录下光波的强度（即振幅），将空间物体成像在一个平面上，由于丢失了光波的相位，因而失去了物体的三维信息。如果能够记录物光波的振幅和相位，并在一定条件下再现，则可看到包含物体全部信息的三维像，即使物体已经移开，仍然可看到原始物体本身具有的全部信息，包括三维感觉和视觉。 全息照相是Dennis 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。全息照相的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象。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。经过了半个多世纪的发展，它的应用已非常广泛。主要应用于国防军事、全息探伤、防伪、三维显示、粒子大小测量、摄影测绘及生活艺术等领域。 全息照相是利用干涉原理，将物体发出的特定光波以干涉条纹的形式记录下来，使物光波前的全部信息都储存在记录介质中，故所记录的干涉条纹图样被称为“全息图”。当用光波照射全息图时，由于衍射原理能重现原始物光波，从而形成与原物体逼真的三维象，这个波前记录和重现的过程称为全息术或全息照相（苏显渝 李继陶 2000）。 资料表明，全国各高等院校的物理系都把全息照相作为近代物理实验的必做之一，但是由于他们的实验条件不同、所使用仪器不同，以及实验者个人对实验原理的掌握程度不同，无论是综合类大学，还是工科院校，他们在原有理论的基础上做的以激光为光源的记录和再现全息都存在着很大差异，在分析了多本近代物理实验之全息照相原理的内容后，发现尚缺乏对全息照相实验条件的充分描述，不能对实验起到很好的指导。鉴于这种情况，考虑到我校的实验条件，我将基于GSZ—Ⅱ型全息照相实验平台研究和开发。1.全息照相的基本原理 1．1记录过程 将坐标轴取在全息底版上，原点取在全息底版的中心，xoy面与全息底版重合，z轴垂直于全息底版平面。如图1所示，设物光和参考光在全息图平面上的复振幅分别为： ] 其中和是物光和参考光在全息干板上的相位分布，根据叠加原理，底版上的总场为： 它们在底版上的光强是它们合振幅的平方，即： 式中，分别是物光波与参考光波各自独立照射底版时的光强度；第三、四项为物光与参考光之间的相干项。它把物光的位相信息转化成不同光强的干涉条纹记录在干涉场中的照相底片上。底版记录下来的干涉条纹光强分布包含了物光波在底版上各点的振幅和位相，因为底版上某点的光强是到达该点的参考光波与到达该点的整个物光波干涉的结果。物体上不同点由不同方向射到该点的物光都对该点的光强有贡献。全息照片底版上的任何一小部分都记录着所有物点的信息，因此通过全息照片的一块碎片也能看到整个物体的象。 1．2再现过程 曝光的底版经显影与定影后，得到透光率各处不同（由曝光时间及光强分布决定）的全息片。考虑振幅透射率T（=透射光复振幅/入射光复振幅）是曝光量的函数，选择合适的曝光及冲洗条件，可使T与曝光时光强I成线性关系： 式中为未曝光部分的透射率，k为小于零的比例系数，它们均为常量。当以原参考光为再现光入射全息照片时，透射光波应是； 上式表明，透射光包含三部分： 第一项是按一定比例重建的参考光，沿原来方向传播，即光栅的零级衍射。 第二项与物光振动方程完全一样，只不过振幅乘了一个系数，这是按一定比例重建的光波，相当于一级衍射波。由基尔霍夫衍射原理，这一场分布决定了全息图后面的衍射空间有一个与原始物光波振幅和相位的相对分布完全相同的衍射波。正是这一光波形成了与物体完全逼真的三维立体图象，从不同的角度去观察能看到原被遮住的侧面。 第三项与物光波的共轭光波有关，它是因衍射而产生的另一个一级衍射波，在有些情况下会形成一个发生畸变的，并且在观察者看来物体的前后关系与实物相反的实象。 2．实验仪器及几种全息光路图 GSZ—Ⅱ全息实验平台； 光源S：为保证其相干性，使用激