全息照相又稱全息術(shù)，是英國科學(xué)家Gabor1947年為提高電子顯微鏡的分辨率提出并實(shí)現(xiàn)的物理思想。由于需要相干性良好的光源，直至20世紀(jì)60年代初激光的出現(xiàn)和Leith、Upatnieks提出離軸全息術(shù)后，全息術(shù)的研究才進(jìn)入了實(shí)用和昌盛的研究階段，成為現(xiàn)代光學(xué)的一個(gè)重要分支。Gabor因提出全息術(shù)的思想而獲得1971年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。經(jīng)過科學(xué)家們近40年的努力，全息術(shù)不僅作為一種顯示技術(shù)得到了很大的發(fā)展，而且在信息存儲(chǔ)和處理、檢測(cè)、計(jì)量、防偽、光學(xué)圖像實(shí)時(shí)處理、光學(xué)海量存儲(chǔ)、光計(jì)算和制作有特殊功能的全息光學(xué)元件等方面都有廣泛的應(yīng)用。

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

(1) 學(xué)習(xí)和掌握透射型全息照相的基本原理。

(2) 通過實(shí)驗(yàn)了解和掌握透射型全息照相基本技術(shù)。

(3) 了解和掌握透射型全息圖的激光再現(xiàn)方法。

(4) 通過實(shí)驗(yàn)了解全息照相的特點(diǎn)。

(5) 進(jìn)一步加深對(duì)光波復(fù)振幅、波前及共軛光波的理解。

二、主要實(shí)驗(yàn)儀器

防振平臺(tái)，氦－氖激光器，分束鏡，反射鏡，擴(kuò)束鏡，支架，干版夾等，全息干版，顯影、定影液及顯影、定影器具。

三、實(shí)驗(yàn)原理

全息術(shù)是利用光的干涉，將物體發(fā)出的光波以干涉條紋的形式記錄下來，并在一定條件下，用光的衍射原理使其再現(xiàn)。由于用干涉方法記錄下的是物體明暗、遠(yuǎn)近和顏色的全部信息，可以形成與原物體逼真的三維圖像，因此稱為全息術(shù)或全息照相。

全息照相的基本原理包括記錄和再現(xiàn)兩個(gè)過程。記錄過程應(yīng)用光的干涉原理，記錄下來的干涉圖樣稱為全息圖。再現(xiàn)過程應(yīng)用的是光的衍射原理，衍射過程中所形成的像稱為再現(xiàn)像。下面分別講述。

光產(chǎn)生干涉的基本條件是有兩束或兩束以上的相干光波在空間疊加。在全息照相中，把全息照相干版或其他記錄介質(zhì)，放在物體光波與參考光波干涉場(chǎng)中的某一截面內(nèi)，經(jīng)曝光、顯影處理后，所記錄的干涉圖樣形成全息圖。

如圖11－1所示，在透射型全息圖的拍攝中，從氦－氖激光器發(fā)出的激光束被分束鏡SP分為兩束。一束經(jīng)反射鏡M1反射、L1擴(kuò)束后直接照射到全息干版H上，稱為參考光R;另一束經(jīng)M2反射、L2擴(kuò)束后照射到被拍攝物體O上，被物體漫射后也到達(dá)全息干版H上，稱為物光。由于物光和參考光都來自同一光源，激光又具有較好的時(shí)間和空間相干性，在一定的實(shí)驗(yàn)條件下，二者都有固定的位相分布，疊加后可以形成穩(wěn)定的干涉場(chǎng)，其中位于全息干版H截面內(nèi)的干涉圖樣被記錄下來成為全息圖。

圖11－1 透射型全息圖拍攝光路示意圖

HN．氦－氖激光器;S．快門;SP．分束鏡;M1、M2．反射鏡;H．全息干版;L1、L2．?dāng)U束鏡;O．被拍攝物體

將曝光后的全息圖底片經(jīng)顯影定影后，用原參考光束照明，就可得到清晰的原物體的像。這個(gè)過程稱為全息圖的再現(xiàn)，如圖11－2所示。在再現(xiàn)過程中，全息圖將重現(xiàn)光衍射而產(chǎn)生表征原始物光波前特性的所有光學(xué)現(xiàn)象，即使原來的物體已經(jīng)拿走，它仍可以重現(xiàn)原來物體的像，其效果就和觀察原物一樣，看到的是原物體真實(shí)的三維像，有逼真的視差效應(yīng)和景深效應(yīng)。即當(dāng)我們改變觀察的方向時(shí)，可以看到被前面的物體遮擋的部位;看不同距離的物體眼睛要重新聚焦。如果用原參考光的共軛光來照明再現(xiàn)時(shí)，可在原位看到原來物體的實(shí)像，如圖11－3所示。

圖11－2 全息圖原始像的再現(xiàn)

圖11－3 全息圖的共軛像再現(xiàn)

四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

(一) 透射型全息圖的拍攝

1． 等高和同軸調(diào)節(jié)

在靠近激光器處使激光通過光闌，將光闌移動(dòng)到距離激光器足夠遠(yuǎn)處，調(diào)節(jié)激光器支架上的仰俯傾斜調(diào)節(jié)螺釘使激光通過光闌，幾次重復(fù)后使激光束與平臺(tái)臺(tái)面基本平行;將需要使用的支架都以激光束為基準(zhǔn)調(diào)為等高，支架上有光學(xué)元件的，讓激光束照射到光學(xué)元件的中心，然后通過調(diào)節(jié)支架上的左右和仰俯調(diào)節(jié)螺釘使其反射的光束的中心與激光器輸出口等高。

2． 光路拼搭

按照?qǐng)D11－4的實(shí)驗(yàn)裝置圖初步安排好各光學(xué)元件、支架和物體的位置，圖中各序號(hào)對(duì)應(yīng)的裝置如表11－1所示。其中全息干版位置先用白屏代替。

圖11－4 實(shí)驗(yàn)裝置圖

表11-1 實(shí)驗(yàn)裝置圖中的序號(hào)說明

續(xù)表11－1

3． 測(cè)量光程

在初步安排的光路上，從分束鏡SP開始分別測(cè)量參考光5→8→11→17→14的光程l R和物光5→23→20→14的光程l O，并調(diào)整反射鏡M1、M2、物體O和全息干版的位置，使l O與l R之間的差距小于1cm。

4． 光束調(diào)整

打開激光器，將擴(kuò)束鏡L1和L2加入光路，調(diào)整擴(kuò)束鏡支架的前后位置和上下、左右位置使光斑均勻，并分別照滿白屏和被拍攝物體。仔細(xì)檢查并固定好每一個(gè)光學(xué)元件及支架。

5． 裝夾全息干版、曝光

取下白屏，關(guān)閉快門，關(guān)閉照明燈，打開安全燈，將全息干版乳膠面面對(duì)物體夾緊在干版架上(乳膠面區(qū)分的方法是:在干版的任意表面哈一口氣，不起霧的一面為乳膠面)，離開防振平臺(tái)，靜等一分鐘后按指導(dǎo)教師推薦的曝光時(shí)間曝光，一般10s左右，靜等和曝光過程中不得走動(dòng)、講話和做引起地面抖動(dòng)及空氣流動(dòng)的事情。

6． 顯影、定影

取下全息干版到暗室中顯影、定影和水洗，顯影時(shí)間根據(jù)室溫調(diào)整，定影和水洗時(shí)間分別為5 ～10min;把全息圖晾干，準(zhǔn)備觀察。

(二) 透射型全息圖再現(xiàn)像的觀察

(1) 把晾干的全息圖按與拍攝時(shí)相同的位置放到原來記錄光路中的干版架上夾緊，遮擋住物光，只用參考光照明全息圖，觀察到什么現(xiàn)象?在水平面內(nèi)左右輕微轉(zhuǎn)動(dòng)干版架，又觀察到什么現(xiàn)象?這個(gè)步驟再現(xiàn)的是什么像?原始像還是共軛像、實(shí)像還是虛像?

(2) 取下全息圖，把全息圖在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)180°后重新夾入干版架，遮擋住物光，只用參考光照明全息圖，觀察到什么現(xiàn)象(要用一個(gè)白屏或白紙?jiān)谏厦嫱干湎衽c干版對(duì)稱位置附近尋找)?在水平面內(nèi)左右輕微轉(zhuǎn)動(dòng)干版架，又觀察到什么現(xiàn)象?這個(gè)步驟再現(xiàn)的是什么像?原始像還是共軛像?實(shí)像還是虛像?

五、注意事項(xiàng)

(1) 激光束亮度極高，嚴(yán)禁用眼睛直視從激光器發(fā)出的細(xì)激光束，以免損傷眼睛。

(2) 嚴(yán)禁拆卸激光器上的導(dǎo)線夾和激光電源，以免被高壓擊傷或損壞激光器。

(3) 全息照相中使用的反射鏡、分束鏡等光學(xué)元件的表面嚴(yán)禁用手觸摸，以免損壞光學(xué)元件和影響拍攝質(zhì)量。

(4) 為保證拍攝的成功和拍攝質(zhì)量，嚴(yán)禁在全息實(shí)驗(yàn)室中隨意走動(dòng)和大聲說話。

六、思考題

(1) 僅從照相的角度而言，全息照相與普通照相有哪些主要差別?

(2) 全息照相中為什么要采用特殊的光源、特殊的記錄材料和特殊的防振措施?

(3) 全息圖的再現(xiàn)像有哪些主要優(yōu)點(diǎn)?為什么?有哪些主要缺點(diǎn)?為什么?

(4) 為什么一般透射型全息圖的觀察要使用激光?使用白光再現(xiàn)看到的是什么現(xiàn)象?

(5) 你所觀察到的原始像和共軛像之間的主要區(qū)別是什么?再現(xiàn)方法上的不同在哪里?對(duì)光學(xué)中的共軛概念有什么理解?

(6) 從全息圖的記錄和再現(xiàn)的原理中，你是否可以看出與無線電通信的共同之處?