全息照相设备与元件-信息光学应用

用于全息记录光路的实验系统，一般应包括下列必要的设备和光学元件：

①光学实验台（Optical Table）；

②激光器（Laser）；

③自动曝光定时器或快门（Automatic Exposure Control）；

④分束器（Beam Splitter）；

⑤反射镜（Mirror）；

⑥空间滤波器（Spatial Filter）；

⑦可变光阑（Variable Stop）；

⑧准直镜（Collimation Lens）；

⑨傅里叶变换透镜（Fourier Transform Lens）；

⑩干板架（Plate Holder）；

⑪可调衰减器（Variable Attenuator）；

⑫照度计（Light Meter）；

⑬散射器或散射屏（Scatterer）。

下面择要加以说明。

1.全息照相用光学实验台

为了拍摄出优良的全息图，必须采用特别的光学实验台。由于全息图是参考光波与物光波两者干涉条纹的记录，如果在曝光期间两光波的光程差有变化，就会影响到条纹的调制度V。通常要求该光程差的变化小于激光波长的十分之一。为此，在曝光过程中必须尽力避免实验台的振动。实验台的振动主要来自地基震动的影响，例如，实验室周围有汽车经过、机器开动、人员走动、抽风机运作等都会引起地基的震动，这时如果实验台系统部件的机构有松动，就会把这种震动放大。所以全息照相实验台都要求有减震措施。外部的震动源具有很宽的频率范围，实验中会带来影响的主要是其中以实验台的固有振动频率振动的振幅峰值。因此，人们希望将实验台的固有振动频率降低到曝光时间的倒数值以下，以使全息记录中不包含上述峰值。

图5.4.1表示光学实验台及其等效图。设其质量为M，气垫的柔量（Compliance）为k，则实验台和气垫组合系统的固有频率f0可用下式表示：

(www.xing528.com)

图5.4.1　光学实验台及其等效图

显然，M和k的乘积越大，f0就越小。这就要求重而惯性大的全息实验台。可以采用厚重的钢板或砂箱加钢板做成实验台。由于软的气垫（例如，汽车和飞机轮子的内胎）具有很好的减震作用，即使地基有震动，台基向上碰击，实验台也不会发生振动。

为了检查防震台是否满足全息照相的要求，可布置一个简单的迈克尔逊干涉仪光路加以测试，观察在预定曝光时间内观察屏上干涉条纹的漂移情况，如图5.4.2所示。应注意将两臂的光束调准，使其在进入扩束镜L之前能完全重合并使干涉仪的两臂长相等（d1=d2）。此时在观察屏P上就会形成干涉条纹，其变动情况可反映防震台的隔振效果：条纹变动快表示未能有效地隔振；条纹变动缓慢则表示可以用来进行全息照相实验。

图5.4.2　迈克尔逊干涉仪检测光路

2.激光器

根据各种记录介质对不同光波长的适用范围，通常可采用多种可见光范围的激光器。例如，用银盐干板记录全息图时，采用He-Ne激光器；拍摄大景深的物体时，可以用长相干的He-Ne激光器；记录介质为光致抗蚀剂时，可采用He-Cd激光器；等等。表5.4.1列出几种全息照相术常用的激光器可供参考。

表5.4.1　全息照相术常用的激光器

3.分束器

分束器是用于将一束光分成两束光（如物光和参考光）的半透半反射玻璃片，通过在玻璃片上镀多层介质膜和金属膜而成。分光后两路光强之比称为分束比。分束器的分束比可以是连续可调的，也可以是阶跃变化（分级可调）的，以使物光和参考光的光强比控制在适当的范围内。由于一张全息图能重现物点亮度从弱到强的全部变化，物光动态范围较大，为了产生预定的偏置曝光量，通常使参考光强度大于物光强度。特别是在拍摄三维物体时，如果物光过强，就容易使记录底片上每对物点之间产生有害的干涉条纹，称为调制噪声（Modulation Noise）。为了减小调制噪声，在记录全息图时，要求参考光比物体上任意点的光强都强，对于透射式全息图，记录介质表面物、参光光强比保持在1∶6～1∶2范围内为宜。在使用时，最好用未镀膜的那个玻璃表面分光。

4.照度计

照度计用于测量曝光时所用的物光与参考光的光强，使二者的光强比满足实验者的要求。目前，有市售的激光专用照度计（或称光功率计）。

5.空间滤波器

空间滤波器用于消除由激光中的散射和反射所引起的杂光波，由针孔和显微物镜组成（见图6.2.2）。通常为了将光束扩展以供全息照相之用，可让细激光束先通过一个焦距短、放大倍数高的显微物镜（例如f=5 mm，M=×40）聚焦再扩束。由于光束扩得很大，故一些小的尘埃或光学元件缺陷将以同心干涉环的形式在扩展光束的不同位置产生大大小小的衍射图样。这种光学噪声是极其讨厌的，它可能使我们对全息图重现像或全息干涉图条纹的观察和分析变得困难。为了消除这种噪声，可在激光束的聚焦点处安置一个针孔，只让我们所希望的基本上在零空间频率附近的光波频谱通过，而挡掉高频率的衍射光。针孔的尺寸可以按下面的方法来估算。由于针孔是放在扩束镜后焦点处的，其孔径应等于后焦面上衍射中心的艾里斑直径，根据夫琅和费圆孔衍射公式，其艾里斑的半径为

式中，d为激光束的实际通光孔径，f为扩束器的焦距。例如，设d=1 mm，f=5 mm，λ=0.632 8μm，则r0=3.86μm，即针孔的直径约为8μm。为了不使光能损失太多，通常采用孔径为15～45μm的针孔滤波器。由于针孔的直径非常小，故必须应用能进行精密调节的、机械上稳定的夹具，将它准确地安置在扩束器的焦平面上。