激光全息照相实验成果

【实验概述与思政要素】

全息照相的物理思想早在1948年就由盖伯（D.Gabor）首先提出，但由于当时缺乏相干性好的光源，因而几乎没有引起人们的注意。直到1960年激光器问世，才使全息照相技术付诸实施，并得到迅速发展，在很多领域中得到了极其广泛的应用。

全息照相术是一门立体摄影和波阵面再现的新技术，基本原理是以波的干涉和衍射为基础。全息照相和常规照相不同，在底片上记录的不是三维物体的平面图像，而是光场本身。常规照相只记录了反映物体表面光强变化的信息，即只记录光的振幅，而全息照相除了振幅外还记录了光波的相位。即把三维物体光波场的全部信息都贮存在记录介质中。在信号记录、形变计量、计算机存储、生物学和医学研究、军事技术等领域得到广泛的应用。由全息照相技术而发展的全息摄影可应用于工业上进行无损探伤、超声全息、全息显微镜、全息摄影存储器、干涉计量、信息存贮与处理、全息电影和电视等许多方面。

由于全息照相技术具有上述独特之处，所以，在许多领域中已得到较广泛的应用，如利用全息图的立体视觉特性，可作三维显示、立体广告、立体电影、立体电视等，利用全息图的可分割性和多重记录特性，可作信息存贮、全息干涉计量、无损检测和测量位移等。

【实验目的】

①了解全息照相的基本原理，熟悉制作全息图的基本条件。

②学习全息照相的实验技术，了解全息照相的基本特性，拍摄合格的全息图。

③掌握全息照相的记录和再现技术。

【实验原理】

照相其实是将物体上各点发射或反射的光记录在感光材料上。根据光的波动理论知道，光是一种电磁波，物体所发射或反射的光波比较复杂，通常可以看成由许多不同频率的单色光波的叠加，即

式中，Ai为振幅；ωi为圆频率；λi为波长；φi为波源的初相位。所以一定频率的光波都包含着振幅A和相位ωit+φi﹣2πri/λi两类信息。光的频率、振幅和相位分别表征物体的颜色、明暗、形状和远近。

普通照相是通过成像系统（照相机系统）使物体成像在感光材料上，它只记录了光波的振幅信息，无法记录物体光波的相位差别。因此，普通照相记录的仅仅是物体的一个二维平面像，从而缺乏立体感。

全息照相不仅记录了物体发出或反射的光波的振幅信息，而且把光波的相位信息也记录下来，所以全息照相技术所记录的并不是普通几何光学方法形成的物体像，而是物体光波的本身。它记录了光波的全部信息，并在一定条件下，能将所记录的全部信息完全再现出来，因而再现的像是一个逼真的三维立体像。

全息照相包含两个过程：第一，把物体光波的全部信息记录在感光材料上，称为记录（拍摄）过程。第二，利用所选定的光源，照明已记录全部信息的感光材料，使其再现原始物体的过程，称为再现过程。通常根据再现光源的不同，又可以将全息照相分为白光再现全息照相（体全息）和激光再现全息照相（面全息）。

（1）白光再现全息照相

用于白光再现的全息图通常称为反射全息图。因为它的光路非常简单、容易制作，并且可用白光进行再现，所以特别具有吸引力。

反射全息图实际上是一个三维全息图。如图4.18.1（a）所示，在两束相干光重叠的区域发生干涉现象，形成的条纹平行于两束光的夹角的角平分线。也就是说，在三维空间内产生干涉条纹。如果将具有很厚感光层的全息干板置于干涉区域（其厚度比干涉区域内干涉条纹的间距还大很多），就能在感光层中形成银粒的密度分布，它对应于三维的干涉条纹。这种记录了三维干涉条纹的全息干板，即称为三维全息照片或者体全息照片。

图4.18.1　三维空间内的干涉条纹

在反射全息图制作中，参考光和物光分别从全息干板的正反两面照射，因此在干板感光层中形成平行于感光面的一层一层的干涉面，如图4.18.1（b）所示。照相底片经显影后，在干涉极大处银密度较高，形成了高密度的银粒层，也是一个类似镜面的小反射平面，称为布拉格平面。设相邻两布拉格面之间的距离为d，则由图4.18.1（b）的几何关系可得

式中，λ为参考光和物光的波长。

当物体再现时，如图4.18.2所示，用一平面波来照射，在含有布拉格平面的厚感光层中，由于布拉格平面反射形成再现光。由图4.18.2的几何关系可得

式中，φ又称为布拉格角；λ为入射光波长。

式（4.18.2）常称为布拉格条件。比较式（4.18.1）和式（4.18.2）可知，如果记录和再现时波长相同，最佳再现角φ必须等于拍摄时所用的角度θ。对于一个给定的角，只有一种波长的反射率是最大的。这种反射具有波长选择性，所以，用这种方法可以从含有几种波长的一个光源中选择一种波长从而得到一个单色的再现像，这就是白光再现全息图的艺术。

由式（4.18.1）可知，当θ=90°时，布拉格平面间距d最小且等于λ/2。由于可见光的波长集中于0.5μm附近，而感光层的厚度应该比间距d大得多，因此在厚度d为10～20μm的感光层中，就可以记录多达30～60个布拉格平面，这个数目足以记录一张反射全息图并以白光再现。如果用更厚一点的感光层来增加布拉格平面的数量，则可进一步改善再现像的质量。

图4.18.2　布拉格反射

①记录过程。如图4.18.3所示，扩束后的激光束作为入射光透过全息干板玻璃层，照射在感光药物层上作为参考光。而透过干板光束照射到被拍摄物体上，经物体漫反射回来的反射光作为物光，再次入射到全息干板的前面的感光层上。物光和参考光的夹角为180°，由于常用感光乳剂材料的透过率为30%～50%，因而适合于拍摄表面漫反射强的物体，否则很难满足参考光与物光的分束比要求。观光层与物体之间的距离通常被控制在1cm以内，且尽量使物面平行于全息干板。

图4.18.3　拍摄反射全息光路

②再现过程。通常处理好的全息干板的感光层，在一般的白光条件就可以再现实像，如果通过背面（玻璃层）在白光下观察，则可以看到再现的虚像。

（2）激光再现全息照相

激光再现全息照相须使用一束从特定的方向或与原来参考光方向相同的激光束来再现的全息图常称为面全息图。

①记录过程。由物理光学可知，利用干涉的方法，物体发出的光以干涉条纹的形式记录物体的全部信息。

图4.18.4（a）是激光全息照相记录过程中所使用的光路，利用相干性极好的氦氖激光器发出激光束，通过扩束镜将光束扩大，一部分光束均匀地照射到被摄物体上，经物体表面反射（或透射）后的光再照射到感光材料（全息感光干板）上，称这束光为物光；另一部分光束经平面反射镜反射后，直接均匀地照射到全息感光胶片上，称这束光为参考光。通过参考光和无光在全息干板上的叠加干涉，出现了许多明暗不同的条纹、小环和斑点等干涉图样，这些光信息被记录下来后再经过显影、定影等处理，便形成一张具有干涉条纹的“全息照片”（或称全息图）。通常，干涉图样的形状反映了物光和参考光之间的相位关系，干涉条纹明暗对比程度（称为反差）反映了光的强度，干涉条纹的疏密则反映了物光和参考光的夹角情况。

②再现过程。如果想要从全息图上看原来物体的像，直接观察是不容易看到的，而只能看到复杂的干涉条纹。要看到原来物体的像，必须使全息图再现原来物体发出的光波，这个过程就称为全息图的再现过程，它所利用的是光栅衍射原理。

如图4.18.4（b）所示，利用一束从特定的方向或与原来参考光方向相同的激光束（通常称为再现光）照射全息图。全息图上每一组干涉条纹相当于一个复杂的光栅，按光栅衍射原理，再现光将发生衍射，其+1级衍射光是发散光（其与物体在原来位置时发出的光波完全一样，将形成一个虚像，与原物体完全相同，称为真像）；﹣1级衍射光是会聚光（其将形成一个共轭实像，称为膺像）。当沿着衍射方向透过全息图朝原来被摄物的方位观察时，就可以看到那个逼真的三维立体图像（真像）。

图4.18.4　激光全息照相与再现

（3）全息照相的技术要求

为了拍摄合乎要求的全息图，对拍摄系统有一定的技术要求，具体如下：

①对于全息照相的光学系统，要求有特别高的机械稳定性。如果物光和参考光的光程稍有不规则的变化，就会使干涉图样模糊不清。地面振动而引起工作台面的振动，光学元件及物体夹得不牢固而引起的抖动，强烈声波振动而引起空气密度的变化等，都会引起干涉条纹的不规则漂移而使图像模糊。因此，拍摄系统必须安装在具有防振装置的平台上，系统中光学元件和各种支架都要用磁钢牢固地吸在钢板上。在曝光过程中，人们不要走动，不要高声说话，以保证干涉条纹无漂移。

②要有好的相干光源，一般实验中常采用氦氖激光器作为光源。同时，物光和参考光的光程差要尽量小，以保证符合相干条件（一般常使两者光程大致相等）。

③要有分辨率较高的全息感光胶片。通常使用分辨率在每毫米1500～2000线的感光胶片即可。以激光再现全息照相为例，物光和参考光束间的夹角常常要小于45°，因为夹角越大，干涉条纹间距越小。条纹越密，对感光材料分辨率的要求也越高。

④物光和参考光的光强比要合适。一般取1∶4到1∶15的光强比，均能得到较为满意的全息照片。

（4）全息图的主要特点

①全息图的立体视觉特性。全息图再现的被摄物体是一幅完全逼真的三维立体图像，因此，若移动眼睛从不同角度去观察时，就好像面对原物体一样，可看到原来被遮住的侧面。

②全息图的可分割性。全息图上的任一小区域都分别记录了从同一物点发出的不同倾角的物光信息。因此，通过全息图的任一碎片仍能再现出物体完整的像。

③全息图的多重记录性。在一次全息照相拍摄曝光后，只要稍微改变感光胶片的方位，如转过一定角度，或改变参考光的入射方向，就可以再向一张感光胶片上进行第二次、第三次的重叠记录。再现时，只要适当转动全息图即可获得各自独立互不干扰的图像。

【实验仪器】

FD-LHL-A型激光全息控制主机（包括激光功率计、曝光定时器、氦氖激光器电源）、激光全息减振平台、氦氖激光器、电子快门、反射镜（三维可调）、扩束镜、干板固定架及载物台、激光功率探测器、光屏（含调节激光准直的通光孔）、白炽灯光源、4个冲洗器皿、异丙醇、量桶、竹夹、电吹风、玻璃刀、全息干板等。

【实验内容】(www.xing528.com)

（1）体全息照片的拍摄

①配制药水（异丙醇水溶液，浓度40%，60%，80%，100%各一份），然后分别置于4只器皿中，尽量做好标记，以防止冲洗干板时搞错（实验前通常药水已经配置完毕）。

②如图4.18.5所示，调整各个光学元件，使激光在被反射前后均可以通过白屏上小孔，使光路中各光学元件的光学中心共轴。

图4.18.5　全息照相光路

③通过调整全反射镜后两个螺钉，使激光通过扩束镜后形成一个完整且均匀高斯圆形光斑，将物体（实验中物体采用一元硬币）固定在载物台上，使照射在物体上的红色均匀的光斑完全覆盖物体。

④用螺钉和内六棱螺丝刀将各光学元件固定在光学平台上，再用白屏检验红色光斑还是否均匀，是否还能完整照射在物体之上，并防止光路振动后被改变。

⑤用玻璃刀裁切感光干板，得到尺寸大小为50mm×40mm左右的干板，干板在曝光前禁止与入射红光接触。

⑥为了实验方便，通常采用人工曝光方法，即先用遮光板或白屏在激光器出光口遮挡激光出射（如使用曝光器曝光，则将曝光器关闭即可）。然后将干板放在载物台之上，并用黑色螺钉固定好，同时要保证干板的药物面与物体面对面放置并静置3～5min。

⑦设置秒表归零，同时撤掉遮光板，使红色激光光斑在照射全息干板90～160s（照射时间的长短可根据光强去设定），然后再次用遮光板在激光出口遮挡光路，并取下全息干板。

（2）体全息照片的定影和显影

①取出曝光后的全息干板，用木夹子将其夹好，同时使感光药物面朝下放入药水中进行冲洗，在冲洗过程中将全息干板在药水中搅动，保证与药水充分接触。

②将拍好的全息干板按40%～100%顺序冲洗：40%溶液—10s、60%溶液—30s、80%溶液—15s、100%溶液—（50～70s），浸至出现浅绿色的彩色影像。

③此时将干板取出，用吹风机热风晃动着吹干残留药水，并在白炽灯下随时观察。当吹干到某一程度，即可观察到白光再现的立体图像，此时即可停止吹风。

④保存处理。将干净的薄玻璃板紧贴住全息照片药膜面，四周用环氧胶或硅胶封闭，以防干板药膜受潮而使图像消失。（实验室内一般完成立体图像后，即可以交给指导教师检查实验情况，故不加以做保存处理。）

⑤全息再现。从再现角度观察，即可看到所拍摄的立体图虚像，此时的像是由全息图的反射光形成的。

【数据处理】

在报告中完成以下内容：

1.全息照相是利用光的干涉原理，把物体的反射光的__________信息和__________信息以干涉条纹的形式记录下来。

2.在全息照相实验中，在对全息干板曝光的操作过程中，其操作顺序为：

①将干板固定在载物台上。

②将要拍摄的物体固定在载物台上。

③调整光路，使激光光束平行反射至载物台上。

④挡住物体前的光线，并准备好计时器。

⑤打开光路，开始曝光。

A.③②①④⑤　B.③①②④⑤

C.③②④①⑤　D.③①④②⑤

【注意事项】

①尽量把反射镜和扩束镜放置在靠近平台边缘，便于为载物台的调节留出较大空间。

②测光强时需要测量硬币所在位置圆斑的最大光强。

③平台静置期间，最好不要干扰平台及桌子。

④40%，60%，80%3种异丙醇溶液的冲洗时间严格遵守。

⑤触摸全息干板两面边缘，粗面为药物面，光滑面为玻璃面。

⑥在每种溶液浸泡期间，干板的药物面朝下，悬浮在液体中，并且时刻晃动着，以使反应充分。

⑦用电吹风吹干干板的药物面，并在日光灯下随时观察，要求把影像吹成绿色及吹干干板上的液体，注意电吹风不能直接长时间地对着药物面，应晃动着吹。

⑧氦氖激光器接线的时候，红黑接线柱和导线的颜色要相对应，否则会导致激光器造成损坏。

【思考题】

1.激光全息照相机再现技术是利用光的什么原理实现的？

2.如果在曝光过程中光路发生了变化，可能会出现哪些后果？

【参考资料】

FD-LHL-A型激光全息实验仪

全息照相术是20世纪60年代发展起来的一门立体摄影和波阵面再现的新技术。全息照相作为一种全新的信息记录和显示方法，与传统的照相技术相比是完全不同的概念。传统的照相原理基于几何光学的透镜成像，在感光板（胶片）上记录的是被摄物通过透镜后的光强分布，即振幅分布，显现的是被摄物几何平面图形。全息照相要求在感光板上记录被摄物体的振幅和位相——“全部”信息，这就要用另一束光（参考光）与被摄的物光直接入射到感光板上，使物光和参考光在感光板上发生干涉，产生干涉条纹，条纹的黑白反差记录了被摄物的振幅，条纹的粗细、疏密和形状则反映了被摄物的位相，此即“全息图”。为再现全息图必须使用与参考光相同的相干光，按原参考光方向照明全息图产生衍射，其±1级衍射光形成被摄物的原始像（通常为虚像）和共轭像（通常为实像），全息再现的是被摄物的三维立体图像，具有显著的体视特征。由于全息照相具有可分割、多重记录性等独特特点，在各个领域得到广泛的应用，如利用全息照相的体视特征，可做三维显示、立体广告、立体电视等；利用全息照相的可分割性和多重记录性，可做信息存储、全息干涉计量、振动频谱分析、无损检测和测量位移、应力、应变等。由上海复旦天欣科教仪器有限公司生产的FD-LHL-A型激光全息实验仪改进了传统的光学减振平台形式，提高了抗振效果，并且实验仪采用特殊的全息干板，避免了传统的暗室操作全息照相的实验方法，不管是全息干板的切割，还是全息成像以及全息照片的显影定影等操作全部在自然光条件下操作，这样既节省了学校经费开支又提高了实验成功率。通过该实验学生可以了解全息照相的基本原理，学习并掌握全息照相的基本实验技术。该仪器可以用于高等院校基础物理实验和近代物理实验，也可以用于设计性研究性实验。

1）仪器简介

FD-LHL-A型激光全息实验仪主要由控制主机（包括激光功率计、曝光定时器、氦氖激光器电源）、激光全息减震平台（上面有7个可调节底座并配固定螺丝及其扳手）、氦氖激光器、电子快门、反射镜（三维可调）、扩束镜、干板固定架及载物台、激光功率探测器、光屏（含调节激光准直的通光孔）、白炽灯光源、4个冲洗器皿、异丙醇、量筒、竹夹、电吹风、玻璃刀、全息干板等。

2）技术指标

①激光功率计。4挡选择2，20，200μW，2mW，表头显示3位半数字电压表探测器硅光电池。

②曝光定时器。分辨率1s，量程1～9999s（手动设置）。

③电子快门。通光孔直径3mm。

④氦氖激光器。管长250mm，功率2mW左右，波长633nm。

⑤减振平台。尺寸800mm×600mm×1000mm，固定螺孔M6，螺孔位置25mm×25mm。

⑥扩束镜。入射孔直径6.2mm，出射孔直径1.5mm。

⑦光电探测器。光阑孔直径1，1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5，5，6mm10种，探测器，硅光电池。

⑧白色光屏。外形尺寸120mm×80mm，通光孔直径2mm。