全息照相和全息干涉法的應(yīng)用

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1、全息照相和全息干涉法的應(yīng)用,繆長宗,實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1了解全息照相的基本原理 2熟悉反射式全息照相合透射式全息照相的基本技術(shù)和方法 3通過對(duì)反射式、透射式全息照片的攝制和觀察，了解反射式、透射式全息照相的特點(diǎn) 4了解全息干涉法及其應(yīng)用,全息照相的概念,全息照相術(shù)是一種新型的照相技術(shù)，其成像過程是：利用光的干涉和衍射現(xiàn)象，在照相干板或膠片上以干涉條紋的形式把圖像記錄下來，然后用光照射這種干板（稱作全息干板），就能以立體形式再現(xiàn)出原來的物體像。,與普通照相不同，全息照相有一些突出的特點(diǎn)，比如它的像有三維立體性、其干板具有可分割性、可多次記錄性等等。全息照相之所以具有上述特點(diǎn)，是因?yàn)槿⒄障嗯c普通照相的方

2、法截然不同。普通照相在膠片上記錄的僅是物光的振幅信息（即光強(qiáng)分布），而全息照相在記錄振幅信息的同時(shí)，還記錄了物光的相位信息，“全息”也因此而得名。,全息照相術(shù)的起源,全息術(shù)最初是由英國科學(xué)家丹尼斯伽柏（Dennis Gabor）于1948年提出來的，伽柏并因此在1971年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，當(dāng)初的目的是想利用全息術(shù)提高電子顯微鏡的分辨率，伽柏當(dāng)初使用汞燈作為光源，但是汞燈作為光源還不是很理想，這種技術(shù)由于要求高度相干性及高強(qiáng)度的光源而一度發(fā)展緩慢。,1960年梅曼（Maiman）研制成功了紅寶石激光器，第二年（1961年）賈范（Javan）等制成了氦氖激光器。從此，一種全所未有的優(yōu)質(zhì)相干光源

3、誕生了。1962年美國科學(xué)家E.N.利思（E.N.Leith）和J.烏帕特尼克斯（J.Upatnieks）用激光器對(duì)伽柏的技術(shù)做了劃時(shí)代的改進(jìn)，全息術(shù)的研究從此獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，近40年來，全息技術(shù)的研究日趨廣泛深入，逐漸開辟了全息應(yīng)用的新領(lǐng)域，成為近代光學(xué)的一個(gè)重用分支。,請(qǐng)看圖1，使從點(diǎn)光源（可以認(rèn)為是從物體上的一點(diǎn)反射出來的光，也可考慮為有一個(gè)針孔）發(fā)出的相干激光束A與另一方向射來的激光束B在照相干板上疊加而產(chǎn)生干涉，,形成如圖2、3所示的那樣的干涉條紋。如果將這種干板沖洗后則可變成一種衍射光柵，即全息照片（或稱作全息圖）。,如果將全息照片置于原來的位置，并在與記錄干涉條紋是參考光照

4、射的方向相同的方向上用相干光照射，則此照射光在沖洗后的干板（衍射光柵）上被衍射。由圖4可知，在衍射光柵的柵格間距小的地方，光的衍射角大；在衍射光柵的柵格間距大的地方，光的衍射角小。結(jié)果，整個(gè)衍射光就好像從原來點(diǎn)光源所在位置傳播過來的方向上被衍射。,同樣，如果放置兩個(gè)點(diǎn)光源，通過與另外的相干光形成干涉條紋，并記錄在干板上，則自然會(huì)有兩種不同的干涉條紋相重疊地被記錄下來。并且，每種干涉條紋都具有與各自的點(diǎn)光源的光強(qiáng)相應(yīng)的反差，從而起衍射光柵的作用，使得衍射光象是從原來兩個(gè)點(diǎn)光源所在位置傳播過來似的被衍射。在類似的點(diǎn)光源極多的情況下，也可按這種方式處理。被光照射的物體可以看作是無數(shù)點(diǎn)光源的集合體。在

5、這種情況下，非常復(fù)雜的干涉條紋被記錄下來，當(dāng)用相干光照射干板時(shí)，光在與原物體存在時(shí)相同的方向上被衍射。換言之，在物體原來所在的位置上將再現(xiàn)它的像，這就是全息照相的原理。,下面，根據(jù)實(shí)際裝置，再從稍微從不同的角度來說明全息照相術(shù)的原理。如圖5所示，如果用分束鏡將一束相干光（激光）分為兩束，它們?cè)僖阅骋唤嵌仍诟砂迳席B加，則會(huì)形成大致一樣的干涉條紋，這些干涉條紋的間距為 x的大小由光波長和兩束光的夾角決定，這從圖中也很容易理解。,這樣產(chǎn)生的干涉條紋如圖6所示，是黑白相間周期性重復(fù)的排列。每一毫米內(nèi)存在的干涉條紋數(shù)稱作空間頻率或空間載波，這樣產(chǎn)生的空間載波未受任何調(diào)制。,如圖7所示，如果在一個(gè)方向上的

6、光束中途放置一塊幻燈片之類的透射體，利用從透射體透射出來的光，或者是利用照射物體時(shí)產(chǎn)生的反射光，與另一方向上的相干光（即參考光）疊加而形成干涉條紋，則這樣形成的干涉條紋不再是規(guī)則排列的清晰條紋，而是變成了復(fù)雜的干涉條紋。這種情況，可以認(rèn)為是空間載波被物體所調(diào)制。,這樣記錄下來的受到物體光波調(diào)制了的干涉條紋，就是全息圖。圖8時(shí)全息圖實(shí)際記錄過程的圖解，,如果要由全息圖再現(xiàn)原物的形狀和位置，則如圖9那樣，用同一波長的相干光照射全息圖，被調(diào)制的空間頻率就像一種衍射光柵一樣把光波衍射。由于被衍射的光是沿著與透過物體的光或被物體反射的光相同的方向行進(jìn)，所以再現(xiàn)的像在空間也有景深，從而可觀測到三維的立體象

7、。,相對(duì)而言，一般照相技術(shù)僅僅是個(gè)記錄過程，而全息照相術(shù)具有記錄過程和再現(xiàn)過程兩個(gè)階段，再現(xiàn)出來的像恰是來自物體的光的波面本身。,一、反射式全息照相,反射式全息是利用后照相乳膠的布拉格衍射效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。反射式全息的記錄光路如圖10所示，激光細(xì)光束經(jīng)擴(kuò)束鏡L0擴(kuò)束后照射在全息干板H上作為參考光，透過H的光照明物體，經(jīng)物體漫反射的光成為物光，干板的乳膠面向著物體，由于乳膠感光材料的透過率為30%50%，若物體的反射率較高，則光束比能滿足全息圖的記錄條件。,在這種記錄中，物光和參考光之間的夾角接近180，因而在記錄介質(zhì)中能建立起駐波，所形成的干涉條紋基本上平行于記錄介質(zhì)表面，條紋實(shí)際上是層狀的，其間

8、距約為介質(zhì)中光波長的一半，對(duì)于光的衍射作用與三維光柵的衍射一樣。,布拉格條件,在再現(xiàn)像的過程中，根據(jù)布拉格衍射的原理，再現(xiàn)光在這種三維干涉面上的衍射極大值必須滿足下列條件：光從衍射面上反射時(shí)，反射角等于入射角；相鄰兩干涉層的反射光之間的光程差必須是。這就是布拉格條件。 當(dāng)照明干板的光束為單色光時(shí)，只有在某些特定的角度下才能觀察到再現(xiàn)像；當(dāng)不同波長的混合光（例如白光）以一確定的入射角照明干板時(shí)，只有某些特定的波長滿足布拉格條件而產(chǎn)生再現(xiàn)像，其中只有一種波長的衍射效率為最高。這就是反射式全息圖的角度選擇性和波長選擇性。,實(shí)驗(yàn)步驟和注意事項(xiàng)：,選擇合適的目標(biāo)。由于光束比無法通過光路來調(diào)整，故應(yīng)選擇表

9、面具有較高反射率且具有一定漫射性的物體作為目標(biāo)（本實(shí)驗(yàn)選用一元或一角的硬幣），以提高再現(xiàn)像的質(zhì)量； 調(diào)整光路。物體用橡皮泥固定在載物臺(tái)上，全息干板也夾持在載物臺(tái)上，為得到較高的衍射效率，物體與干板之間的距離不能太大，一般不大于1cm； 將激光器出射的激光遮擋住，裝夾好全息干板，使乳膠面對(duì)象目標(biāo)。穩(wěn)定一分鐘后取消遮擋激光曝光1020秒； 經(jīng)沖洗吹干的全息干板在白光下反射再現(xiàn)，在一定的角度下可看到綠色的再現(xiàn)像，再現(xiàn)像變成綠色是由于乳膠層收縮所致。,二、兩次曝光法測定金屬板的楊氏模量,全息干涉計(jì)量是全息術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要方面。全息干涉與普通干涉十分相似，其干涉理論和測量精度基本相同，只是獲得相干光的方

10、法不同。普通干涉中獲得相干光的方法基本分成兩大類：分振幅法和分波陣面法。全息干涉的相干光則是采用時(shí)間分割法而獲得的，也就是將同一束光在不同的時(shí)刻記錄在同一張全息干板上，然后使這些波前同時(shí)再現(xiàn)并產(chǎn)生干涉。時(shí)間分割法的特點(diǎn)是相干光束由同一光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生，因而可以消除系統(tǒng)誤差，從而可以降低對(duì)光學(xué)系統(tǒng)中各光學(xué)元件的精度要求，這也是全息干涉計(jì)量的一個(gè)很重要的特點(diǎn)。,普通干涉只能測量表面經(jīng)過拋光的透明物體或反射面，全息干涉則不僅可以測量透明物體，也可以測量不透明物體，并且表面可以使散射體。此外采用全息干涉還可以通過表面的變化來檢測物體內(nèi)部的缺陷，這就是全息無損檢測。本次實(shí)驗(yàn)所安排的內(nèi)容是用二次曝光法測定金屬

11、板的楊氏模量，通過本實(shí)驗(yàn)有助于加深對(duì)全息干涉計(jì)量基本原理的理解，以及了解全息干涉法的基本技術(shù)及其應(yīng)用。,實(shí)驗(yàn)光路如圖11所示，激光束經(jīng)擴(kuò)束鏡照射在干板上為參考光，透過干板后的光束經(jīng)鋁板反射后照射在干板上即為物光。首先在鋁板自由端未受力時(shí)作第一次曝光，干板上記錄了鋁板處于原始狀態(tài)時(shí)的全息圖，然后通過加力裝置對(duì)鋁板的自由端加力后作第二次曝光，干板上又記錄了鋁板受力變形后的全息圖。再現(xiàn)時(shí)同時(shí)復(fù)現(xiàn)鋁板兩個(gè)狀態(tài)下的物光波前，這兩個(gè)波前產(chǎn)生干涉，形成一簇等光程差的干涉條紋。如果能測出某一級(jí)亮紋或暗紋所在處沿鋁板縱軸方向的位置，即可計(jì)算出其楊氏模量。,實(shí)驗(yàn)步驟和注意事項(xiàng)：,按圖11布置好光路，注意鋁板與干板

12、的距離要盡量小，干板的乳膠面應(yīng)對(duì)向鋁板，并且系在鋁板上用于給其加力的細(xì)繩一定要與鋁板垂直； 首先不給鋁板的自由端加力，在砝碼托盤靜止的條件下進(jìn)行第一次曝光，時(shí)間大約為10秒鐘； 在砝碼托盤上加上砝碼，通過砝碼加載器給鋁板自由端加力，穩(wěn)定一兩分鐘后，并且在砝碼托盤靜止的條件下進(jìn)行第二次曝光，時(shí)間約為15秒，注意加載砝碼時(shí)動(dòng)作要輕； 經(jīng)沖洗吹干的全息干板在白光下反射再現(xiàn)，可以看到一簇明暗相間的干涉條紋，取不同級(jí)數(shù)的亮紋或暗紋，測量條紋所在處沿鋁板縱軸的坐標(biāo)并計(jì)算楊氏模量的大小。,三、透射式全息照相,透射式全息拍攝的光路如圖12所示，由激光器輸出的細(xì)激光束經(jīng)反射鏡M反射后被分束鏡分成兩束：反射的一束

13、經(jīng)反射鏡3再次反射并經(jīng)擴(kuò)束鏡2擴(kuò)束后，照在全息干板上作為參考光束；透射的一束由反射鏡2反射折轉(zhuǎn)，再經(jīng)過擴(kuò)束鏡L擴(kuò)束后照明物體，經(jīng)物體漫反射形成的物光束也到達(dá)全息干板上。物光與參考光在全息干板上發(fā)生干涉將形成復(fù)雜的干涉圖樣，全息干板經(jīng)沖洗吹干后即可得到一張透射式全息圖。,將制得的全息圖放回原位，遮住物光束并取走物體，用原參考光照明，則透過全息圖可以看到原來放置物體的地方有物體的虛像，猶如物體沒有取走一樣，物體的虛像具有明顯的視差效應(yīng)，人眼通過全息圖觀察物體的虛像，就像通過一個(gè)“窗口”觀察真實(shí)物體一樣，具有強(qiáng)烈的三維真實(shí)感，當(dāng)人眼在全息圖后面左右移動(dòng)觀察時(shí)，可以看到物體的不同部位。,實(shí)驗(yàn)步驟和注意

14、事項(xiàng)：,按實(shí)驗(yàn)光路圖布置各元件并調(diào)好光路，注意應(yīng)使到達(dá)全息干板的物光和參考光的光程差盡量小，并且被攝物體與全息干板之間的距離不超過，物光與參考光的夾角控制在左右； 參考光與物光在全息干板處的光強(qiáng)比4：的范圍內(nèi)，可分別遮擋參考光及物光，直接用人眼觀察在光屏上兩者的光強(qiáng)比，當(dāng)感覺參考光的平均光強(qiáng)稍微超過物光的平均光強(qiáng)而又相差不大時(shí)即可。應(yīng)注意盡量使物光在干板上的光強(qiáng)均勻分布，參考光應(yīng)均勻照明并覆蓋整塊全息干板； 遮擋激光束，安裝全息干板然后進(jìn)行曝光，曝光時(shí)間在5秒左右（根據(jù)老師要求），曝光過程中應(yīng)排除一切振動(dòng)因素； 將干板沖洗吹干后放回原底版架上，不要改變?nèi)D與原底版之間的方位關(guān)系，擋去物光，移去原物，便可在原物位置上顯現(xiàn)出與原物同等大小的三維立體像。,