伦 毅  

 

    摘耍  简述了激光全息照相的原理，设计出全息照相的拍摄光路，探索出能成功拍出全息图的方法以及能实现白光再现的实验条件；并了解全息照相与普通照相的区别，以及全息照相的应用及开拓。

关键词  反射全息照相；全息记录；白光再现

 

利用激光既能记录光波振幅的信息，又能记录光波的位相信息。这种记录光波全部信息的照相称为全息照相。全息照相发展到现在可分为四个阶段：第一阶段是用水银灯记录同轴全息图，由于没有好的相干光源，再现像和共轭像不能分离；第二阶段是用激光记录、激光再现的全息照相，能够把原始像和共轭像分离；第三阶段是激光记录、白光再现的全息照相；第四阶段是当前所致力的白光记录全息图。由于第二代全息照相再现时受光源的限制，难以走出实验室，制约了学生的实验积极性。因此，大多数工科院校开设的“全息照相”都努力实现第三代全息照相，同时，由于白光再现的全息照相，在各个领域都有较高的应用价值。基于这一点，我们对白光再现全息照相进行实验研究，探求拍摄不同规格物的最佳拍摄光路，扩展全息照相实验内容，提高教学效果，调动学生的实验积极性。

1 实验原理

1．1 全息照相基本原理

全息照相是一种用光学方法在视觉上再现原物的清晰立体像的典型技术，全息照相分为两步：波前记录和波前再现。波前记录是指将物体射出(直接或间接)的光波与另外一束相干光波(参考光波)相干涉，用照相的方法将干涉条纹记录下来，称为全息图。当用原始记录时的参考光或其它合适的光波照射全息图时，光通过全息图发生衍射，其衍射光波与原物体的光波相似，于是构成物体的再现，这就是波前再现。

　　按所用再现光源分类，全息图可分为激光再现全息图与白光再现全息图。由于乳胶有一定的厚度(一般为几个pm)，同时它是透明的，故在其内部也存在着物光和参考光的相互干涉，干涉条纹被记录下来，经过处理后得到复杂的三维衍射光栅。普通全息照相时，参考光与物光波的夹角较小(约30⁰～40⁰)，相互干涉而形成的干涉条纹稀疏，可以忽略乳胶厚度效应，主要考虑参考光与物光波在乳胶表面形成的二维干涉条纹(等效二维衍射光栅)。对于这样的二维衍射光栅，如果用白光再现全息图像，由于红橙黄绿蓝紫各色光的衍射角度相差很小，各种颜色的全息像互相混叠，导致整个图像模糊不清^［１］，只能看到一个模糊的彩色光团，所以，这种普通全息图是不能用白光再现的，只能用激光(单色光)再现全息图像。

1．2 白光再现全息原理

全息照片分为用薄乳胶制成的平面全息图和厚乳胶制成的体积全息图两类。平面全息图和体积全息图都有可能产生白光再现。对于平面全息^［２］，当物体靠近记录介质或用成像系统使物体像在记录介质附近时，线模糊量均为零，再现时用扩展光源照明或白光照明就能再现出清晰的像。对于体积全息图，从电动力学的观点可以得出：反射全息图角度灵敏性差些，但波长灵敏性却很高。因此可以用单色相干光制作的全息图片，用普通的自光照射它实现波前再现。

因此，白光再现全息图片的制作法是物光和参考光分别从全息干版的两面进入乳胶面，以保证大角度入射(参考光与物光波的夹角约为180⁰)，同时银盐乳胶剂感光材料的透过率约为30～50％ ，当控制拍摄物体和干版的距离使光程差很小，适合拍摄表面漫反射强的物体。由于物光波具有复杂的波前，不是平面波，所以参考光和物光波的干涉极大值，在显影后形成并非是和底版平行的银层面，得到的全息图是复杂的三维光栅。用再现光照射这个全息图时，入射光受三维光栅衍射遵从布拉格公式。此时三维光栅的衍射等效于不同银层反射光束的相干迭加，只有入射光线与银层的夹角θ和波长λ满足布喇格公式：2dsinθ= λ时，才存在干涉极大(公式中的d为银层的间距)，而且相对于银层而言，干涉极大的方向正好是入射光经银层反射后的方向 不难发现这时干涉极大的方向正好是制作全息图片时物光束的方向。因此在反射方向上，得到的正是重建的物光束，在此方向可以看到原物的三维虚像。正是由于三维光栅的这种波长选择性，可以用白光照射重建原来的物光波，如图(1)所示。如果把图(I)中的乳胶面转过180⁰可以得到三维实像，如图(2)所示。

 

2 实验步骤和方法

2．1 拍摄反射全息图

(1)调整光路按图(1)的光路布置光学元件，调节光学元件的螺钉，使光束基本同高，调节扩束镜的位置，是扩束后的光束均匀照在底版上，调整物体，是反射光束能够完全照在底版上。

(2)曝光调好光路后，打开曝光定时器，选择预定的曝光时间(按底版特性要求和激光强度选定曝光量)，选定7秒左右的曝光时间，让曝光定时器遮光，取下底版夹上的白板。装上底版(乳胶面面向物体)，稳定1分钟后，打开曝光定时器，进行曝光。待光开关自动关闭后．取下底版冲洗。

(3)冲洗底版将取下的底版，首先放在水中漫湿，然后放在显影液中进行显影，显影时间选定为80秒左右，等时间到后，取出底版放在水中洗掉显影液。然后再放到定影液中进行定影．选定的定影时间为l5分钟左右，待显影完毕后，将底版放在活水中冲洗、晾干。

2．2 全息图的再现观察

(1)虚像观察  拍摄好的全息片，放在白光或太阳光下，按图(1)进行观察，可观察到红色的虚像。

(2)实像观察  拍摄好的全息片，放在白光或太阳光下，按图(2)进行观察，可观察到红色的实象。

3 实验结果分析

上述拍摄装置中光学元件较少，全息干版与被拍摄的物体相对稳定，光路中光程差尽量最小，这样拍摄的全息图成功率很高。 ．

(1)在自光(如太阳光)下观察拍摄的全息图，如图1所示，从玻璃面可看到清晰的绿色虚像。如图2所示，在镀乳胶的一面观察到绿色实像，但实像有悬浮感。此处，再现像为绿色而非红色是由于记录介质在实际显影、定影过程中发生乳胶的收缩，条纹间隔变小，使再现波长发生“蓝移”的结果。

(2)拍摄纪念币的原光路中玻璃板只是起支架的作用。从理论上分析，玻璃板的使用会损失一部分能量，减弱入射光强。而全息图的衍射效率定义为衍射像的能量与照明光束的能量之比的，所以笔者认为去掉玻璃板会提高像的质量。

(3)在拍摄条件相同的情况下，比较未漂白的和漂自的全息图，发现未漂白全息图的再现像比漂白全息图易观察。此现象不能说明漂白后的干板的衍射效率降低，只能说明漂白后的平板噪声增加，使得信噪比降低。

教学表明，这种光路用于“全息照相”教学，使学生对该项技术有了进一步的了解，并且再现时不再受到记录光源的限制，激发了学生对物理实验的兴趣，获得了很好的教学效果。

[1]赵鹏飞、邱大庸．像全息图的拍摄．广螽物理，2001

[2] 吕广娟等．白光再现全息照相．大学物理实验，2006