3.5.1 全息术
(本文内容选自高等教育出版社《大学物理实验》)
人眼看到物体是由于光波到达人眼.本身发光或间接发光(反射,散射光)的物体都可以被人眼观察到.根据到达光波的强弱,颜色和方向,人眼可以识别不同的物体,物光波的主要特征是波长(颜色),振幅(光强)和相位(物点的位置).全息照相术是利用干涉和衍射的原理将物体发射的光波以干涉条纹的形式记录下来,再在一定的条件下再现,形成与原物体完全相似的空间像.由于它记录的是物体原来光波的全部信息(振幅和位相),像十分逼真并具有立体效果,所以做全息照相或全息术.它与普通照相(只记录了光波的振幅)效果完全不同.
全息术是由英国科学家伽博(D.Gabor)在1947年提出的.1960年激光出现,有了相干性良好且亮度高的光源,1962年利思(Leith)和厄帕特尼克斯(Uptnieks)提出了离轴全息图,从此全息术进入全面发展阶段,成为光学的重要分支,并在许多方面有了广泛的应用.
本实验的目的是让同学们初步了解全息术的基本原理,并拍摄物体的三维全息图和制作全息光栅.
实验原理
全息图种类很多,有菲涅耳全息图,夫琅禾费全息图,傅立叶变换全息图,彩虹全息图,像全息图,体积全息图等.不管哪种全息图都要分成两步来完成:第一步,干涉法记录全息图,即波前记录;第二步,用全息图使原光波波前再现,即波前再现.
波前记录
由于所有的记录介质只能对光强有响应,因此普通照相机利用直接成像的方法,只能记录下光波的振幅信息,为了记录物体发射光波的相位信息,人们自然想到利用光的干涉效应.因此在拍摄全息图时除了物光波外还必须有一束参考光波,这两束光波应当具有良好的相干性,以便记录下清晰的干涉条纹.图3.5.1-1是一般拍摄离轴全息图(也叫作菲涅耳全息图)的光路图.为了说明全息图的形成过程,我们只取物体上的某一个发光点O,并取全息干板平面为Oxy坐标平面,如图3.5.1-2所示,设物点O的坐标和参考光点R的坐标分别为(x0,y0,z0)和(xR,yR,zR),则Oxy平面上物光的复振幅分布为
(1)
在Oxy平面上参考光的复振幅分布为
(2)
参考光波和物光波在Oxy平面上干涉叠加后的光强为
(3)
可用作全息记录的感光材料很多,一般最常用的是卤化银乳胶涂布的超微粒干板,称为全息干板,按图3.5.1-1拍摄的全息图也叫做平面全息图,我们用振幅透射率来表示其特性,一般它是一个复函数,具有下面的形式:
(4)
在上式中如果ψ与(x,y)无关,是一个常数,就称为振幅型全息图.如果τ0与(x,y)无关,是一个常数,就称为相位型全息图.如果两者都与(x,y)有关,就称为混合性全息图.全息照相干板的特性可以用图3.5.1-3所示的τ-H曲线来表示.其中τ为振幅透射系数,H为曝光量.因为τ-H曲线只在中间一段近似为直线,所以对于不同的曝光量(光强与曝光时间的乘积),可以完成不同的记录——线性记录和非线性记录.一般记录时取曝光量在H0的位置.并控制参,物光强比为2比1至10比1的范围.这样就可以实现线性记录.在线性记录的条件下,
(5)
t为曝光时间,I为总光强,β0和β为常数.Β等于图3.5.1-3中线性区的斜率,将公式(3)中的光强表达式代入,得到拍好的全息图的复振幅透射率
(6)
波前再现
设再现用的照相光波在Oxy平面上的分布为
(7)
此再现光波经过全息图后衍射波的复振幅分布为
(8)
考察式(8)的第二项(由于第一项较小,大多数情况下可以忽略),可以认为:
(9)
式(9)为全息照相的基本公式,式中第一项代表直射光,第二项代表原始像,第三项代表共轭像.对有许多物点组成的物体,式(9)中,所以容易知道
(10)
这叫做晕轮光,当物体较小时它的空间频率不高,在拍摄全息图时,取稍大一些的参考光与物光的夹角就可以避开它的影响,观察到清晰的原始图.
实验内容
三维全息术
如图3.5.1-1所示,在防震平台上布置光路.分束板采用反射率为5%的平晶(两面互相倾斜而且较厚),扩束镜采用40显微物镜.选择漫反射性能较好的物体作为拍摄三维全息照相的物体.调好光路,使参考光与物光束的光强比为2:1到10:1,放上全息干板曝光,曝光后经适当冲洗,就完成了波前记录的任务.待全息干板完全干燥后,就可以放入原光路中进行再现.再现的方法是将干板放在原光路中,在拍摄三维全息时把5%分束镜换成全反射镜,拿走物体,向着干板后原物体所在的方向看去就可以看到与原物体相似的明亮的像.

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