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1、全 息 照 相 實(shí) 驗(yàn) 一 、 光 學(xué) 全 息 概 述 普 通 照 相 是 根 據(jù) 幾 何 光 學(xué) 成 像 原 理 ,記 錄 下 光 波的 強(qiáng) 度 (即 振 幅 ),將 空 間 物 體 成 像 在 一 個(gè) 平 面 上 ,由 于 丟 失 了 光 波 的 相 位 ,因 而 失 去 原 物 體 的 三 維信 息 。 如 果 能 夠 記 錄 物 光 波 的 振 幅 和 相 位 ,并 在一 定 條 件 下 再 現(xiàn) ,則 可 看 到 包 含 物 體 全 部 信 息 的三 維 像 ,即 使 物 體 已 經(jīng) 移 開 ,仍 然 可 以 看 到 原 始物 體 本 身 具 有 的 全 部 現(xiàn) 象 ,包 括 三 維

2、感 覺 和 視 差利 用 干 涉 原 理 , 將 物 體 發(fā) 出 的 特 定 光 波 以 干 涉 條 紋 的 形式 記 錄 下 來 ,使 物 體 波 前 的 全 部 信 息 都 貯存 在 記 錄 介 質(zhì) 中 ,故 所 記 錄 的 干 涉 條 紋 圖樣 被 稱 為 “ 全 息 圖 ” 。 當(dāng) 用 光 波 照 射 全息 圖 時(shí) ,由 于 衍 射 原 理 能 重 現(xiàn) 出 原 始 物 光波 ,從 而 形 成 與 原 物 體 逼 真 的 三 維 像 ,這 個(gè)波 前 記 錄 和 重 現(xiàn) 的 過 程 稱 為 全 息 術(shù) 或 全息 照 相 。 全 息 照 相 術(shù) 是 英 籍 匈 牙 利 科 學(xué) 家 丹 尼 斯

3、蓋 伯 (Dennis Gabor)發(fā) 明 的 .1947年 他 從 事電 子 顯 微 鏡 研 究 ,當(dāng) 時(shí) 電 子 顯 微 鏡 的 理 論分 辨 率 極 限 是 0.4nm,由 于 丟 失 了 光 波 的 相位 ,實(shí) 際 只 能 達(dá) 到 1.2nm,比 分 辨 原 子 晶 格所 要 求 的 分 辨 率 0.2nm差 得 很 多 .這 主 要 是由 于 電 子 透 鏡 的 像 差 比 光 學(xué) 透 鏡 要 大 得多 ,從 而 限 制 了 分 辨 率 的 提 高 。 為 此 ,蓋 伯 設(shè) 想 :記 錄 一 張 不 經(jīng) 任 何 透 鏡 的 ,用 電子 衍 射 的 電 子 波 制 作 曝 光 照 片

4、(即 全 息 圖 ),使 它能 保 持 物 體 的 振 幅 和 相 位 的 全 部 信 息 ,然 后 用 可見 光 照 明 全 息 圖 來 得 到 放 大 的 物 體 像 。 由 于 光波 波 長(zhǎng) 比 電 子 波 長(zhǎng) 高 5個(gè) 數(shù) 量 級(jí) ,這 樣 ,再 現(xiàn) 時(shí) 物體 的 放 大 率 就 可 獲 得 倍 而 不 會(huì) 出 現(xiàn) 任 何 像 差 ,所以 這 種 無 透 鏡 兩 步 成 像 的 過 程 可 期 望 獲 得 更 高的 分 辨 率 .根 據(jù) 這 一 設(shè) 想 ,他 在 1948年 提 出 了 一種 用 光 波 記 錄 物 光 波 的 振 幅 和 相 位 的 方 法 ,并 用實(shí) 驗(yàn) 證 實(shí) 了

5、 這 一 想 法 ,從 而 開 辟 了 光 學(xué) 中 的 一 個(gè)嶄 新 領(lǐng) 域 ,他 也 因 此 而 獲 得 1971年 的 諾 貝 爾 物 理學(xué) 獎(jiǎng) 。 從 1948年 蓋 伯 提 出 全 息 照 相 的 思 想 開 始一 直 到 50年 代 末 期 ,全 息 照 相 都 是 采 用 汞燈 作 為 光 源 ,而 且 是 所 謂 的 同 軸 全 息 圖 ,它的 級(jí) 衍 射 波 是 分 不 開 的 ,即 存 在 所 謂 的 孿生 像 問 題 ,不 能 獲 得 好 的 全 息 像 .這 是 第 一代 全 息 圖 ,是 全 息 術(shù) 的 萌 芽 時(shí) 期 。 第 一 代全 息 圖 存 在 兩 個(gè) 晉 嚴(yán)

6、重 問 題 ,一 個(gè) 是 再 現(xiàn)的 原 始 像 和 共 軛 像 分 不 開 ,另 一 個(gè) 是 光 源的 相 干 性 太 差 。 1960年 激 光 的 出 現(xiàn) ,提 供 了 一 種 高 相 干 性光 源 。 1962年 美 國(guó) 科 學(xué) 家 利 思 （ Leith）和 烏 帕 特 尼 克 斯 （ Upatnieks） 將 通 信 理論 中 的 載 波 概 念 推 廣 到 空 域 中 ， 提 出 了離 軸 全 息 術(shù) 。 他 用 離 軸 的 參 考 光 和 物 光干 涉 形 成 全 息 圖 ， 再 利 用 離 軸 的 參 考 光照 射 全 息 圖 ， 使 全 息 圖 產(chǎn) 生 三 個(gè) 在 空 間互

7、相 分 離 的 衍 射 分 量 ， 其 中 一 個(gè) 復(fù) 制 出原 始 物 光 。 這 樣 ， 第 一 代 全 息 圖 的 兩 大難 題 宣 告 結(jié) 束 ， 產(chǎn) 生 了 激 光 記 錄 、 激 光再 現(xiàn) 的 第 二 代 全 息 圖 。 從 而 使 全 息 術(shù) 在沉 睡 了 幾 十 年 之 后 得 到 了 新 生 ， 進(jìn) 入 了 迅 速 發(fā) 展 年 代 ， 相 繼 出 現(xiàn) 了 多 種 全 息 方法 ， 并 在 信 息 處 理 、 全 息 干 涉 計(jì) 量 、 全 息 顯 示 、全 息 光 學(xué) 元 件 等 領(lǐng) 域 得 到 廣 泛 應(yīng) 用 。 由 此 可 見 ，高 相 干 度 激 光 的 出 現(xiàn) ， 是

8、 全 息 術(shù) 發(fā) 展 的 巨 大 動(dòng)力 。 由 于 激 光 再 現(xiàn) 的 全 息 圖 失 去 了 色 調(diào) 信 息 ， 人 們開 始 始 致 力 于 研 究 第 三 代 全 息 圖 。 第 三 代 全 息圖 是 利 用 激 光 記 錄 和 白 光 再 現(xiàn) 的 全 息 圖 ， 例 如反 射 全 息 、 像 全 息 、 彩 虹 全 息 及 模 壓 全 息 等 ，在 一 定 的 條 件 下 賦 予 全 息 圖 以 鮮 艷 的 色 彩 。 激光 的 高 度 相 干 性 ， 要 求 全 息 拍 攝 過 程 中 各 個(gè) 元件 、 光 源 和 記 錄 介 質(zhì) 的 相 對(duì) 位 置 嚴(yán) 格 保 持 不 變 ， 并

9、且 相 干 噪 聲 也 很 嚴(yán) 重 ， 這 給 全 息 術(shù) 的實(shí) 際 使 用 帶 來 了 種 種 不 便 。 于 是 ， 科 學(xué)們 又 回 過 頭 來 繼 續(xù) 探 討 白 光 記 錄 的 可 能性 。 第 四 代 全 息 圖 可 能 是 白 光 記 錄 和 白光 再 現(xiàn) 的 全 息 圖 ， 它 將 是 全 息 術(shù) 走 出 實(shí)驗(yàn) 室 ， 進(jìn) 入 廣 泛 的 使 用 領(lǐng) 域 。 目 前 已 經(jīng)開 始 取 得 進(jìn) 展 。 除 了 用 光 學(xué) 干 涉 方 法 記 錄 全 息 圖 ， 還 可用 計(jì) 算 機(jī) 和 繪 圖 設(shè) 備 畫 全 息 圖 ， 這 就 是計(jì) 算 全 息 (Computer-Genera

10、ted Hologram,簡(jiǎn) 稱 CGH)。 計(jì) 算 計(jì) 算 全 息 是 利 用 數(shù) 字 計(jì)算 機(jī) 來 綜 合 的 全 息 圖 ， 不 需 要 物 體 的 實(shí)際 存 在 ， 只 需 要 物 光 波 的 數(shù) 學(xué) 描 述 。 因此 ， 具 有 很 大 的 靈 活 性 。 全 息 術(shù) 不 僅 可 以 用 于 光 波 波 段 ， 也 可 以用 于 電 子 波 、 X射 線 、 聲 波 和 微 波 波 段 。實(shí) 際 上 ， 利 思 和 烏 帕 特 尼 克 斯 的 高 軸 全息 概 念 就 是 來 自 于 微 波 領(lǐng) 域 的 旁 視 雷達(dá) 微 波 全 息 圖 。 正 如 蓋 伯 在 他 榮 獲 諾貝 爾

11、獎(jiǎng) 時(shí) 的 演 說 中 所 指 出 的 ， 利 思 在 雷達(dá) 中 用 的 電 磁 波 長(zhǎng) 比 光 波 長(zhǎng) 10萬 倍 ， 而蓋 伯 本 人 在 電 子 顯 微 鏡 中 所 用 的 電 子 波長(zhǎng) 又 比 光 波 短 10萬 倍 。 他 們 分 別 在 相 差倍 波 長(zhǎng) 的 兩 個(gè) 方 向 上 發(fā) 展 了 全 息 照 相 術(shù) ，這 說 明 科 學(xué) 的 發(fā) 展 總 是 互 相 滲 透 ， 互 相影 響 的 。 二 、 實(shí) 驗(yàn) 原 理 1.全 息 圖 的 記 錄 ： RO ),(exp),(),( 00 yxiyxAyxO ),(exp),(),( yxiyxAyxR rr H 兩 光 波 疊 加 后

12、 ， （ x,y） 點(diǎn) 的 強(qiáng) 度 為 2),(),(),( yxRyxOyxI 22 ),(),( yxRyxO ),(),(),(),( * yxRyxOyxRyxO 式 中 第 一 項(xiàng) 、 第 二 項(xiàng) 為 物 光 和 參 考 光 的光 強(qiáng) ， 對(duì) H上 任 一 點(diǎn) （ x,y） ， 這 兩 項(xiàng) 為常 數(shù) 。 第 三 項(xiàng) 、 第 四 項(xiàng) 為 干 涉 項(xiàng) ， 反 映了 兩 相 干 光 的 振 幅 和 相 對(duì) 位 相 的 關(guān) 系 。可 見 在 底 片 H上 ， 干 涉 圖 樣 將 物 光 波 的 振幅 和 位 相 兩 種 信 息 全 部 記 錄 下 來 了 。 )(exp)(exp 0022

13、rrorroro iAAiAAAA 2.全 息 圖 的 再 現(xiàn) 若 感 光 干 板 H的 曝 光 和 顯 影 都 控 制 在 線 性部 分 （ 即 振 幅 透 過 率 t隨 曝 光 量 H的 變 化關(guān) 系 ） ， 則 感 光 干 板 H上 各 點(diǎn) 的 振 幅 透 過率 t(x,y)與 光 強(qiáng) I(x,y)成 線 性 關(guān) 系 ， 即 式 中 、 為 常 數(shù) ， 其 中 是 tH曲 線 線性 部 分 的 斜 率 。 為 了 重 現(xiàn) 物 光 波 ， 一 般 是 用 參 考 光 波 相似 的 光 照 射 全 息 圖 。 0( , ) ( , )t x y t I x y 0t 設(shè) 再 現(xiàn) 光 波 復(fù)

14、振 幅 為 則 透 過 全 息 圖 后 的 復(fù) 振 幅 分 布 為 其 中 ： ),(exp),(),( yxiyxAyxC cc ),(),(),( yxtyxCyxu ),(),(),(),( 4321 yxuyxuyxuyxu )exp(),( 01 cc iAtyxu )exp()(),( 222 ccro iAAAyxu )exp()(exp),( 3 oorcrc iAiAAyxu )exp()(exp),(4 oorcrc iAiAAyxu 以 上 討 論 表 明 ， 全 息 圖 相 當(dāng) 于 一 個(gè) 復(fù) 雜 的 衍 射光 柵 。 再 現(xiàn) 光 波 經(jīng) 全 息 圖 后 ， 透 射 光

15、 包 括 三 個(gè)不 同 的 部 分 ， 如 圖 所 示 ， 式 中 右 邊 的 第 一 項(xiàng) 和 第 二 項(xiàng) 與 再 現(xiàn) 光 波 只 相 差一 個(gè) 常 系 數(shù) ， 稱 為 直 射 光 或 0級(jí) 衍 射 波 ； C虛 像 實(shí) 像H 第 三 項(xiàng) 和 第 四 項(xiàng) 所 產(chǎn) 生 的 光 波 在 0級(jí) 衍 射波 的 兩 側(cè) ， 稱 為 +1級(jí) 和 -1級(jí) 衍 射 波 ， 當(dāng)取 再 現(xiàn) 光 波 與 參 考 光 波 相 同 即 時(shí) ， +1級(jí) 衍 射 波 準(zhǔn) 確 地 再 現(xiàn) 原 來 的 物 光波 （ 只 是 振 幅 大 小 有 變 化 ） ， 這 是 一 發(fā)散 波 ， 它 在 全 息 圖 后 面 形 成 了 與

16、 物 體 完全 相 同 的 虛 像 ， 稱 原 始 像 。 -1級(jí) 衍 射 波包 含 了 物 光 的 共 軛 波 ， 它 是 一 束 會(huì) 聚 波 ，其 會(huì) 聚 點(diǎn) 就 是 實(shí) 像 的 位 置 。 一 般 來 說 實(shí)像 有 畸 變 。 若 要 得 到 無 畸 變 的 實(shí) 像 ， 需用 一 束 與 參 考 光 波 共 軛 的 再 現(xiàn) 光 波 照 射全 息 圖 。 ),(),( yxRyxC 三 、 實(shí) 驗(yàn) 光 路 及 內(nèi) 容 1.實(shí) 驗(yàn) 光 路 玻 璃 面乳 膠 面 HM2 BSHeNe激 光 器 M1 全 息 照 相 的 拍 攝 與 再 現(xiàn) 實(shí) 質(zhì) 上 是 光 的 波前 記 錄 和 波 前 再

17、現(xiàn) 。 記 錄 的 是 物 光 和 參考 光 波 前 干 涉 條 紋 ， 再 現(xiàn) 的 是 1級(jí) 衍 射 光 。 2 實(shí) 驗(yàn) 內(nèi) 容 拍 攝 一 張 菲 涅 耳 全 息 圖 ， 使 用 天 津 產(chǎn) 全息 干 板 ， 其 分 辨 率 為 3000/mm。 經(jīng) 曝 光 后顯 影 (3分 鐘 )、 定 影 (5分 鐘 )、 干 燥 后 放原 底 片 夾 上 以 參 考 光 照 射 ， 看 其 再 現(xiàn) 的虛 像 。 3 光 路 的 調(diào) 整 與 操 作 光 路 中 各 元 器 件 要 調(diào) 節(jié) 共 軸 ； 參 考 光 、 物 光 兩 光 束 的 光 程 差 大 約 為零 （ 最 大 不 能 超 過 5厘 米

18、 ） ； 光 斑 擴(kuò) 束 大 小 要 適 中 ， 充 分 利 用 光 能 ，底 片 全 部 照 到 且 均 勻 為 宜 （ 約 cm） ； 光 路 調(diào) 整 好 后 ， 據(jù) 光 能 的 強(qiáng) 弱 確 定 曝光 時(shí) 間 ， 曝 光 時(shí) 間 用 曝 光 定 時(shí) 器 控 制 ； 關(guān) 閉 快 門 ， 裝 底 片 等 穩(wěn) 定 幾 分 鐘 后 開始 曝 光 ； 曝 光 后 的 底 片 顯 影 約 3分 鐘 ， 定 影 約 5分 鐘 ， 水 洗 后 涼 干 ， 即 可 看 再 現(xiàn) 像 。 4 注 意 事 項(xiàng) ： 由 于 整 個(gè) 操 作 過 程 中 都 在 暗 室 中 進(jìn) 行 ，請(qǐng) 大 家 務(wù) 必 要 注 意 安 全 和 安 靜 ； 全 息 拍 攝 過 程 式 中 最 怕 的 是 振 動(dòng) ， 在曝 光 的 時(shí) 侯 要 安 靜 ， 不 能 有 振 動(dòng) 。 祝 大 家 實(shí) 驗(yàn) 成 功