实验3.5 全息照相
实验目的
1.了解全息照相的基本原理；
2.掌握全息照相以及底片的冲洗方法；
3.观察物像再现。
实验器材
防震光学平台、氦氖激光器、曝光定时器及快门、扩束透镜（两个）、分束器、反射镜（两个）、全息Ⅰ型干版、显影液和定影液等暗房设备。
实验原理
1.全息记录
普通照相建立在几何光学透镜成像的基础上，它只反映了像与物的各点具有光强（振幅）分布的对应关系，而缺少光波的相位信息，因此它只是一个二维平面图像，不能获得逼真的立体图像。如果普通照相底片撕去一角，所记录的图像也就不完整了。全息照相是建立在波动光学干涉和衍射规律的基础上，它不仅记录光强分布的对应关系，而且记录了相位变化的信息，因此可以复现出原物的三维图像。同时，全息图中的每一个局部都包含了物体整体的光信息，因此，如果底片有缺损，也不会影响完整物像的再现。
全息摄影过程有两个步骤：第一步是“记录”过程；第二步是“再现”过程。下面我们分别予以介绍。
全息照片的拍摄是利用光的干涉原理，其基本光路如图3-13所示。氦氖激光经分束器G、反射镜M和扩束镜之后，一路成为参考光，另一路被物漫反射成为物光，二者照于感光板H上叠加产生干涉图。从物体上漫射的物光波，其振幅和相位受到物体的调制，振幅给出物体亮度的信息，相位给出物体位置和深度的信息。但相位信息不能直接被感光版H记录，而是通过与参考光的干涉，才把物光波阵面上各点的振幅和相位转换成空间上变化的强度分布，记录在感光版上。因为干涉条纹中包含着被摄物体光波振幅和相位的全部信息，所以经过显影、定影处理的感光版叫作全息图。
图3-13 全息照相光路
2.物光波阵面的再现
全息图如同一块复杂的光栅。如果用原参考光做照明灯，以原角度照射全息图，从另一侧迎着衍射光观察，在沿着照明光束方向传播的零级衍射光的一旁，必然出现一级衍射（图3-14）。此光束在相当于原物体位置聚成一个虚像，犹如从被摄物体发出的波阵面，可称物光波阵面的再现，这就是全息照相获得的非常逼真的立体像。另一个一级衍射，在全息图后会聚成实像，称作共轭像。
图3-14 用全息图再现物体光波
3.全息记录与再现的数学表达
设xy平面为全息感光版平面，物光和参考光在此平面的光场分布分别表示为
两式用复振幅同时表达了物光和参考光的振幅和相位的分布，而感光版平面上总的复振幅分布为O+R。感光版上的光强分布若省略（x，y），有
式中：R′和O′分别为R和O的共轭复数。
曝光量E关系曲线照相材料的感光特性曲线（图3-15）存在一个大致的线性范围。如果使曝光量E（x，y）在此范围内变化，则全息图的振幅透射率为
式中：T0为未曝光部分的透射率；β是取决于干版感光特性和显影过程的一个常量。
图3-15 透射率T与曝光量E
曝光量等于光强与曝光时间的乘积，即E=It代入式（3-4）得
这就是全息图的透射率分布函数。
在使用与原参考光相同的光波R从适当方向照射全息图的时候T′=T·R。将式（3-5）代入，得(https://www.daowen.com)
这里透射光波T′的每个分量都表示一个衍射级。
第一项为零级衍射波，是被衰减了的再现R光。
第二项是物光复振幅O乘以常量βtIR（IR=RR′），正是原始物光的再现，仍按原物光方向传播（是按一定比例重建的物光，所以再现光IR越强，再现像就越明亮），相当于一级衍射光。它是发散的，其延长线会聚于物体原来位置上，为虚像。
第三项βtRRO′，即
，它载有物光的共轭光波O′，是另一个一级衍射，与物光的相位相反，在两倍于参考光偏角的方向上会聚成共轭实像。
从以上分析并结合实际观察，可见全息照相除了具有逼真的三维立体感、全面的视差特性、景深范围较大和成像亮度可调的特点以外，还能够以局部全息图再现全部物像，并且可以在同一张干版上变换角度拍摄不同的景物，再转动全息图，从不同的角度顺序观察互不重叠的各幅物像。
4.白光再现全息图
（1）像平面全息图。一般全息图可认为是大量基元全息图的叠加，是一种复杂的光栅结构。在波前再现过程中，因为白光相干长度很短以及衍射光方向随波长变化决定了再现像点的位置也随波长而变化，所以不能用白光再现。但如图（3-16）所示，若用一个凸透镜使物成像在全息干版上，同时配合参考光，制成像平面全息图之后，即可用白光照明观察再现的像。此时像的位置不随波长变化，只是因光源方向不同，像的颜色会有变化。这种全息图虽然再现像立体效果不佳，但在信息处理等技术上仍有应用价值。
图3-16 像平面全息图的拍摄光路
（2）一步彩虹全息图。彩虹全息图实质上也是一种像面全息图。不同的是拍摄一步彩虹全息图时，在物和干版之间加一个狭缝，并且透镜成的实像可以离开干版一段距离，所以再现立体效果比像平面全息图要强一些。在此可使狭缝紧靠透镜，取铅直方位。缝宽没有严格限制，可在0.5～8mm之间选择。
图3-17 用单色光再现彩虹全息图
图3-18 用白光再现彩虹全息图
设想以波长为λ1的再现光按记录时的参考光方向入射到全息图上（图3-18），观察者既能见到物的像又能见到狭缝的实像Is1。看到像点O′1的条件是瞳孔位于从Is1发射的衍射光场中，最佳观察位置是瞳孔恰好在Is1处，如隔窗观景，越近窗口视野越大。同理，对于波长为λ2的再现光，则因衍射角的变化得到错开位置的像点O′2和缝像Is2（图3-18）。如此推广，白光被全息图衍射后即形成一簇从红到紫连续错开排列的彩色物像和色彩分立的狭缝实像。由于狭缝像限制了衍射物光的传播方向和观察范围，观察者的瞳孔对准某一狭缝像只能看到一个准单色物像，所以狭缝起了滤波器的作用，有了它，彩虹全息图才可以用白光再现。但是因视角受透镜孔径限制，狭缝又只允许一定方向和范围的物光通过，所以再现像只保留了沿狭缝方向的透视效果。
实验要求
（1）先熟悉实验室布局和暗室设备，了解全息干版的装夹方法，曝光定时器和各种光学元件支架的调节和使用方法。
（2）检查全息实验台的防震性能。用分束器、反射镜和扩束镜等组成无补偿板的迈克耳孙干涉仪光路，在保持室内安静的条件下，屏上干涉条纹的漂移量在曝光时间内以不超过1/4条纹间距为限。如过大，应分析原因，采取稳定措施。
（3）参考图3-13布置光路时做好以下调节：
①使各光学元器件中心等高，物光和参考光的光程大致相等，光程差控制在3cm以内。
②投射于感光版上的物光与参考光之间的夹角可在20°～45°之间选择，观察再现像，宜尽量避开刺眼的直射强光。
③照射到全息干版上的物光和参考光光强相差不要太悬殊。因一般被摄物的漫反射率不高，投射到H面上的物光就相对偏弱，所以要选择分束比合适的分束器，让较强的光照在物上。为比较物光和参考光的强度，在干版架上置一白屏，并调节与屏的距离，使二路光强尽量达到1∶4左右。
（4）曝光和冲洗按以下步骤进行：
①接通曝光定时器，选定曝光时间。使用1～2mW的激光器，预定曝光时间30s左右，视物的大小及其反射本领酌情增减。
②在黑暗中或较远处的暗绿色安全灯下把全息干版夹在干版架上（必须是感光乳剂面朝向被摄物体），接通激光器电源，保持肃静一两分钟后即可进行曝光。
③把感光后的干版放在显影液中显影2～3min（显影液温度20℃），再放入停显液中约20s（或用清水漂一漂），然后定影5min，可在暗绿灯下操作。定影后的底片应在水池中把残留药液冲洗掉，再晾干。
（5）波前再现的观察。如图3-14所示，让再现光以原参考光束对干版的方位射向全息图，从它的背面观察，在原物所在方位即发生波前再现，可见一个三维虚像。试验并解释局部遮挡对成像的影响，再试以原参考光的共轭光（会聚光或直接用来扩束的激光束）从全息图的背面入射，在另一侧用毛玻璃或白屏寻找实像并记录其相对位置。
（6）补充练习——拍摄白光再现全息图。如选择一步彩虹全息图，物置于透镜物方焦距（f≈10cm）以外。在屏上出现适当大小的清晰物像之后，再把干版架向前（或向后）挪动3～10mm。紧靠透镜置一约5mm宽的缝光栏，调节物光和参考光强度适当后即可拍摄，或在教师指导下，拍摄一张像平面全息图。
注意事项
眼睛绝不可直视未扩束的激光束，以免造成视网膜的永久损伤。