【实验原理】

【实验原理】

1.全息记录

由光的振动理论可知，物体上某一点发出的球面波可以表示为A（x，y）exp［iφ（x，y）］，其中A 为振幅，表示物光的光强分布，φ 表示物光在空间各点的位相分布。振幅和位相反映了物光的全部信息。普通照相记录的是物体的光强分布，无法记录物体的位相信息，因而无法反映物体表面的凹凸状态，所以只能显示物体的平面像。

如何才能同时记录物光的振幅和位相等全部信息呢？我们知道，两光波干涉，其干涉条纹的明暗对比度及形状反映出这两列相干光波之间的振幅和位相关系。因此可用干涉方法，以干涉条纹的形式把物光的全部信息记录下来。

设物光O 与法线成θ 角入射到感光底片H 上，同样波长的平面参考光波R 垂直入射，如图3-16所示。两光波阵面相交形成等位相面，波峰叠加产生干涉极大条纹，从图3-16中几何关系可得干涉条纹间距

这些干涉条纹是否包含物光信息呢？我们再作进一步理论分析。在感光底片所在平面上，设物光为

与同波长的规则（不一定是平面波且不一定垂直入射）参考光

发生干涉，两光波叠加，其光强分布可用合成光波的复振幅模的平方表示

式（3-19）中第一项是物光光强，第二项是参考光光强。如果使规则的参考光比物光强许多，那么这两项在记录平面上构成较为均匀的背影。第三项是干涉项，包含着物光的振幅A0和位相φ0等全部信息。其中2A0Ar，因子与的比值决定了（x，y）点附近的干涉条纹的明暗对比度；cos（φ0-φr）因子则决定了（x，y）点附近的干涉条纹的分布状况。因此底片上记录下来的干涉条纹光强分布包含着物光的振幅和位相等全部信息。

物体有一定的大小，若要清晰地记录物体各部分的干涉条纹就应选用相干性能好的激光作光源。由式（3-18）可估计出干涉条纹间距的数量级。若用He-Ne激光，波长λ=632.8nm。当θ≈45°时，有d≈10-3mm，可见条纹极细密。这就要求全息记录时使用分辨率（1/d）较高（大于1000 条/mm）的特殊底片。普通照相底片分辨率约100 条/mm，不能用于全息记录；同时要求在曝光时间内，外界振动等因素引起的条纹移动不得超过1/4条纹间距，否则条纹模糊不清。因此全息记录所用设备和环境应十分稳定。由于条纹间距与两相干光的夹角有关，夹角越大，条纹越细密，为保证条纹在底片上能被清晰分辨，物光与参考光的夹角θ 小于某个数值。

图3-17是一种全息记录常用的光路图。激光经分束镜P透射和反射后，分为两束相干光，透射光经反射镜M1反射、扩束镜L1扩束后照射到物体上，再被物体漫反射到底片H上，这束光就是物光O；反射光经M2反射、扩束镜L2扩束后直接照射到H 上，这束光就是参考光R。物光和参考光在底片上发生干涉并被记录下来。

经曝光冲洗后的底片，在显微镜下能观察到一幅与被摄物形象完全不相似的极细密、复杂的干涉图样，这就是全息图。综上所述，全息记录利用的是光的干涉原理。

2.全息再现

怎样才能从全息图上取出物光信息呢？由于全息图上记录的是干涉条纹，因此可以看成一个复杂的光栅，而透过光栅的衍射光波，其振幅、位相与光栅图样有关。也就是说透过全息图的衍射光波携带着物光的振幅和位相等全部信息。

由照相技术知道，如曝光和显影恰当，底片的光波透过率t与曝光时光强I 呈线性关系

式中：t0和β 是由底片性质决定的常数。

如选原参考光作再现光，且光源位置不变，入射全息图片，则透射光波为

上式中第一项不含物光位相信息，沿再现方向传播，为零级衍射光；第二项正比于物光O，好像从被摄物体发出，正是这一光波，可再现与物体完全逼真的三维立体虚像，这是+1级衍射光；第三项包含物光共轭光O*和复数因子R2，这一光波在一定条件下会形成一个畸变的与实物的凹凸完全相反的共轭实像，这是-1级衍射光。

图3-18是简单的全息再现光路，其中H 是全息图片，R 是再现光。从图中可以看出，±1级衍射光分别位于零级衍射光两侧，只有当这两束衍射光分离足够大的角度，避免较强的零级衍射光的干扰，才易于观察到全息再现图样。这样，记录时要求物光与参考光的夹角θ 不要太小。综上所述，全息再现利用了光的衍射原理。

3.全息照相主要特点

（1）可再现与物体完全逼真的三维立体虚像。从不同角度观察全息图，可以看到物体的不同侧面，具有明显的立体感。

（2）可分割。全息图片的任一小片均可再现出完整的物体形象（只是分辨率下降）。因为全息图上每一点都接受来自物体表面上各点反射出的光波，因而全息图上每一小片都记录着来自整个物体表面的全部信息，再现时，这一小片全息图的衍射光也包含了物体各部分的全部信息。

（3）可多重记录。一张全息底片可进行多次曝光记录，再现像也不会发生重叠。方法：再次拍摄前将底片转动一个小角度（或改变参考光的入射角，或改变物体的位置），再现时只要适当转动全息底片即可。