彩虹全息照相

【摘 要】彩虹全息照相是激光全息照相的一种,是利用干涉法将自物体发出的光振幅和位相同时记录下来的图像.当全息图被一束相干光照明（衍射）时,它将重现宛如物体存在时一样的波阵面,即物体被再现出来.

【关 键 词】全息照相；干涉；再现

【中图分类号】G【文献标识码】A【文章编号】1005-1074(2009)05-0262-02

1引言

全息照相的实质在于来自物体的光波同与之相干的参考光波在照相地板上叠加而发生干涉.因此,全息图就是一幅复杂的双束干涉图.它不但把物体波所反映的振幅信息保存下来,同时也把位相信息保存下来,所以再现时,就可以看到逼真的三维立体像.当用白光再现时,眼睛通过狭缝观察时,成像光束发生衍射,白光产生色散,所以出现了犹如彩虹一般的七.

2原理

2.1成像如图1,xy平面为全息底板H的平面,Rexp(-i2πvy)为参考光束在该平面的振幅,物光振幅为O(x,y),两波在xy面上叠加后振幅分布为：

Rexp(-i2πvy)U（x,y)等于Rexp(-i2πvy)+O(x,y)（1）

式中v为参考光的空间频率,v等于sinθλ.

光强分布为：I（x,y）等于［Rexp(-i2πvy)+O(x,y)］［Rexp(-i2πvy)+O(x,y)］*

等于R2+│O（x,y）│2+RO(x,y)exp(i2πvy)+RO*(x,y)exp(-i2πvy)（2）

式中第一项“R2”取决于参考光的强度,它构成底板上均匀的背景,第二项│O（x,y）│取决于物光的强度,他在底板上随位置不同而异.在大多数情况下,第一项数值都比第二项大的多.后两项包含两相干光的振幅和相对位相的光强分布.第三项包含物光的复振幅,第四项包含物光复振幅的共轭项.因此全息干板记录了干涉场的光强分布,从而记录了物光信息.在一定的条件下,经过线性处理后,我们便得到记录了干涉场光强分布的全息图.底板上各处的振幅投射率正比于原来时底板上相应各处的光强度I(x,y),底板上的投射率可写为：

T(x,y)等于TR+K[│O（x,y）│2+RO(x,y)exp(i2πvy)+RO*(x,y)exp(-i2πvy)]（3）

将上式四项写为：T1等于T2

T2等于K│O(x,y)│2

T3等于KRO(x,y)exp(i2πvy)

T4等于KRO*(x,y)exp(-i2πvy)（4）

2.2再现使波再现时（如图2）用一个相干波（复现波）B从一定方向照射全息图,从另一个方向来看.透过全息图的光有四个不同的分量,每一分量与（4）式中的一项对应

U1等于TRB

u2等于KB│O(x,y)│2

u3等于KBRO(x,y)exp(i2πvy)

u4等于KBRO*(x,y)exp(-i2πvy)（5）

u1是被全息投射率TR衰减的照明光波B的重现.u2是随空间变化的,它包含与光轴成各种角度的各平面波.u3正比于原来的物波阵面O并乘以一个线性的指数因子.u4正比于O的共轭波阵面O*,对应于初级像的共轭像.

再现时通常使用原参考光或者原参考光的共轭光波.当用光为再现光时,由（2）式可知再现光中便有了：

Ic∝Rexp(-i2πvy)O(x,y)Rexp(i2πvy)等于O(x,y)（6）

即再现光中有物光的复振幅,从而达到再现的目的.当用,即参考光的共轭光再现时,由（2）式,再现光中有：

Ic'∝Rexp(-i2πvy)O*(x,y)Rexp(i2πvy)等于O*(x,y)（7）

3实验数据处理

3.1调整实验仪器彩虹全息拍摄的拍摄有“合成法”、“三步法”和“一步法”.一步彩虹全息拍摄光路有两种,一种称赝像彩虹全息图,另一种称为真像全息图.两者的区别主要在于狭缝位置不同及参考光是会聚还是发散等,再现的效果也不同.赝视像表现在原物突出部分在视像中是凹进去的.若记录的物体时三维的,则再现物的前后位置正好相反,因而这一光路适合对二维平面物进行记录.所以本实验中采用的光路是真像彩虹全息光路（见图3）.缝S1的位置靠近被摄物体,对整个物光和视场的限制作用较大.成像透镜与物和干板的距离刚好是透镜焦距的二倍,它对于物体和狭缝均成倒立等大的实像.当物像不在干板上时,狭缝宽度越小,再现像的色模糊也越小.但狭缝太窄的话,缝的衍射效应引起的像模糊将大大增加,一般缝宽取10mm左右.参考光采用发散光束.再现时,采用与参考光束同方位的发散点光源.但是,这种光路所记录的彩虹全息图视场比赝像记录光路更受成像透镜相对孔径的限制.改善方法是使用大口径短焦距的成像透镜,或把两透镜串联起来使用,可增大相对孔径,改善这种限制.

3.2拍摄、洗像首先配制显影、定影药水.由于这一过程在拍摄之前进行,依拍摄过程所需时间而定,水温要稍高些.然后是拍摄,光路调整完毕,切断光源,将屏换下,装上全息干板（胶面面相光射来的方向）.打开光源,10-15秒后,切断光源,将干板取下,进行冲洗.全息干板在显影时要边洗边观察,底片颜色不能太深,拿出用清水冲净,放入定影液中定影10～15分钟,吹干即可.

图1轴全息照相的记录图2轴全息照相的再现

图3真相彩虹全息记录光路图4彩虹全息再现

3.3再现如图4,将全息干板按拍摄时的方向和位置重新装好,用记录时的激光再现时,通过再现时的狭缝的实像就可以观察到所记录物体的明亮虚像.如果用白光再现时,眼睛沿着狭缝垂直方向移动观察时,就可以看到彩虹七色全息图像.若是再现时,干板方向装反,即胶面背向光射来的方向,会呈现原像的共轭像,就是说和没有装反时相比较位置稍偏,且像较为模糊,无太大影响.

4总结

在实验过程中要注意以下几方面.由于本实验中仪器使用较多且光路较为复杂,调整仪器组需要很多的耐心和细心,所以仪器和光路的调整需要较长的时间.在调整光路时,物光光程和参考光光程的差值越小越好,最好趋近于0,最大也不要超过1cm,否则影响实验效果.同时,参考光不可以过强,基本上与物光光强差不多即可.而成像透镜（凸透镜）的焦距测量用自准值法,测量的误差较大,建议使用更精确的测量方法（如共轭法）,效果会更明显.