中国民航大学：《大学物理实验》课程教学资源（PPT课件讲稿）全息照相

全息照相

全 息 照 相

前言 全息照相，就是利用干涉方法将自 物体发出光的振幅和位相信息同时完全 地记录在感光材料上，所得的光干涉图 样在经光化学处理后就成为全息图，当 按照所需要的光照明此全息图，能使原 先记录的物体光波的波前重现。这是六 十年代发展起来的一种新的照相技术， 是激光的一种重要的应用

前 言 全息照相，就是利用干涉方法将自 物体发出光的振幅和位相信息同时完全 地记录在感光材料上，所得的光干涉图 样在经光化学处理后就成为全息图，当 按照所需要的光照明此全息图，能使原 先记录的物体光波的波前重现。这是六 十年代发展起来的一种新的照相技术， 是激光的一种重要的应用

[实验目的] 1、学习和掌握全息照相的基本原 理；n 2、掌握全息照相的实验技术； 3、了解全息图的基本性质、观察 并总结全息照相的特点

[实验目的] 1、学习和掌握全息照相的基本原 理； 2、掌握全息照相的实验技术； 3、了解全息图的基本性质、观察 并总结全息照相的特点

[实验原理] 普通照相是把从物体表面上各点发出的光（反射 光或散射光)的强弱变化经照相物镜成像，并记录在 感光底片上，这只记录了物光波的光强（振幅）信息， 而失去了描述光波的另一个重要因素一位相信息， 于是在照相底片上能显示的只是物体的二维平面像。 全息照相则不仅可以把物光波的强度分布信息记 录在感光底片上，而且可以把物波光的位相分布信息 记录下来，即把物体的全部光学信息完全地记录下来， 然后通过一定方法重现原始物光波既再现三维物体的 原像。这就是全息照相的基本原则，由三维物体所构 成的全息图能够再现三维物体的原像

[实验原理] 普通照相是把从物体表面上各点发出的光（反射 光或散射光）的强弱变化经照相物镜成像，并记录在 感光底片上，这只记录了物光波的光强（振幅）信息， 而失去了描述光波的另一个重要因素——位相信息， 于是在照相底片上能显示的只是物体的二维平面像。 全息照相则不仅可以把物光波的强度分布信息记 录在感光底片上，而且可以把物波光的位相分布信息 记录下来，即把物体的全部光学信息完全地记录下来， 然后通过一定方法重现原始物光波既再现三维物体的 原像。这就是全息照相的基本原则，由三维物体所构 成的全息图能够再现三维物体的原像

全息照相的基本原理是利用相干性好的参考 光束R和物光束O的干涉和衍射，将物光波的振幅 和位相信息以干涉条纹的形式记录在感光底片上。 在底片上所记录的干涉图样的微观细节与发自物 体上各点的光束对应，不同的物光束（物体）将 产生不同的干涉图样。因此全息图上只有密密麻 麻的干涉条纹，相当于一块复杂的光栅，当用与 记录时的参考光完全相同的光以同样的角度照射 全息图时，就能在这“光栅”的衍射光波中得到 原来的物光波，通过全息图片就能看见一个逼真 的虚像在原来放置物体的地方（尽管原物体己不 存在)，这就是全息图的物光波前再现

全息照相的基本原理是利用相干性好的参考 光束R和物光束O的干涉和衍射，将物光波的振幅 和位相信息以干涉条纹的形式记录在感光底片上。 在底片上所记录的干涉图样的微观细节与发自物 体上各点的光束对应，不同的物光束（物体）将 产生不同的干涉图样。因此全息图上只有密密麻 麻的干涉条纹，相当于一块复杂的光栅，当用与 记录时的参考光完全相同的光以同样的角度照射 全息图时，就能在这“光栅”的衍射光波中得到 原来的物光波，通过全息图片就能看见一个逼真 的虚像在原来放置物体的地方（尽管原物体已不 存在），这就是全息图的物光波前再现

全息照相分两步，第一 步是波前记录（如图12-1所 示)。设H(X,y)平面为 全息干板记录平面，底片 上一点(x,y)处物光束O 和参考光束R的复振幅分布 分别为O。(x,y)和RX,y): 图12-1全息图记录 O(x,y)=O,(x,y)expljpo(x,y) R(x,y)=Ro(x,y)expljoR(x,y)]

全息照相分两步，第一 步是波前记录（如图12-1所 示）。设H（x, y）平面为 全息干板记录平面，底片 上一点（x, y）处物光束O 和参考光束R的复振幅分布 分别为Oo (x, y)和Ro (x, y)： 图12-1 全息图记录 ( , ) ( , ) exp[ ( , )] ( , ) ( , ) exp[ ( , )] R x y R x y j x y O x y O x y j x y o R o O   = =

由于它们系相干光束，所以物光和参考光在底片上相 干迭加后的光强分布为： I(x,)=O(x,y)+R(x,y)2 =o(x,y)+R(x.)2 (12-2) +O(x,y)R(x,y)+O"(x,y)R(x,y) 若全息干板的曝光和冲洗都控制在振幅透过率随曝 光量EE=(光强)×（曝光时间）]变化曲线的线性部分， 则全息干板的透射系数tx,y)与光强/K,y)呈线性关系，即 t(x,y)=to+Bl(x,y) (12-3) 其中to为底片的灰雾度，B为比例常数，对于负片B<0, 这就是全息图的记录过程

由于它们系相干光束，所以物光和参考光在底片上相 干迭加后的光强分布为： (12-2) 若全息干板的曝光和冲洗都控制在振幅透过率t随曝 光量E[E=（光强）×（曝光时间）]变化曲线的线性部分， 则全息干板的透射系数t(x,y)与光强I(x,y)呈线性关系，即 t(x,y)=to+βI(x,y) (12-3) 其中to为底片的灰雾度，β为比例常数，对于负片β＜0， 这就是全息图的记录过程。 ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) 2 2 2 O x y R x y O x y R x y O x y R x y I x y O x y R x y   + + = + = +

第二步波前再现。若用光波P照明全图， 在全息图(×，y)点处该光波的复振幅为Po(X, y),于是该光波用下式表示： P(x,y)=P(x,y)exp[jpc(x,y)] (12-4) 全息照片 激光束 图12-2 0级 全息图虚 +1级 级 像和实像 的观察 虚像 实像

第二步波前再现。若用光波P照明全图， 在全息图（x, y）点处该光波的复振幅为Po(x, y)，于是该光波用下式表示： (12-4) 图12-2 全息图虚 像和实像 的观察 P(x, y) P (x, y) exp[ j (x, y)] = o  c

则透过全息图的光波在x-y平面上的复振幅分布为： D(x,y)=P(x,y)t(x,y)=to P(x,y)+BP(x,y)1(x,y) =,Pcx,y)+P(x,ox,P+Rx, (12-5) +BP(x,y)O(x,y)R"(x,y) +BP(x,y)O"(x,y)R(x,y) 这式中第一、二项代表的是强度衰减了的照明光P的 直接透射光，亦称零级衍射光。第三项中，当取照明光和 参考光相同时，即Px,y=R仪，y,则再现光波为 D3(x,y)=BO Rg exp[je(x,y)] (12-6)

则透过全息图的光波在x-y平面上的复振幅分布为： (12-5) 这式中第一、二项代表的是强度衰减了的照明光P的 直接透射光，亦称零级衍射光。第三项中，当取照明光和 参考光相同时，即P(x, y)=R(x, y)，则再现光波为： (12-6)   ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) 2 2 P x y O x y R x y P x y O x y R x y t P x y P x y O x y R x y D x y P x y t x y t P x y P x y I x y o o   + + = + + = = +     ( , ) exp[ ( , ) ] 2 3 D x y O R j x y =  o o  o

RO2(X,y)=实常数。因此这一项正比于O(X, y),即除振幅大小改变外，具有原始物光波的一切 特性，波前发射形成物体（在原来位置上）的虚像 （如图12-2所示)，如用眼睛接收到这样的光波， 就会看到原来的“物”一原始像，通常把原始像 的衍射光波称为+1级衍射波。 当照明光与参考光的共轭相同时，即P(仪， yW=R*仪，以，第四项有与原始物共轭的位相， D4x,y)=fO。Ro expl-jp(x,y)川 (12-7) 这意味着这一项代表六个实像，它不在原来的方向 上而是有偏移，称之为“共轭实像”（如图12-2所 示)。通常把形成其共轭像的光波称为-1级衍射 波

RO2 (x, y)=实常数。因此这一项正比于O (x, y)，即除振幅大小改变外，具有原始物光波的一切 特性，波前发射形成物体（在原来位置上）的虚像 （如图12-2所示），如用眼睛接收到这样的光波， 就会看到原来的“物”——原始像，通常把原始像 的衍射光波称为+1级衍射波。 当照明光与参考光的共轭相同时，即P (x, y)=R* (x, y)，第四项有与原始物共轭的位相， (12-7) 这意味着这一项代表一个实像，它不在原来的方向 上而是有偏移，称之为“共轭实像”（如图12-2所 示）。通常把形成其共轭像的光波称为 -1级衍射 波。 ( , ) exp[ ( , ) ] 2 4 D x y O R j x y =  o o −  o