实验六 用二步法拍摄彩虹全息图

实验六 用二步法拍摄彩虹全息图
一、实验目的
（1）知道彩虹全息图可以用白光再现的原理。

（2）了解母全息图的拍摄特点及减小母全息图再现像的波像差技术。

（3）掌握二步法拍摄彩虹全息的方法。

（4）了解空间信息通道的原理。

二、原理概述
1．什么是彩虹全息
离轴全息图不能用白光再现的原因是因为色模糊造成的，为了在像面全息图的基础上进一步减小像全息图的色模糊，人们发展出了彩虹全息图。

所谓彩虹全息图实际上是在同一张干板上，同时拍摄记录下了两个物体的全息图，其一是物体的像面全息图，另一是一条距干板为明视距离(通常为25cm)的矩型狭逢的离轴全息图，如(图6-1)所示。

彩虹全息的出现开创了全息显示技术，用白光再现的全息图主要用来显示物体的三维形像，故叫做显示全息，它是别的显示方法不能代替的。

彩虹全息再现时，物体的实像浮在干板上，
狭逢的实像呈现在干板前。

观察时人眼只有通过
狭逢实像，才能看到物体的像，狭逢实像起了一
个限制观察视角的作用（信息通道作用）。

由于是
用白光再现，所以每一个波长的光都能再现出一
个物像和狭逢实像，它们具有不同颜色。

它们一
一对应，通过某一颜色的狭逢，只能看到同一颜
色的物体。

由于狭逢在干板前的位置较远，所以
错开位置也较大(即色散较大)，这样更易把不同颜色的狭逢实像分离而不重合，也就达到了把物像也分开的目的。

这样就在更大的成度上消除了色模糊，实现了白光再现。

由于可以看到由红到紫的物体图像，就似彩虹一样，这就是彩虹全息的由来。

因为要成像于干板上，按成像方法的不同可分为一步法和二步法。

2．拍摄彩虹全息图时狭缝物像位置的计算
当参考光和再现光都是平行光时，狭缝的物像的位置坐标公式为
μ
O I l l ±= (6-1) ⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛±=R C O O I l x x ααμcos cos 1 (6-2) ⎪⎪⎭⎫
⎝⎛±=R C O O I l y y ββμcos cos 1 （
6-3)
(图6-1)用白光再现彩虹全息图
式中O α，O β为物光的两个方位角，R α，R β为参考光的两个方位角，C α，C β为再现光的两个方位角，I α，I β为再现像光束的三个方位角。

这是全息定量计算时所需要的主要公式。

切记！
3．全息图再现像的波像差问题
透镜成像有像差存在，这是因为透镜本不是理想光学系统(只考虑了近轴光线)。

全息成像系统也非近轴球面波系统。

但在本章第六节推导全息图再现像与物的关系时，我们却把它看作了近轴球面波系统(利用了菲涅尔近似，忽略了31i l 以上的项)，才得到各点的相位分布函数。

对真实全息成像系统，高次项总是存在的，它们就不是近轴球面波，所有的相位分布函数就和近轴球面波的不一样，这种空间相位差别，即理想波阵面和真实波阵面的差别，就用波像差来描述。

几何光学中像差是实际光线的成像位置与理想像点的位置之差。

两者表述方式不一样，但实质是相同的，故能找到类似之处。

具体讨论参见教学平台中PPT 中相关内容。

在拍摄显示全息图片时，为确保图片的质量，常采用平行光做参考光和再现光，并常使参考光和再现光的波长相同，这时虽无放大倍数但像的质量最好，若需要实像应采用共轭参考光再现。

在需要放大倍数时，也应采用平行光再现，并使它们的方位角相同，让放大倍数主要来自不同的波长，方能使像差最小。

三、实验仪器及注意事项
光学平台 一张 He-Ne 激光器 一台
分束镜 一块 全反射镜 两块
光学镜架 三个 扩束镜 二个
准直镜 一个 狭缝 一个
干板架 一个 全息干板 一块
照度计 一个
注意事项：
（1）不要自己调整激光器！！
（2）不能让激光束直接照射眼晴，同时也要防止较强的反射光进入眼晴，否则会严重损害视力。

（3）所有光学镜片，不能用手摸，不能对着哈气。

用后放入干燥箱内。

如果发现有不清洁现象，应交教师处理。

（4）遵守暗室规则。

化学处理在教师指导下进行。

四、实验内容
1．用二步法拍摄彩虹全息图
用二步法拍摄彩虹全息图，应先用银盐干板拍摄一张物体的普通离轴全息图，用它作为母全息图H 1。

拍摄时用共轭参考光再现物体图像，在H 1前面放置一条状狭缝，这样把二
维图象记录到干板H 上，这就是物光O ，另用一束平行光R 作参考光，所构建拍摄光路如(图6-2)所示。

若再现光与共轭参考光相差太大，再现实像的波
像差较大（这可以和用透镜成像进行比较而察觉）。

故在设计拍摄光路时一定要特别注意，应尽可能地让
再现光接近共轭参考光，才能减少再现像的波像差。

二步法还有一个缺点，就是它的噪声总较透镜成像法
大，故在某些要求较高像质时，此法不可取。

二步法的优点是拍摄时它的光能利用率较一步
成像法为好，故无须太大功率的激光器，也无须大口
径的成像透镜，故所需投资较小。

①在构建拍摄光路前应对光学平台的防震性能进行检查，并测量激光器的输出功率，检查输出光斑图样（一般由指导老师负责）。

②在构建光路时，尽可能做到让参考光和物光的光程相同(此光程指由分束镜起到记录干的光程)。

③光路构建好后，应再次检查所有支架的紧固螺定是否锁紧。

④遮住参考光检查母全息图成像的情况，并调整之使其达到要求（清晰、位置等）。

⑤用照度计测物光照度，遮住物光测参考光照度，调整物光或参考光强使参物比接近八比一(对于散射物体采用较强的参考光，有利于弱散斑的信息放大)；
⑥依干板特性曲线(即测定衍射效率曝光量曲线)，选择恰当的曝光量（天津—I ，曝光量为220-240lx ）。

测量总照度，依曝光量确曝光时间。

⑦设置并试用曝光定时器，遮住激光束，安装干板，静台十五分钟。

⑧打开激光束按曝光时间进行曝光。

⑨曝光结束后用暗盒装好干板，在教师指导下，在暗室中作化学处理，选择恰当的显影时间(约束80-100秒。

不适宜用延长曝光时间来增加黑度，这对减小噪声有利)。

⑩将干板干燥后保存，以备再现使用。

2．彩虹全息图的再现
用白点光源或太阳光对彩虹全息图再现，对再现像做出评价（噪声、观察视角、色彩等）。

五、思考问题
（1）彩虹全息图再现像的单色性与什么因素有关？
（2）彩虹全息图拍摄时为什么一定要用共轭参考光再现？
（3）怎样提高彩虹全息图的衍射效率？
（4）彩虹全息的视角由哪些因素决定？
（5）彩虹全息的色彩由什么因素决定？
(图6-2)二步法拍摄彩虹全息图。