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

μ (6-2) ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛±=R C O O I l y y ββμcos cos 1μ （6-3) 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

(图6-1)用白光再现彩虹全息图

两个方位角，

α，Iβ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。

I

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3

1i 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H1。拍摄时用共轭参考光再现物体图像，在H1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(图6-2)二步法拍摄彩虹全息图

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）。