实验十六 彩虹全息图的制作
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128 实验十六 彩虹全息图的制作
实验目的
制作彩虹全息图并在白光下观察其再现像。 实验方法
第一步:对被照物体制作一个普通的全息图H 1,叫母全息图,见图1。 第二步:将已做好的全息图H 1用R 1*照明再现物体实像,利用此实像作为物(物光),加上参考光R 2及狭缝制作出第二块全息图H 2。
这第二块全息图H 2,具有彩虹的性质,也就是在用R 2*再现时,眼睛放在狭缝位置上可以看到物体的像,若在白光下再现,人眼沿着与狭缝垂直的方向改变观察方向,可看见不同颜色、五彩缤纷的像,如图2所示。 实验光路如图3所示。
实验步骤
(制母板步骤省略)
1.首先按图3调好光路。 2.放上已作好的母全息图,用R 1*再现原物体实像,可在实像处放一毛玻璃观察。(这时可挡掉R 2)。
3.挡住物光,调节参考光R 2,使参考光R 2与物光波光强比约为3:1。(可调连续分束镜或在参考光路中放置衰减镜)。
4.挡住光源,在实像面处放上全息干板,待稳定后进行曝光。曝光时间,He -Ne 激光器功率40mW ,天津Ⅰ型全息干板为20秒左右,GYT 型干板为90秒左右。
全息干板
图1 母全息图
图2 第二块全息图
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5.经显影、定影和漂白后的干板在白光下观察其再现现象。 注意事项
1.狭缝大小和方向的选择:
狭缝大小选取由虹全息来说希望越窄越好。越窄色彩越纯,但太窄物光强太弱,不便观察,也不容易拍照。至于狭缝方向水平放置与垂直放置均可,只是观察时移动方向不同,依习惯而定。
2.制作彩虹全息图时,参
考光与物光光强比约为3:1。且参考光与物光夹角不宜过大,以免影响衍射效率。
3.观察彩虹全息图的再现像应注意再现条件:白光方向必
须是R 1*的方向,再者人眼须刚好置于狭缝原位置。
4.母全息图的制备可参考全息照相实验,为了便于再现实像和制作虹全息图,制作母全息图时物光与参考光的夹角不能太小,例如应在60︒以上,物与干板的距离也应适当选择。 实验原理
下面我们稍微定量地讨论基元彩虹全息图的记录与再现。由于分析的记录光路是线性的,若只考虑一个物点I 0(x 0,y 0,z 0)即再现实像上的一点并
不失去其普遍性。在记录过程中,令记录所用的单
色光波长为λ,参考光的发散点是R (x r ,y r ,z r )。选择空间直角坐标系的x -y 平面在记录干板的药
膜面上,坐标原点与干板中心重合。如图4所示。
设在记录干板上物光和参考光的复振幅分别是U 0(x ,y )和U r (x ,y ),两者所形成的干涉图样的光
强分布是
*
00*2
202
0),(U U U U U U U U y x I r r r
r
+++=+= (1)
上式*号表示共轭复数。假设记录过程是线性的,彩虹全息图的振幅透射率t (x ,y )正比于
I (x ,y ):
)(),(*
00*2
2
U U U U U U K y x t r r r
+++= (2)
当处理好的虹全息图放回原记录位置,用波长为λ' ,发散点为R (x r ,y r ,z r )的单色光照
明,就能再现出物点的全息像I (x I ,y I ,z I ),物点与全息像点的关系由下面的式子给出:
R 2狭缝H 1H 2
R 1*He -Ne 激光器
透镜反射镜反射镜
反射镜扩束镜扩束镜
准直镜(母全息干板) 图3 实验光路
I (x ,y ,z )R (x ,y , z )
H x
y z
0 0 0 0
r r r
图4 全息图的记录
U 0
U r
130
1
) 1(11z z z r i ⋅λλ+λλ-= (3)
01 ) 1(z z y z y r r i i ⋅λλ+λλ-= (4)
z x z x i i ⋅λλ= (5) 从上面的式子很容易
看出,当λ=λ' 时再现的全息像点与记录的物点位置重合。即再现光同参考光相同的情况下,原物点的
再现波前将由公式(2)
的第三项给出。
若在R (x r ,y r ,z r ) 点放置波长为λ1的点光源再现上述的虹全息图后,除了形成一般全息图所有的全息像点I 01之外,还将形成一个与之相对应的
狭缝实像I S1,如图5(a)
所示。观察者看到全
息像点I 01' 的条件是瞳孔D 落在从I S1出射的衍射光场中,而最佳的观察位置是D
落在I S1处。这好比人
们隔窗观景,越是靠近窗户景视场也越大。若用具有两个波长λ1和λ2的再现光
源,这时再现光被虹
全息图衍射成为两个
空间错开颜色不同的
全息像点I 01、I 02和与
之对应的两个狭缝像I S1、I S2,如图5(b)所示。只要I S1和I S2分离的尺寸大于人眼瞳孔直径D ,就可以通过I S1和I S2分别看到波长为λ1和λ2的两个全息像点I 01和I 02。将这一概念推广到点白光源照明虹全息图的情况。由于波长是连续变化的,每一波长都在不同的位置上形成它自己的全息点和相应的狭缝像。于是全息像点按光源的光谱弥散成了一条线段,狭缝的全息像也按光源的光谱弥散成为一个六面体,如图5(c)所示。在这种情况下,
ΔH ΔH (b)(a)(c)R(x ,y ,z )H H r r r
I 01
I 01
I 02I 0 图5 全息像点的再现 I S1I S1S2I