全息照相与信息光学实验报告

一．实验目的
1.了解全息照相的基本原理，熟悉反射式全息照相和透射式全息照相的基
本技术和方法。

2.掌握在光学平台上进行光路调整的基本方法和技能。

3.通过全息照片的拍摄和冲洗，了解有关照相的一些基本知识，拍摄合格
的全息图。

二．实验原理
1.反射式全息照相
反射式全息照相也称为白光重现全息照相，这种全息照相用相干光记录全息图，而用“白光”照明得到重现像。

由于重现时眼睛接收的是白光在底片上的反
射光，故称为反射式全息照相。

这方法的关键在于利用了布拉格条件来选择波长。

2.透射式全息照相
所谓透射式全息照相是指重现时所观察和研究的是全息图透射光的成像。

这里将重点讨论以平行光作为参考光，对物光和参考光夹角较小的平面全息图的记
录及再现过程。

最后再简单介绍球面波作参考光的全息照相以及体积全息照相。

1)全息记录
2)物光波前的重现
全息图右侧空间并无光源，因而光场就唯一地决定于z＝0处波前。

因而0级和±1级三束光从传播方向上是分离的。

0级衍射近似于一束平面波，其传播方向与全息图法线成α角。

+1级衍射则是一束球面发散波，其源点就是原来物光点源所在位置。

由于
点源不是在透射光场内，因而形成虚像。

第三束光则是一束会聚的球面波，其会聚点就是实像的位置，由于波前有一项附加相位因子相当于这束球面波传播方向有一附加角度变化，很小时，这角
度近似于2α。

三．实验仪器
光学平台，半导体激光器及电源，快门及定时曝光器，扩束透镜，反射镜，光功
率计，全息干板，三枚硬币。

四．实验条件
为了照好一张全息图必须具备下列几个基本条件：
（1）一个很好的相干光源。

全息原理是在1948年就已提出，但由于没有合适的光源而难以实现。

激光的出现为全息照相提供了一个理想的光源。

这是因为激光具有很好的空间相干性与时间相干性。

本实验用650半导体激光器，其相干长度约为20cm。

为了保证物光和参考光之间良好的相干性，
应尽可能使两束光光程相等。

（2）保证全息照相所用系统的稳定性。

由于全息底片上所记录的干涉条纹很细，相当于波长量级，在照相过程中极小的干扰都会引起干涉条纹的模糊，甚至使干涉条纹完全无法记录。

例如记录过程中若底片位移了1um，则条纹
就看不清。

因此，所有的光学元件都用磁性材料或其他方法固定在一个全
息台上，这个台又放在一个隔震系统上，以防止地面振动的干扰。

此外气
流通过光路，声波干扰以及温度变化都会引起空气密度的变化，导致光程的不稳定，所以曝光时应避免大声喧哗、敲门、吹风等。

（3）高分辨率的感光底片。

普通照相用的感光底片由于银化合物的颗粒较粗，每毫米只能记录50～100个条纹，不能用来记录全息照相中细密条纹。

全息照相必须用特制的高分辨率感光底片。

我们实验室用的是RSP-Ⅰ型红敏光致聚合物全息干版。

其极限分辨率为4000条/mm。

（4）了解和使用显影、定影、冲洗等有关技术。

五．实验光路图
1.反射式
2.折射式
六．实验步骤
反射式（白光再现）全息图
（1）打开激光器，使激光器预热稳定，按反射全息光路摆放好各元件的位置。

（2）先不放入扩束镜L，调节上图中的4个元件大致共轴，物体高度与扩束镜等高。

（3）将物体中心与激光通过扩束镜之后的光斑的圆心重合。

（4）调节物体的前后距离，使扩束后的光到达物体的光的光强约为550μW。

（5）放入扩束镜，经扩束镜扩展后的参考光应均匀照在整个底片上，被摄物体各部分也应得到较均匀照明且光强适中。

（6）用光功率计测量感光板处参考光束和物光光束的强度，检验发光强度是否符合要求。

（7）根据光强计算确定曝光时间。

调好定时曝光器。

可以先练习一下快门的使用。

（8）关上照明灯，将干板装在底片夹上，使乳胶面对着光入射方向。

按下按钮进行曝光。

（9）关闭快门挡住激光，将底片从暗室中取出装在底片架上，应注意使乳胶面对着光的入射方向。

按下按钮进行曝光。

曝光过程中绝对不准触及防震台，并保持室内安静。

（10）对曝光后的底片作化学处理。

步骤：
1)蒸馏水内静置10~15秒；
2)在浓度为40%的异丙醇中脱水1分钟；
3)在浓度为60%的异丙醇中脱水1分钟；
4)在浓度为80%的异丙醇中脱水15秒；
5)在浓度为100%的异丙醇中脱水3分钟；
6)取出干版，迅速用吹风机热风快速吹干直到全息图重现象变为金黄色
清晰、明亮图象为止。

直接观察即可。

透射式全息图
（11）按透射式全息光路调节电路使光路系统满足下列要求：
1)物光和参考光的光程大致相等，不要超过2cm；
2)经扩束镜扩展后的参考光应均匀照在整个底片上，被摄物体各部分也
应得到较均匀照明；
3)两束光夹角要在之间，45为宜；
4)在底片处物光和参考光的光强比约为1:2 ～ 1:6，具体要视情况而定。

（12）用光功率计测量感光板处参考光束和物光光束的强度，检验发光强度是否符合要求。

（13）根据光强计算确定曝光时间。

调好定时曝光器。

可以先练习一下快门的使用。

（14）关上照明灯，将干板装在底片夹上，使乳胶面对着光入射方向。

按下按钮进行曝光。

（15）关闭快门挡住激光，将底片从暗室中取出装在底片架上，应注意使乳胶面对着光的入射方向。

按下按钮进行曝光。

曝光过程中绝对不准触及防震台，
并保持室内安静。

（16）对曝光后的底片作化学处理。

步骤：
1)蒸馏水内静置10~15秒；
2)在浓度为40%的异丙醇中脱水1分钟；
3)在浓度为60%的异丙醇中脱水1分钟；
4)在浓度为80%的异丙醇中脱水15秒；
5)在浓度为100%的异丙醇中脱水3分钟；
6)取出干版，迅速用吹风机热风快速吹干。

（17）将干板放回原光路，撤去物体，打开激光，透过干板观察影像。

七．实验数据与计算结果
反射式：600μW，计算曝光时间27.5s
投射式：225μW，计算曝光时间42.6s
八．实验观察结果
1.反射式全息图：
1)实验结果：
可以明显观察到三枚硬币，“1”字轮廓较为明显，左右摆动能够观察到硬
币中影像的左右变化，呈现立体效果，纹理清楚，但文字难以辨认。

干板
边上有指纹印。

2)影响拍摄效果的因素：
a)各光学元件没有调节共轴，导致影像出现轻重不一，色彩不一致的
情况。

b)光功率计读数一直变化，使曝光时间的确定不准确。

如果曝光时间
太短, 底板上条纹太浅甚至没有, 复杂的衍射光栅无法形成, 当然
像也就无法再现。

若曝光时间太长, 底板可能太黑, 光线的透过率
降低。

另外, 曝光时间越长, 保持系统稳定性越难, 曝光时间内突
然的噪声和振动会使拍摄失败。

c)拍摄过程中的微小干扰（包括振动、呼吸等）都会影响最终拍摄影
像的清晰程度。

由于全息图上所记录的是参考光和物光的干涉条纹, 而这些条纹非常细, 在曝光过程中, 极小的振动和位移都会引起干
涉条纹的模糊不清, 甚至使干涉条纹完全不能记录下来。

d)后期浸泡过程如果超时或时间不足，有可能导致其效果不佳。

e)异丙醇溶液由于多次使用，质量分数会有一定量的下降，并且实验
是将显影液放在透明烧杯中使用，对显影液损害较大。

2.折射式全息图：
1)实验结果：
效果较差，只能看到硬币的轮廓，数字“1”和其他的细节文字模糊不清。

2)影响拍摄效果的因素：
a)参考光和物光的光程差的影响。

参考光和物光的光程差不能太大,
理论上应小于所用激光的相干长度, 否则两者不能相干, 无法在全息干板上获得干涉条纹。

b)参考光和物光的夹角不合适。

θ角愈大, 所记录的干涉条纹就越细,
对干板的分辨率要求越高,故夹角θ不能太大。

而夹角θ对全息图再现时的观察窗(视角) 也有影响, 夹角大, 可在较大范围内从不同
角度观察物象, 反之, 观察窗则小, 因此夹角θ也不能太小。

c)参考光和物光的光强比不理想。

全息照相是物光与参考光的双光束
干涉. 对于一般双光束干涉来说, 如果两束光的光强相同, 干涉条
纹可得到最大的对比度,
这对一般线性接受元件是
合适的。

而对全息照相的记
录介质来说, 曝光量( T)
和振幅(H) 透过率的特性
曲线是非线性的, 在曲线
两端发生奇变，产生较高阶
的衍射光,使衍射效率降低。

另一方面, 当物光比参考光强, 斑纹比较显著, 产生较大量的晕轮光围绕零级衍射光, 降低了成像的光通量, 致使效率降低。

d)光功率计读数一直变化，使曝光时间的确定不准确。

如果曝光时间
太短, 底板上条纹太浅甚至没有, 复杂的衍射光栅无法形成, 当然像也就无法再现。

若曝光时间太长, 底板可能太黑, 光线的透过率
降低。

另外, 曝光时间越长, 保持系统稳定性越难, 曝光时间内突
然的噪声和振动会使拍摄失败。

e)异丙醇溶液由于多次使用，质量分数会有一定量的下降，并且实验
是将显影液放在透明烧杯中使用，对显影液损害较大。

f)拍摄过程中的微小干扰（包括振动、呼吸等）都会影响最终拍摄影
像的清晰程度。

g)扩束镜、平面镜的镜面可能沾有微小的灰尘、污渍，从而影响参考
光的传输和照射的均匀性。

九．实验思考题
（1）用透镜将激光扩束后照明全息图，尽可能使光照方向沿原参考光方向观察虚像当改变观察角度时虚像有什么不同？为什么从全息图能看到立体像而普通照片只能看到平面像？
答：改变观察角度的时候可以看到先前看不到的地方，全息图看到的是三维立体的影像。

常规照相只是记录了被摄物体表面光线强弱的变化，即只记录了光的振幅；而全息照相则记录了光波的全部信息，除振幅外，还记录了光波的相位。

这样就把空间物体光波场的全部信息都贮存记录了下来。

利用全息照片对特定波长单色照明光的衍射，把原空间景象显现出来。

它可将一个“冻结”了的景物重新“复活”后显现在人们眼前。

（2）平移全息底片，使其向光源靠近或远离，观察像的变化。

答：离光源越远，像越大；离光源越近，像越小。

（3）用一张有mm 5小孔的黑纸贴近全息底片，人眼通过小孔观察全息虚像，你看到的是再现像的全部还是局部？移动小孔的位置，看到虚像有何不同？答：依然可以看到像的全部,只不过亮度没先前的亮，分辨率没有之前高。

移动小孔的位置,可以看到不同角度的像。

（4）将底片绕铅垂轴转180o 用会聚光（即参考光的共轭光）或未扩束平行光照明底片，用毛玻璃找实像，记录底片和实像相对于激光的位置。

答：得到倒转的实像，相对激光在原物的同一方向。

（5）将全息图放在生物显微镜下观察其干涉条纹。

根据显微镜的放大倍数估算干涉条纹间距，此条纹间距和0~,~U U r 之间夹角有什么关系？
答：夹角越大，条纹间距越小。

假如全息干板上干涉条纹的间距为d, 光源波长为λ。

根据干涉原理, d 与参考光和物光之间的夹角
θ有关d ??2sin ??2, 而干板分辨率η与d 有关n 1
??2sin ??2 ??。

可以看出, θ角愈大, 所记录
的干涉条纹就越细，对干板的分辨率要求越高。

十．实验感想与总结
这次实验没有数据处理，而且反射式全息图的光路调节较为简单。

实验操作
的难点在于如何调整好折射式全息图的光路，使其满足严格的实验要求（包括光程差、光的夹角、光强等），否则效果会很差。

本次实验反射式全息图较为简单，做得十分顺利，得到的照片效果很好，但折射式全息图并没有达到预定的效果，图像很模糊。

光路可能一开始就没有调得很理想，调好光路后光强达不到预定范围就开始重调光路，反复了很多次；光强计在光屏的不同位置测得的光强有很大的差异，从而针对各位置应设置的曝光时间是不同的，自己没有选到最好的位置。

此外，光程差的测量和判断、光强比的
设定，可能都影响了最终的实验效果，导致实验不理想。

全息照相是一门神奇的技术。

D.伽柏能够跳出普通平面照相的约束，为全息图加入“相位”，而不只是“光强”，从而使照片包含了更多的“信息”；从简单的点对点的折射，到光的干涉，好像是一小步，却是思维的一大步。

而且全息图
任何一小部分都包含整个物体的信息，只利用拍摄的全息底片的一小部分也能再现整个物像，可谓是“窥一斑而知全豹”。

感谢岳老师的耐心讲解和悉心指导。