彩虹全息照相

【摘要】彩虹全息照相是激光全息照相的一種，是利用干涉法將自物體發出的光振幅和位相同時記錄下來的圖像。當全息圖被一束相干光照明（衍射）時，它將重現宛如物體存在時一樣的波陣面，即物體被再現出來。

【關鍵詞】全息照相；干涉；再現

【中圖分類號】G【文獻標識碼】A【文章編號】1005-1074(2009)05-0262-02

1引言

全息照相的實質在于來自物體的光波同與之相干的參考光波在照相地板上疊加而發生干涉。因此，全息圖就是一幅復雜的雙束干涉圖。它不但把物體波所反映的振幅信息保存下來，同時也把位相信息保存下來，所以再現時，就可以看到逼真的三維立體像。當用白光再現時，眼睛通過狹縫觀察時，成像光束發生衍射，白光產生色散，所以出現了猶如彩虹一般的七色圖。

2原理

2.1成像如圖1，xy平面為全息底板H的平面， Rexp(-i2πvy)為參考光束在該平面的振幅，物光振幅為O(x，y)，兩波在xy面上疊加后振幅分布為：

Rexp(-i2πvy)U（x，y)=Rexp(-i2πvy)+O(x，y) （1）

式中v為參考光的空間頻率，v=sinθλ 。

光強分布為： I（x，y）=［Rexp(-i2πvy)+O(x，y)］［Rexp(-i2πvy)+O(x，y)］*

=R2+│O（x，y）│2+RO(x，y)e xp(i2πvy)+RO*(x，y)e xp(-i2πvy)（2）

式中第一項“R2”取決于參考光的強度，它構成底板上均勻的背景，第二項│O（x，y）│取決于物光的強度，他在底板上隨位置不同而異。在大多數情況下，第一項數值都比第二項大的多。后兩項包含兩相干光的振幅和相對位相的光強分布。第三項包含物光的復振幅，第四項包含物光復振幅的共軛項。因此全息干板記錄了干涉場的光強分布，從而記錄了物光信息。在一定的曝光條件下，經過線性處理后，我們便得到記錄了干涉場光強分布的全息圖。底板上各處的振幅投射率正比于原來曝光時底板上相應各處的光強度I(x，y)，底板上的投射率可寫為：

T(x，y)=TR+K[│O（x，y）│2+RO(x，y)e xp(i2πvy)+RO*(x，y)e xp(-i2πvy)]（3）

將上式四項寫為：T₁=T₂

T₂=K│O(x，y)│2

T3=KRO(x，y)e xp(i2πvy)

T4=KRO*(x，y)e xp(-i2πvy)（4）

2.2再現使波再現時（如圖2）用一個相干波（復現波）B從一定方向照射全息圖，從另一個方向來看。透過全息圖的光有四個不同的分量，每一分量與（4）式中的一項對應

U1=TRB

u2=KB│O(x，y)│2

u3=KBRO(x，y)e xp(i2πvy)

u4=KBRO*(x，y)e xp(-i2πvy)（5）

u1是被全息投射率TR衰減的照明光波B的重現。u2是隨空間變化的，它包含與光軸成各種角度的各平面波。u3正比于原來的物波陣面O并乘以一個線性的指數因子。u4正比于O的共軛波陣面O*，對應于初級像的共軛像。

再現時通常使用原參考光或者原參考光的共軛光波。當用 光為再現光時，由（2）式可知再現光中便有了：

Ic∝Rexp(-i2πvy)O(x，y)Re xp(i2πvy)=O(x，y)（6）

即再現光中有物光的復振幅，從而達到再現的目的。當用 ，即參考光的共軛光再現時，由（2）式，再現光中有：

Ic'∝Rexp(-i2πvy)O*(x，y)Re xp(i2πvy)=O*(x，y) （7）

3實驗數據處理

3.1調整實驗儀器彩虹全息拍攝的拍攝有“合成法”、“三步法”和“一步法”。一步彩虹全息拍攝光路有兩種，一種稱贗像彩虹全息圖，另一種稱為真像全息圖。兩者的區別主要在于狹縫位置不同及參考光是會聚還是發散等，再現的效果也不同。贗視像表現在原物突出部分在視像中是凹進去的。若記錄的物體時三維的，則再現物的前后位置正好相反，因而這一光路適合對二維平面物進行記錄。所以本實驗中采用的光路是真像彩虹全息光路（見圖3）。縫S1的位置靠近被攝物體，對整個物光和視場的限制作用較大。成像透鏡與物和干板的距離剛好是透鏡焦距的二倍，它對于物體和狹縫均成倒立等大的實像。當物像不在干板上時，狹縫寬度越小，再現像的色模糊也越小。但狹縫太窄的話，縫的衍射效應引起的像模糊將大大增加，一般縫寬取10mm左右。參考光采用發散光束。再現時，采用與參考光束同方位的發散點光源。但是，這種光路所記錄的彩虹全息圖視場比贗像記錄光路更受成像透鏡相對孔徑的限制。改善方法是使用大口徑短焦距的成像透鏡，或把兩透鏡串聯起來使用，可增大相對孔徑，改善這種限制。

3. 2拍攝、洗像首先配制顯影、定影藥水。由于這一過程在拍攝之前進行，依拍攝過程所需時間而定，水溫要稍高些。然后是拍攝，光路調整完畢，切斷光源，將屏換下，裝上全息干板（膠面面相光射來的方向）。打開光源，曝光10-15秒后，切斷光源，將干板取下，進行沖洗。全息干板在顯影時要邊洗邊觀察，底片顏色不能太深，拿出用清水沖凈，放入定影液中定影10～15分鐘，吹干即可。

圖1 軸全息照相的記錄圖2 軸全息照相的再現

圖3真相彩虹全息記錄光路圖4 彩虹全息再現

3.3再現如圖4，將全息干板按拍攝時的方向和位置重新裝好，用記錄時的激光再現時，通過再現時的狹縫的實像就可以觀察到所記錄物體的明亮虛像。如果用白光再現時，眼睛沿著狹縫垂直方向移動觀察時，就可以看到彩虹七色全息圖像。若是再現時，干板方向裝反，即膠面背向光射來的方向，會呈現原像的共軛像，就是說和沒有裝反時相比較位置稍偏，且像較為模糊，無太大影響。

4總結

在實驗過程中要注意以下幾方面。由于本實驗中儀器使用較多且光路較為復雜，調整儀器組需要很多的耐心和細心，所以儀器和光路的調整需要較長的時間。在調整光路時，物光光程和參考光光程的差值越小越好，最好趨近于0，最大也不要超過1cm，否則影響實驗效果。同時，參考光不可以過強，基本上與物光光強差不多即可。而成像透鏡（凸透鏡）的焦距測量用自準值法，測量的誤差較大，建議使用更精確的測量方法（如共軛法），效果會更明顯。

參考文獻

[1]金哲，金逢錫，韓德萬，等.近代物理實驗講義[J].延邊大學理工學院物理系，1998.