全息照相再现的是和原物体一模一样的立体像,在不同的方向,观察者看到的信息也不相同,这是其他技术无法比拟的。
2. 可分割性:全息术中用的是两束光干涉来记录物体的信息。记录时候物体上每一点都当做一个光源,这一点的信息会被记录到整个记录介质上,所以记录介质上每一点都记录着整个物体的信息,而普通照片是物体一部分对应着照片上的一部分。普通相片中相片的某一部分损坏之后,我们就不能知道这一部分所记录的信息,全息照片不同,如果全息照片不小心打碎,其中每一个碎片都可以通过原参考光照明再现整个图像。只是分辨率不如整体时候的好。
d)
i.
全息图的分类
光学制作全息图
光学记录全息图指在实验室中用感光材料作为记录介质来记录物光和参考光干涉条纹。
1.透射全息图
全息记录中, 当物光和参考光在记录介质的同侧照射到记录介质上,两束光的干涉面和记录介质垂直。再现时,用参考光照射全息图一侧,观察者在另一侧观察可以看到一个虚像,这种全息图称为透射全息图。
2.反射全息图
全息记录中,当物光和参考光在记录介质的两侧照射到记录介质上,物光和参考光成180°角,两束光的干涉面和记录介质平行,这种全息图称为反射全息图。 3.同轴全息图与离轴全息图
用一束光照射透明体,用这种透射光作为参考光,散射光为物光,物光和参考光在同一条直线上,这种全息图称为同轴全息图。因为这种全息图同轴的原因,再现时容易出现孪生像问题。随着激光的出现,利思和乌帕特里克斯利用激光的高相干性提出了离轴全息图,用一束倾斜的参考光入射,解决了孪生像的问题[5]。 4.彩虹全息
彩虹全息术是由S.A.本顿发明的,它全息术历史上的一次突破,它把激光记录激光再现变成了激光记录白光再现,使全息术走出了实验室,进入到了人们的日常生活。彩虹全息根据人眼只能分辨水平方向视差的特点,牺牲了竖直方向的信息,降低了对光源的要求,所以可以在白光下再现。
彩虹全息图用通过真实物体记录下来的。它的特点是在记录过程中在适当位置增加了一个狭缝,意在限制再现光波,实现白色再现单色像。再现时候,白光光源放在原参考光源的地方。白光被色散通过狭缝。所以眼睛在不同高度就看到不同颜色的像,特别是当几
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种颜色的光同时进入眼睛时,可以看到连续变化的颜色,就像彩虹一样,所以称为彩虹全息术。
ii. 计算机制作全息图
计算机制作全息图不需要在暗室做一系列的实验,它是完全用计算机制作而成。首先用计算机计算出全息图各点两束光叠加后的复振幅,然后绘制一幅大型的全息图,随后用相机把全息图缩小到合适的尺寸。计算机全息图制作起来较为繁琐,但是它可以制作出实验室无法拍摄出的全息图,甚至一些假想的物体。例如可以通过计算机可以制作出一种物体的全息图,可以再现这个物体的三维影像,在向客户介绍这种新物体的时候给人一直观的印象,尽管这种物体还没有生产出来。
(2) 全息照相的实验以及改进
a)
全息照相的条件
所用仪器
光学器件 氦氖激光器 曝光定时器 分束镜 反射镜 扩束镜 被摄物 全息干板 暗室 数量 1 1 1 2 2 1 1 1 型号 50% 全反射镜 40倍 小陶瓷
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b)
i.
全息照相实验
实验原理
全息照相采用激光作为光源,并将这束光用分束镜分为两束,扩束后一束直接照射到全息干板上,另一束由被摄物的反射然后照射到全息干板。两束光在全息干板上想干叠加发生干涉,全息干板上各点的感光程度随着两束光强度的位相关系变化而变化。所以全息干板上不仅记录了物体的光强,也记录了物体的相位信息。直接观察全息干板,只能看到像指纹一样的一圈圈的条纹,只有经过原参考光的照射才能观察到图像。
ii. 实验步骤
把仪器按下图摆放
实验步骤
1.①调整光路把物光光程和参考光光程调到相等 ②用扩束镜将物光扩散到均匀照射到物体,参考光束也调整到可以均匀照射到全息干板上。
③调整照射到干板上物光和参考光束的夹角,一般调整在30°~45°左右。
④调整照射到干板上两束光的光强比,一般控制物光和参考光光强比在1:3~1:5之间。 2.调整合适的曝光时间,一般实验不用按文献要求的2~3分钟,曝光20s~60s即可。 3.调整曝光定时器,取下白屏装上全息干板。将药面对着参考光物光的方向,静止一段时间等实验台稳定即可进行拍摄。
4.将全息干板放入显影液中,显影时间按具体情况而定。显影完后用清水清洗,然后放在定影液中定影,取出后用清水清洗、晾干。 2.物象再现
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用光束照射全息干板的正面。使这束光和原参考光束一样,透过干板观察再现的图像。
c) 影响全息照相实验成功的因素
1. 在曝光过程中有轻微的振动或微小的位移。由于全息干板记录的是物光和参考光的干涉条纹,任何轻微的震动位移都会导致干涉条纹的模糊不清,甚至使干涉条纹无法记录在干板上,无法得到清晰的像。
2. 没有把参考光和物光的光程差调整合适。参考光和物光的光程差必须要尽可能的相等,不然无法发生正常干涉。
3. 没有把参考光和物光的夹角调整合适。设全息干板干涉条纹的间距为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关系为d??2sinη与d的关系为???2,而干板分辨率
1??2sin?。由上式可以看出,θ越大,所得到的干涉条纹间距就越
2d被摄物与再现物象
小,所以对干板分辨率的要求就越高,所以θ角不能太大。而夹角θ又和观察全息图再现像时的视角有关,夹角越小,能观察到再现像的范围就越小,所以夹角θ也不能太小。 4. 实验光路太多的使用反光镜导致光强不够,影响两束光的干涉效果。
5. 没有控制好曝光时间。曝光时间过长长,导致干板太黑,光线无法透过干板,曝光时间过短,无法在干板上形成清晰的干涉条纹。
6. 在清水清洗过程中没有控制水温,影响干板效果。
7. 显影定影时间不合适。显影时间过长,导致干板变黑,影响观察。
d) 全息照相的实验技巧探究
1.在曝光时候,必须尽量保证拍摄系统静止不动,所以一般全息照相试验室都设置在一楼并且全息台下重新用钢筋水泥浇灌抗震地基,来提高该全息试验成功率[6]。试验台采用磁力光具座、增强紧固螺钉、减震泡沫、不变形的钢板等措施,试验中不要走动和说话
[7]
。
2.全息干板必须在黑暗环境下取出,取出干板后,用两手指触摸干板边缘两面,较涩的一面为药面。
3.曝光时间的长短和激光器的功率有关,对于功率较大激光器,可减少曝光时间,反之可适当增加曝光时间,一般曝光时间为20s~60s。如果被摄物是瓷器,可使瓷器尽量离干板近一些,如果被摄物是硬币则可使硬币适当离干板远一些,具体视被摄物的感光程度而定。
(3)
显影液用D-19显影液,温度控制在20°,显影时将干板整个放进显影液,药
面向下并轻轻搅动显影液,在暗绿光灯下一直观察干板,看到干板变灰即可取出。用清水
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清洗干板,冲洗干净后放入定影液定影2min左右,之后清洗、晾干。
(4) 全息照相技术的应用
a)
全息光学元件
1.全息光栅:全息光栅是全息图中最普通的一中,它是由两束平面光发生干涉叠加而成的条纹。它的特点是一列一列的间隔相等的直条纹,和用机器刻划的光栅效果一样,所以叫做全息光栅。记录时只要两束光夹角不同,全息图上的条纹间距也会随着改变。它比刻划光栅相比有制作简单、不需要特别精密的仪器、成本较低等特点;不会因为划痕原因有其他的散光干扰,对环境的要求比较低。
2.全息透镜:全息透镜和全息光栅相比制作过程复杂一点。用一束平面波和一束球面波干涉或者用两束球面波干涉即可制成全息透镜。全息透镜可以由计算机知道的方法制得,但是由全息法制得比较简单,成本比较低所以大多是由全息法制得。全息透镜有许多特别的特点,这些特点使它在光学中有无可替代的位置。例如,利用反射全息图的特点可以制成一种既可以起透射作用又可以起反射作用的全息透镜,这在军用仪器减轻重量和小型化方面起很大的作用。还有一种短焦距的透镜,它还可以在光学实验研究中同时做到分光和扩束。
3.全息扫描器:以全息术为基本原理,它的构成比较简单,所用成本比较低。它可以
由照相法得到,但大部分都是由计算机制成的全息图。它的原理是把记录介质分成若干等份,在每一份上都制成一个全息图。再现时候有规律的移动,经过参考光的照射就可以在计划好的地方呈现一幅幅的三维图像,所以全息扫描器又叫做全息光偏折器。
b) 全息立体测量
全息立体测量又称为全息干涉计量,是利用全息术得方法来进行干涉计量,是目前用到全息术最多的一个地方。全息干涉计量不用接触物体表面对物体进行立体三维测量,而且可以测量很多一般测量方式无法办到的事情。例如它可以测量形状不规则、表面粗糙的物体,测量精确程度特别高。同时它还可以对比一个物体在两个不同时刻差别,因此用于研究物体在这两个时刻所发生的变化。全息干涉计量技术已经和计算机技术、光电检测技术等技术结合起来,可以完成快速、准确、自动地实时测量。
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