激光全息照相实验指导书-.docVIP

综合性实验项目：激光全息照相 实验指导书 项目负责人： 实验四、激光全息照相 实验学时：4 实验类型：综合性实验 所属课程名称：信息光学 实验指导书名称：光学信息处理实验 相关理论课程名称：信息光学、光学、数字图像处理 （一）教学目的与要求 1. 目的： （1）了解全息照相的发展过程及应用，比较全息照相与普通照相的区别。 （2）理解全息照相的原理及特点。 掌握。 。 进一步熟悉光路的调整方法。E = E0cos(ωt-2πrΠλ+φ0)物体上的每一点都向空间各个方向发出光波:透射波、反射波、散射波等，统称为物波。物波携带着物体的信息，如颜色、明暗、凹凸等。这些信息在物波的函数中用频率f (ω= 2πf)、振幅E0、相位(ωt-2πΠλ+φ0)表示。人眼之所以能看到物体，是因为人眼接受到物体各部分所发出的物波。物波所能到达的任一点，都包含有物体上各部分所有的信息，所以尽管眼睛的瞳孔直径很小，却仍能观察到物体的全貌。如果能将物波保存下来，即使物体不存在了，只要物波还在，人们仍能看到物体。用照相的办法就可以保存物波。但普通照相只能存储物波中振幅的信息，丢失了相位的信息。全息照相则能把物波的全部信息存储起来。 ②普通照相及其缺陷 光可以引起照相底片(感光材料)上乳胶层的化学变化，而且这化学变化的深度随入射光的强度增大而增大。因而照相底片可以“感受”(记录)光强的分布，不同的光强在底片上反映为不同的浓淡；但是底片不能“感受”相位的分布，不同的相位在底片上并无区别。基于几何光学成像原理的普通照相，是通过照相机镜头使物体成像于底片上，底片只记录了光强(振幅)分布，反映了物体各部分的明暗。而对相位的差别则不能分辨，也就无法反映物体表面的凹凸和距底片的远近，从而失去了立体感。 ③全息照相的物理思想 普通照相所不能记录的相位分布在全息照相中是如何被记录的？它的创造性的思想就是：把感光材料所不能“感受”的相位分布，利用光的干涉现象，使之转化为底片能记录的光强分布。具体地说，把来自物体的光波称为物光(O光)，再引入一束与之相干的参考光(R光)，让参考光和物光同时照在底片上。在底片上的各点处，R光相位都相同，而O光的相位不相同，从而O光与R光在各处的相位差也不同，经干涉后各处的条纹亮暗程度就不同。这样底片就可以在记录下物光振幅分布的同时，也记录下了其相位分布，即记录下了物光的全部信息，这就是全息照相的重要物理思想。本实验就是从实践上实现这一物理思想的。 ④全息照相的实验过程：记录和再现 全息照相的记录——光的干涉 激光束照射物体产生物光束，另一束激光作为参考光束，使两束光在空间相遇，从而发生干涉，感光材料置于其中某一平面处，记录下该平面处的干涉条纹，即全息图。 (1) 其中、分别为物光波和参考光波在全息图平面的复振幅分布。式（1）中第一、二项为0级衍射项，第三项为原始像（即+1级像），第四项为共轭像（即-1级像）。 全息照相的再现——光的衍射 由于全息干版上记录的并不是物体的几何图样，因而直接观察只能看到许多明暗不同的条纹、小环和斑点等干涉图样，要看到原来物体的像，必须使全息图再现原来物体发出的光波，这个过程就称全息图的再现过程，它所利用的是光栅衍射原理。再现过程的观察光路如图1所示，一束从特定方向或与原来参考光方向相同的激光束(通常称为再现光)照射全息图，全息图上每一组干涉条纹相当于一个复杂的光栅，按光栅衍射原 图1 全息图的再现 理，再现光将发生衍射，其+1级衍射光是发散光，与物体在原来位置时发出的光波完全一样，将形成一个虚像，与原物体完全相同，称为真像；-1级衍射光是会聚光，将形成一个共轭实像；称为膺像。当沿着衍射方向透过全息图朝原来被摄物的方位观察时，就可以看到那个逼真的三维立体图像(虚像)。 当用原始参考光再现时，全息图平面的光波场复振幅分布为： （2） 利用衍射公式对上式进行衍射积分计算即可获得物体的像光场分布，从而获得强度和位相再现像。 2. 实验器材： 高精度隔振平台、He-Ne激光器、CCD、提升器、分束器、半波片、衰减器、扩束准直滤波系统、显微物镜、反射镜、各种底座、支架、计算机等。 3. 实验步骤 （1）调整光路：按图2所示光路布置各光学元件，调节时要注意： 图2 无透镜傅里叶变换数字全息记录光路示意图 ①调整光学元件支架，使光路中各光学元件的光学中心共轴。 ②沿光路前后移动扩束镜的位置，使扩束后的光均匀照亮被摄物体和全息干版，光斑不能太大，以免浪费能量。 ③物光和参考光的光程差要尽量小，一般常使两者光程大致相等。 ④物光和参考光束间的夹角在2(—3(之间为宜。 ⑤物光和参考光的光强比要合适，一般取1：2到1：5。