激光全息照相

摘要：全息的意义在于记录光波的全部信息。自从20世纪60年代激光出现以来，全息照相得到了全面的发展和广泛的应用。本文简述了全息照相的实验原理及实验技巧，并给出了其应用前景。

关键词：激光全息照相，原理，技巧，应用

引言

光是一种电磁波，它的全部信息包含：振幅(反映物体上各点发出的光的强弱，决定像的强度)，位相(反映物体上各点在空间的相对位置，决定像的形状)和频率(反映光的颜色)。普通照相只记录了振幅，得到的是二维平面像，而全息照相在记录振幅信息的同时还记录了位相信息，即记录了光波的全部信息。因而这种照相称为全息照相。全息照相得到的是三维空间的立体像，它所依据的基本原理通常概括为“干涉记录，衍射再现”。全息摄影技术的应用十分广泛，目前，已应用于精密测量、无损探伤、指纹识别、高速摄影、全息显微术、信息处理和信息储存等许多领域。

1.全息照相术的起源

早在19xx年．全息照相的奥秘由Denis Gabor所发现．它通过光的衍射使图象由平面变为立体．因而获得诺贝尔物理奖．19xx年．美国加里福尼亚物理学家Steve Mc Grew开发了从玻璃版转移到镍薄片上的操作方法。使得全息图能够以高速而低成本地压印在塑料薄膜上成为可能．八十年代中，Steve Mc Grew遇到了英国John Brown．他们合伙在英国建立了欧洲光压印公司(Light Impressions Europe)。该公司在发展浮雕式全息照相工业起到了先锋作用．例如礼品业、时装业都采用了该公司的全息图标贴，作为市场促销的工具．19xx年．该公司的乙烯基压敏胶全息图获得了促进应用全息图的Fasson奖．

2.实验原理及技巧

物体上各点发出的光（或反射的光）是电磁波，借助于它的频率、振幅和相位的不同，人们可以区分物体的颜色、明暗、形状和远近等。普通照相是通过透镜把物体成像在感光底片上，记录了物体的表面光强（光振动振幅的平方）的分布，所以记录的只是光信号的强度，得到的只是物体的一个平面相。所谓“全息照相”就是把物体上发出的光信号的全部信息—-振幅和相位记录下来，并能完全再现被摄物光波的全部信息，从而再现物体的立体图像。全息照相分为两个部分：用干涉法记录光波全息图，称波前纪录；用全息图把原光波波前再现，称波前再现。

为拍出一张满意的全息照片拍摄系统必须具备以下要求：（1）光源必须是相干光源。全息照相是根据光的干涉原理，因此要求光源必须具有很好的相干性。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和时间相干性。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，不能大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。（2）全息照相系统要有稳定性，由于全息底片上记录的是干涉条纹，而且是又细又密的干涉条纹，所以在照相过程中极小的干扰都会引起干涉条纹的模糊，甚至使干涉条纹无法记录。比如，拍摄过程中若底片位移一个微米，则条纹就分辨不清，为此，要求全息实验台是防震的。全息台上的所有光学器件都用磁性材料牢固地固定在工作台面钢板上。另外，气流通过光路，声波干扰以及温度变化都会引起周围空气密度的变化。因此，在曝光时应该禁止大声喧哗，不能随意走动，保证整个实验室绝对安静。

（3）要有高分辨的记录介质，随夹角θ的增大，干涉条纹间距d将进一步减小，而普通照相感光底片的分辨率仅为每毫米100条，因此全息照相需要采用高分辨率的记录介质-全息感光片。这种感光片的分辨率可大于每毫米1000条，但感光敏感度不高，所需曝光时间比普通照相感光底片要长，而且它只对红光敏感，因此全息照相的全部操作过程都可在暗绿色灯光下进行。（4）曝光时间的影响。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，当然也就无法再现像。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，曝光时间内突然的躁声和振动会使拍摄失败 。（5)显影时间的影响。显影的程度是否适当对全息图质量影响很大。若显影时间太长，全息干板发黑，光线的透射率

降低，无法再现像；而显影时间太短，干板上条纹不能出现，无法形成复杂的衍射光栅，甚至是一块透明玻璃片，也无法再现像。

3全息照相术的应用

激光全息术在防伪方向的应用．全息图的色彩是通过光衍射而获得而不是依靠油墨．所以它不可能用一般的摄影术来复制，因而要仿冒全息图标贴是极端困难的．利用全息图防止仿冒的应用．最早用于高级的防仿冒市场．例如银行的信用卡，以后逐渐延伸到电脑软件、药品、化妆晶、食品、饮料、时装、礼品等都利用全息图标贴作为防仿冒的有力武器，对产品的真伪起到鉴别的作用。

压力容器进行无损探伤一直是国内外石油、化工等行业研究的重要内容 ．将激光全息照相技术用于压力容器无损探伤，是一个很有应用价值的尝试．尽管压力容器试验规范上还没有要求采用这种技术．但随着激光全息照相技术在各个工业领域的广泛应用．采用先进的激光全息干涉技术对压力容器进行无损探伤，具有越来越重要的应用价值。

指纹识别。全息照相是快速、准确识别指纹特征的最有效的方法。它利用相关匹配滤波片把指纹信息转换成光强变化。被检指纹若与指纹库中某一指纹完全一致，则产生最大光强；若不一致，则挡去一部分光而减弱光强。全息照相系统与电子计算机处理系统相比，有以下优点：a无需事先画出指纹的视频波；b允许多个库存指纹和潜指纹同时进行比较；c以较简单的光学装置代替复杂的数学运算过程。

常规照相对物证的保密性较差，拍出的底片在可见光下是可以判读的；而全息底片必须通过相干光源，在特殊的光路下才能观察到底片的内容。因此，全息底片具有良好的保密性能。常规照相底片如果破损(如撕破、断开)，就无法进行补救，而全息底板即使破损，分开的底板仍包含全部信息。发布通辑令，就可以将已照好的全息底板分成多块，在各地同时发出，缩短寄送时间，加快通辑令的迅速传播。

常规显微照相为了提高显微镜的分辨本领，镜头的数值孔径尽量大一些，结果高分辨显微镜的景深必然很小，所以只能看到几乎是一个平面上的物，想看一个三维物体就要多次调焦；而全息显微镜对立体物做出全息图，然后通过全息图显现物的三维像，解决了一般显微镜中分辨本领与景深的矛盾。根据全息照相的原理，在记录物体和显示物体影像时，可以不采用透镜，避免了像差影响而达到很小的衍射极限。全息照相的视野只与记录材料的分辨本领和尺寸有关，因而可以获得更大的视野。如果在拍摄和显示时，采用不同波长的激光器，可以实现图像放大。由于波长的不同，衍射角不同，这等于将全息图作了相应调整。。

信息贮存。一般全息图的记录介质是感光乳剂，它通过受光乳剂的黑度来记录振

3幅分布；同样也可以用铌酸锂单晶来记录。在lcm大小的这种单晶内，可以贮存1000

幅全息图。这是因为在光的照射下，铌酸锂折射率的改变量正比于入射光强，而表现出的纯位相分布的多层性可以记录多层全息图的缘故，其记录的分辨本领可超过1600线／mm。可以证明，以全息图或傅立叶频谱的方式来贮存信息和恢复信息比用实像好。这种信息贮存方式也许就是人脑中贮存信息的方式，至少为研究这类问题提供了一个可能的模型。

结束语

激光全息照相实验的成功率问题一直困扰着我们，本文就提出了一些改进的技巧。虽然说全息照相还有种种的缺点，比如防伪方向正经受着其他技术的很大冲击，因此我们要不断的改进技术，挖掘其潜能。全息照相的应用潜力是还是十分巨大的，在未来，这一新技术将会在工业、医学、国防、公共安全等各个领域全面展开，产生显著的社会效益和经济效益。

参考文献

1. 杨帆,杨宁.激光全息照相技术及其应用前景[J].中山大学学报,2008,25(2).

2. 代伟.全息照相实验技巧探讨[J].实验技术与管理.2007,24(8).

3. 大学物理实验教程(2-2).石油大学出版社.2008

 

第二篇：激光全息照相实验

实验32  激光全息照相

【实验目的】

1．学习全息照相的基本原理和方法

2．了解全息照相的主要特点

3. 学习观察全息照片的方法

【仪器设备】

全息照相的整套装置PHYWE如图1所示：

   

                             图1  全息照相实验装置

【实验原理】

全息照相是一种采用相干光源的两步成像过程。第一步是在记录介质上记录由参考光和物光形成的复杂的干涉图样——全息图，第二步是在适当的照明下从全息图再现出物体通常的图像，所以全息照相的基本理论，实质上是一种较为广义的双光束干涉场的计算。

由激光束发出的相干光经分束器之后，一束照明物体成为景物光，另一束为参考光。两光束成一定的夹角入射到记录介质上，相互干涉而记录下全息图。由于记录介质只能记录振幅，可见物波的位相也是利用干涉的原理转换成相应的振幅关系加以记录的。

1、  全息照相记录的信号

如图（2）所示，由物体反射出的物光和参考光是相干的，记录介质上的光强分布为

                 （1） 

我们做全息图时，应该尽量使参考光和物光独立在介质上的照度均匀，所以在全息图上的和变化比较缓慢。在这里主要考虑相干项

                                  （2）

其中

    

可见干涉项产生的是明暗以为变量按余弦规律变化的干涉条纹并被记录介质记录下来。由于这些干涉条纹在记录介质上各点的强度决定于物光波（以及参考光波）在各点的振幅与相位，因此记录介质上就保留了物光波的振幅和相位的信息。

2、  波前重建

常用于记录全息图的介质是照相干版或胶片，假设记录全息图的干版经过曝光、冲洗以后，把曝光时的入射光强线形变换为显影振幅的透射率，并假定曝光量的变化范围限于该种干版的曲线的线形区内，则干版的透射率为:

                               

即                                 (3)                      

为未曝光部分的透射率，为比例系数。对同一干版，和都可认为是常数。，分别为入射到干版的物光强和参考光强，他们在全息图面上接近均匀。因此对于点源的全息图，只有透过率与成正比的空间变化干涉项，在照明后能产生衍射。

假设再现波不必和形成波有相同的波长，则衍射图平面的衍射波复振幅C 与上述折射率的乘积为

                           （4）

其中，

                                                          （5）

                                                           （6）

                                                           （7）

 若再现波与原参考光波完全一样，则（4）式变为：

                      （8）

（8）式右边第一项是按一定的比例重建的物光波，它离开全息片后按照惠更斯—菲涅耳原理继续传播时，其行为与原物在原来位置发出的光波相同（仅仅是振幅按一定的比例改变，位相改变），因此在全息片后面的观察者对着这个衍射而产生的另一个一级衍射波，成为孪生波。在一定条件下，它是一束汇聚光，形成一个有畸变的，并且在观察者看来物体的前后关系与实物相反的实像。

若果用参考光波的共轭光波作为再现波，照射全息片，此时透过全息片的光波，干涉项可写成          （9）

（9）式中右边第二项与原来物光波的共轭光波成正比，由于是会聚于原来物点所在位置的光束，因此这一项所代表的衍射光束在原来物体所在的位置形成一个无畸变的实像。观察者好像是跑到原来物体的背后去观察，而且能透过原来处于后面的部分看到前面的部分。

以上讨论实际上是把全息片当作二维的衍射光栅来处理。而实际上感光板的乳胶有一定的厚度，而且是透明的，故其内部也存在物光波与参考光波的相互干涉，干涉条纹也被记录下来，经过处理后得到的三维全息图，相当于三维光栅。三维光栅收到布拉格条件的限制，只有物光束与参考光束的夹角较小时才能同时出现正负一级衍射。当物光束与参考光束的夹角较大（如接近180o）时,和X射线在晶格中的衍射一样，三维光栅对对光的衍射也具有波长的选择性，因此可以用单色相干光制作全息片，用普通的白光照射它实现波前重建。此过程成为反射全息。

如果参考光束和物光束从感光干版的同一侧入射，而且相对于乳胶面而言，他们的入射角都不大的话，形成的全息图可近似看作乳胶面上的二维干涉条纹。

                                                                  

【全息照相拍摄条件】

1、对稳定性的要求

全息片所记录的是参考光束和物光束之间的干涉条纹，这些干涉条纹十分细密，拍摄全息照片时，极小的扰动都会使得干涉模糊，甚至使干涉条纹完全不能记录下来。简单的理论推导及实验证明，景物在曝光时间内移动就足以使干涉条纹模糊不清。所以，为了成功地记录干涉条纹，曝光期间，原件的相对位移应小于条纹间距的几分之一。此外，空气、声波和温度的变化也会引起原件的震动，或者使空气的流动密度不均匀而导致光程变化，因此，曝光期间应避免大声喧哗、敲门、吹风等，更不能碰到防震台。缩短曝光时间也有利于减少外界震动的影响。

2、对光源相干性的要求

如前所述，参照光束与物光束必须是相干的。实验用的是的He-Ne激光器，激光的单色性虽然很好，但普线仍然有一定的宽度，相应的相干长度。考虑到最坏的情况，例如多普勒展宽时，。为了保证物光束与参考光束相干，应是参考光路与物光路的光程接近相等。而被摄景物的景深也应该在相干长度以内。

【实验内容】

实验方法一：

制作漫反射物体的全息片的典型光路图如图4所示，这是一种典型的利思—厄帕特尼克斯（离轴型）全息照相的光路图。He-Ne激光器发出的激光由分束镜分成两束，两光束从底片的同一侧入射，两束光强的比例，要视要视被摄物的漫反射能力以及参物两光束在底片上的比例来决定。

 

                                      

实验步骤：   

1、开始实验前，激光器要预热一小时，以免发生波长振动。

2、实验中，图4为光路图，图6为仪器摆放图。调节激光器使激光束距离底板13ｃｍ，按图4图6排好光路。实验中考虑到光程差的问题，将反射镜  取消，分束镜的功能由1/4波片执行。调好光路后将各原件固定在底板上，以保持机械稳定性。

3、通过调节各仪器的高低、相对位置，初步将物光与参光调节至打在观察屏上使得光斑已调节至近圆均匀，物光束和参考光束应从同一面打到观察屏上。

4、预热好后，关闭激光器，在暗环境下，更换新的照相底片。

5、打开激光器，让底片在暗环境和无声环境中曝光60S后，关闭激光器。

6、暗环境下，将底片置于30左右的清水中20S，再置于异丙醇中120S，作显影、停影和定影。

7、全息片从异丙醇中取出后，立即用吹风机将底片吹干，注意吹风机与底片的距离要大些，以免吹风机温度过高损伤乳胶面，影响实验结果。

8、在有光条件下观察波前重建。

由于粗略估计各仪器的摆放位置，纳米级别的光程差太大而使乳胶面上不能形成干涉图样，故没能实现波前重建。

 

实验方法二：

反射式全息片的制作法是让物光束和参考光束分别从照相底板的两面进入乳胶层，如图5所示，激光器发出的光经反射镜打在乳胶层上作为参考光，透过乳胶层的部分光透过干版，经硬币反射后与参考光在乳胶层处干涉，干涉条纹被记录下来。

实验步骤：   

1.  开始实验前，激光器要预热一小时，以免发生波长振动。

2.  实验中，图5为光路图，图7为仪器摆放图。调节激光器使激光束距离底板13ｃｍ，按图5图7排好光路，且使激光器， 反光镜和物体三者大约呈直角。为避免参考光太强，激光束要经过反射镜M后才能打到乳胶面上。全息片的乳胶面应正对激光，硬币成像面应紧贴全息片背面。应保证照射到全息片上的激光能均匀完全地覆盖硬币。调好光路后将各原件固定在底板上，以保持机械稳定性。

3.  预热好后，关闭激光器，更换新的照相底片。

4.  打开激光器，在暗环境和无声环境让底片曝光60S后，关闭激光器。

5.  暗环境下，将底片置于30左右的清水中20S，再置于异丙醇中120S，作显影、停影和定影。

6.  从异丙醇中取出后，立即用吹风机将底片吹干，吹风机与底片的距离不能太近，以免吹风机温度过高损伤乳胶面，影响实验结果。

7.  在有光条件下，选择适当角度观察波前重建。

【实验结果及分析】

方法一：

结果：被摄物为一元硬币，显影结束后，当水分未完全吹干时，依稀可以看到胶片上圆形轮廓上有有着一元的标志，但用风筒吹干胶片后，所能看到的是硬币的圆形轮廓，其它都看不到。实验失败。

结果分析：该实验未成功原因分析为：

1.    两条光路的光程差不相等。因为实验过程中是用绳子来判断他们的光程差，测量时往往忽略了反射镜的厚度，造成误差。

2.    实验的反射光束太强而参照光束太弱，由于实验采用的分光镜透过率与折射率之比为7：5，而采用的一元硬币为新硬币，反射率高，可以在观察屏上看到反射光强明显强于参照光强。而要得到全息影像，干板上的参考光和物光光强之比，使得Ir︰Ia =2︰1～10︰1之间均可，一般调节在3︰1～5︰1之间。

3.    实验调节两光的夹角，按要求调节至20到30度角，而仪器的稳定性及光源的相干性都没有发现问题。

方法二：

结果：被摄物为一元硬币，实验清晰的看到了硬币的完整图像，所得全息图上可清晰看出“1”以及稍显模糊的“中国人民银行”等字。改变观察视角可看出硬币的凹凸部分，有立体感觉，像和原物大小一样, 整个画面层次清楚形态逼真。 实验基本取得成功。

结果分析：较之实验一此次之所以能成功，源于对上面实验中不妥的地方进行了改正：实验采用硬币成像面紧贴全息片背面的方法，极大地减少了光程差。同时，此实验的反射光与参照光之比也较能满足实验要求。

【实验总结】

经实验总结出实验中的基本注意条件与影响因素如下：

1.      系统的稳定性的要求，全息片所记录的是参考光束和物光束之间的干涉条纹，这些干涉条纹十分细密，拍摄全息照片时，极小的扰动都会使得干涉模糊，甚至使干涉条纹完全不能记录下来。

2.      安排及调整实验光路的影响。

       （1）、光程要尽可能的相等

   （2）、夹角选择: 根据上面的分析, 本实验中选择参考光和物光的夹角取20°～30°为宜。

   （3）、调节光强比: 由上所述可知, 要达到较好的效果, 应使参考光增强, 以避开非线性区, 减少斑纹效应。一般情况下，要得到全息影像，要调节干板上的参考光和物光光强之比，使得Ir︰Ia =2︰1～10︰1之间均可，一般调节在3︰1～5︰1之间。

   （4）、光学元件的选取和放置。为减少光损失及干扰, 选用的光学元件数越少越好。同时注意不要用手接触镜的反射面。

   3、   曝光及显影时间的影响。时间太长或太短都会对实验造成不良的影响。一般情况下，实验要求暗环境下，将底片置于30左右的清水中20S，再置于异丙醇中120S，作显影、停影和定影。

   4、   全息片的乳胶面应正对激光入射方向。

【思考题】

1、 与普通照相比较，全息照相有哪些特点？

答：

1)   全息照片可以用接触法复制，但无正负片之分，不论是原来的还是复制的都再现被摄物体的正像。而且无论照明乳剂的反差特性如何，再现影像的反差同原物体的反差都非常接近。

2)   全息照片绕垂直轴线转，引起一个倒转的像，让全息照片绕一水平轴线旋转，也产生一个倒转的像，但让全息照片绕一个垂直与全息图平面的轴线转则不引起像的倒转。

3)   在同一张底片上用连续曝光方法可以重叠几个影像，而每一张影像又不受其它影像的干扰而单独显现。

4)   全息照片在适当的照明下重建物光波与原来的物光波具有相同的深度和视差。改变观察的位置，就可以看到景物被遮拦的物体，观察近距离的物体，眼睛必须重新调焦。

5)   全息图能完全再现原物的波前，因而能观察到一幅非常逼真的立体图像。而普通照相得到的只能是二维的平面图像。

6)   全息照相过程分记录、再现两步，它是以干涉衍射等波动光学的规律为基础的；而普通照相过程是以几何光学的规律为基础的。全息图所记录的是物体各点的全部光信息，包括振幅和位相；而普通照相底片记录的仅是物体各点的光强。全息照相过程中物体与底片之间是点面对应的关系，即每个物点所发射的光束直接落在记录介质整个平面上。全息图中每一个局部都包含了物体各点的光信息；而普通照相过程中物像之间是点点对应的关系，即一个物点对应像平面中的一个像点。全息照相是干涉记录，要求参考光束与各个物点的物光束彼此都是相干的。而普通照相只是像的强度记录，并不要求光源的相干性，用普通光源就可以了。

2、全息照相是如何把光波的相位记录下来的？

答：在全息照相中利用了波的干涉原理，干涉过程中，胶板记录介质上各点的强度，这实际上记录了物光波以及参考光波在各点的振幅与相位，因此全息照相达到了同时记录包括光波位相和振幅在内的全部信息的目的。

3、到再现像后，将全息片旋转或倒置，透过全息照片能否观察到原再现图像？

答：

1)   若全息照片绕垂直轴线转180度，则引起一个倒转的像，

2)   若让全息照片绕一水平轴线旋转180度，也产生一个倒转的像，

3)   但让全息照片倒置即绕一个垂直于全息图平面的轴线转180度则不引起像的倒转，观察到原再现图像。