關于全息照相白光再現(xiàn)方法的深入研究

文/鄧宇，吉林建筑大學實驗物理中心

關于全息照相白光再現(xiàn)方法的深入研究

文/鄧宇，吉林建筑大學實驗物理中心

針對目前工科院校中所開設的全息照相實驗，大多只能激光再現(xiàn)的現(xiàn)狀, 設計了一種全新的光路，記錄白光再現(xiàn)反射體全息圖，克服了傳統(tǒng)白光攝制方法只能拍攝類似硬幣的扁平物體的不足，這種光路用于實驗物理教學中，可方便地提升全息照相實驗教學內容的層次,并且極大地調動學生的實驗興趣。

全息照相;白光再現(xiàn);光路改進

全息照相是信息光學中最活躍的領域之一,在全息顯示、全息干涉度量、全息光學元件、全息信息存儲、全息信息處理、全息顯微術等領域有著廣泛的應用。物理實驗是物理學的基礎,同時也是現(xiàn)代工程技術的基礎,通過物理實驗,不但有助于學生對基本物理原理的理解,更有助于架起理論與實踐的橋梁。目前,大多數(shù)工科院校都開設了全息照相這個實驗題目,然而大多數(shù)實驗都停留在第二代全息照相技術的基礎上,即激光記錄、激光再現(xiàn)。這雖然有助于學生對全息原理的理解,并且較大程度地保證實驗成功率,但因為再現(xiàn)受光源的限制,制約了學生的實驗積極性,且實際上全息照相技術已經取得了很大的發(fā)展,教學內容卻仍停留在第二代全息照相水平上,顯然與現(xiàn)代科技的發(fā)展很不協(xié)調。本文針對目前工科院校中所開設的全息照相實驗存在的上述問題,利用反射體全息圖可用白光再現(xiàn)的特點,設計了一種新穎的白光再現(xiàn)全息圖攝制光路,可以拍攝較大的三維模型。

1 原理

全息照相術是一種用光學方法在視覺上再現(xiàn)原物清晰立體像的典型技術,這種技術利用光的干涉和衍射現(xiàn)象,將物體的全部信息以干涉條紋形式記錄在介質上,當用再現(xiàn)光照射這種介質時,就能再現(xiàn)一個逼真的三維立體像,按所用再現(xiàn)光源分類,全息圖可分為激光再現(xiàn)全息圖與白光再現(xiàn)全息圖兩類,早期的透射式全息圖需要用激光再現(xiàn),而目前通常的白光再現(xiàn)全息技術只能拍攝類似硬幣的小面積浮雕立體圖表面,在顯示領域失去了極大的優(yōu)越性,需要深入研究和改進。體積全息圖是獲得白光再現(xiàn)全息圖的一種方式,按干涉條紋形成的方式,分透射型和反射型兩種,在反射全息圖中,物光與參考光從干版的兩側入射到干版上,二者疊加發(fā)生干涉,經顯影、定影制備而成,反射全息圖中,物光與參考光的干涉面幾乎與介質表面平行,由于參考光與物光在乳膠層干涉的結果,導致處理后的全息圖中的銀粒密度是按余弦規(guī)律變化的層狀結構,且平行于玻璃片基,銀層的間距d滿足[1]

2dsin(θ/2)=λ

波前再現(xiàn)時,全息圖對光的衍射作用類似于三維光柵的衍射,一部分光被反射衍射,另一部分透射衍射,在反射光中,為了獲得明亮的再現(xiàn)像,要求經相鄰銀層反射的光所經歷的光程差剛好差一個光波波長,即滿足布喇格條件

2dsinΨ=＋λ

式中Ψ為入射光與銀層間的夾角,λ為光在記錄介質內傳播的波長,當Ψ=θ/2時得虛像,當Ψ=π+θ/2時得實像,再現(xiàn)時只有波長滿足布喇格條件的光波才能被反射,并同位相疊加而成像,其它波長的光則被透射過去,因此,理論上不會發(fā)生由于各種波長的像相混疊而導致的像模糊。

實際中全息圖相當于一個復雜的光柵，它在白光照射下會多少會產生一些色散，使各個波長的像相互交疊，從而導致像模糊，而再現(xiàn)像的色模糊量與全息圖的色散率、光源線度及像到全息圖的距離有關，當該距離趨向于零時，色散模糊量也趨向于零。這就是為什么白光再現(xiàn)記錄全息圖時，要選擇扁平物體貼近于記錄的介質上，才能拍攝出清晰的像，為了克服這個限制條件，需要對光路改進，在物光光路中加入透鏡成像部分，使成像位置處于記錄介質即全息干版位置，相當于物光來自于全息記錄平面，同時包括該平面前后附近區(qū)域，由于透鏡成像既能放大也能縮小，因此對所拍攝的三維模型體積有很大的選擇余地，再經顯影定影烘干后，即可用白光源再現(xiàn)出單色像,是制作白光再現(xiàn)全息圖的一種好方法。[2]

2 實驗內容

自氦氖激光器輸出的光經分光鏡分為兩束,兩束光的光強比控制在1：7左右,其中反射的一束較弱,經平面鏡的再次反射和擴束鏡擴束后投射到全息底片上,構成參考光部分。透射的一束經過一個透鏡擴束變成一束光斑較大的近似平行光,投射到物體上并形成漫反射作，再經過一個透鏡成像到全息底片所在平面構成物光部分，其入射方向與參考光相反，二者在全息干版內部相互干涉形成記錄條紋，采用這種光路拍攝全息圖時,參考光與物光的最終相對強度比為1：1，漫反射式全息片的制作過程就是讓物光束和參考光束分別從照相底板的兩面進入乳膠層，在乳膠層處干涉，干涉條紋被記錄下來。

實驗步驟：開始實驗前，激光器預熱大約10分鐘。

擺好光路，為避免參考光太強，激光束要經過一次反光鏡后才打到干板上。

（1）預熱好后，關閉激光器，在暗環(huán)境下，放置好被測物體與干版。

（2）打開激光器，讓干版曝光20S后，關閉激光器。

（3）暗環(huán)境下，將底片置于25度左右的清水中30S，再置于異丙醇中300S，作為顯影及定影。

（4）經過清水沖洗1分鐘后,用烘干機將底片烘干。

（5）利用白光觀察實驗結果。

實驗結果分析：經過一周的實驗總結，吸取上一周實驗的教訓，再三設計好光路，嚴格控制曝光時間和水溫，持續(xù)用異丙醇沖洗直至有較明顯成像才用烘干機吹干。成像結果清晰可見，如有模糊,分析其原因有：（1）參考光比物光強，導致成像不清晰。（2）參考光與物光夾角過大，導致干涉成像范圍不集中。（3）水洗時間過短。（4）顯影定影時沖洗力度過猛。經多次摸索經驗,才可以順利制成能夠在白光如太陽光下觀察的全息底片,在未鍍乳膠的一面可以看到清晰的綠色成像，理論上是單色的，實際上由于再現(xiàn)光中包含各種波長，經色散作用能看到類似彩虹一樣的像。[3]

3 結論

通過上面的光路改進，使全息照相這個近代物理實驗得到更趨近實用的升級換代，而實驗裝置新添加的元件很少，光路簡單易懂，只需在目前普遍采用的激光全息攝制光路中多加兩塊凸透鏡，就可攝制白光再現(xiàn)全息圖，提升實驗教學內容層次，在實際教學過程中明顯提高了學生的實驗興趣，使學生對該項技術有了進一步的了解，并且能夠通過一次認真的實驗過程制作出一份屬于自己的能隨時欣賞的作品，獲得了很好的教學效果。

[1]華南理工大學實驗物理教研組.大學物理實驗,下冊[M].廣州：華南理工大學出版社,2000

[2]王仕.信息光學理論與應用[M].北京：北京郵電大學出版社,2003

[3]陳家璧,蘇顯渝.光學信息技術原理及應用[M].北京：高等教育出版社,2000

鄧宇（1970—）,吉林建筑大學基礎科學部,講師,專業(yè)為原子核物理與核技術。