实验五散射物体离轴全息图的拍摄

19实验五散射物体离轴全息图的拍摄一、实验目的（1）了解散射物体光场的分布特点；（2）学会参物比和曝光量的选择；（3）掌握离轴全息图拍摄的光路构建；（4）掌握全息干板的化学处理过程；（5）学会用激光束再现，观察和评价全息再现像。二、实验原理概述1.散射物体的物光场所谓散射物体就是指表面只发生漫反射(也就是散射)的物体，它的复反射率),(yxr可以表示为),(0),(),(yxiSeyxryxr(5-1)式中),(0yxr反映散射物体表面的反射率分布，而),(yxS反映散射物体的表面形貌分布。当激光被散射物体调制后的光场分布为),(),(),(0000000yxEyxryxO(5-2)我们可以把),(000yxO重新写为),(),(),(0000000yxSyxWyxO(5-3)式中),(00yxW是照明物体外型轮廓的光场分布，由于它是用相干光照明的，故此光场应是相干的，它可以用一个复函数来描述。它的振幅分布应代表各点的振幅反射率),(00yxr。而其相位分布函数(波面)就是由物体外型轮廓所决定，这说明整个轮廓是有确定相位关系的。而),(00yxS是在物体上大量随机分布的点，我们可以把这些点看作是一些随机抽样点，故),(00yxS可用随机位移的δ函数组来描述，由于各点的位置分布是随机的，故各点之间没有确定的相位关系。从散射物体传播到干板的过程是菲涅尔衍射，故干板上的光场分布),(yxO应是),(000yxO的菲涅尔变换)]}2({exp[)},({)]}2(exp[),({),(20200002020000zyxikFyxOFzyxikyxOFyxO(5-4)]2)(exp[02020zyxik的傅里叶变换还是一个近轴球面波，也就是一个大的爱里圆斑(实际上是一大堆尺寸相近的爱里圆斑的重叠)，),(000yxO的傅里叶变换是一个散斑场，卷积过后就是一个大的爱里圆斑包围着的散斑场。每一个散斑与散射物体的外形轮廓有相似之处，只不过原来高的变矮，胖的变瘦，反之亦然。可以用下式对每个散斑的平均尺寸SD作一估算：20dlDOS(5-5)d是散射物体的外形尺寸，0l为物体到观察屏的距离。设cmd10，cml300,m6328.0，则mDS9.1，故在散斑尺寸较小时，肉眼观察不到，看起来只是光场的灰度有所变化而已。每一个散斑是原照明物体外形轮廓光场的衍射斑，故它们的面积是一个小的近轴球面波的波阵面(即是相干的)，但不同散斑的波阵面的传播方向是各不相同。因为物面上各点的位置是随机分布的，所以各散斑之间没有相位关系。2.散射物体的全息图片当物光与参考光相遇而发生干涉时，每一个散斑就形成一个小的光栅，把它称为子全息图。所有无规则分布的子全息图的总和就是散射物体的全息照片。如(图5-1)所示，是一张被电子显微镜放大五千倍后的部分全息图片。其中(A)是矩形散射物体的部分全息图片，照片中矩形散斑历历在目。而(B)是平面波的部分全息图片，照片中是与组平行干涉条纹，没有散斑。3.散射物体全息图的再现像(1)用宽激光束再现的情况：当用宽激光束再现光照射全息照片，干板上所有的子全息图都被照明。我们先考虑其中任一个子全息图，它的+1级衍射光将再现物光，即再现所有原来物点发出的每一束发散球面波，如(图5-2)所示，图中从子全息图出来的每一条光线，就代表一束发散球面波，它们的延长线交于所有虚像点，并行成原始虚像。它的-1级衍射光将再现物光的共轭光，即再现所有原来物点发出的共轭光，如(图5-2)所示，图中从子全息图出来的每一条光线，就代表一束汇聚球面波，它们交于所有的实像点，并行成共轭像。按物像关系式ROROIlllll2(5-6)原来物点近的现在共轭像点反而变远了，物点远的现在共轭像点反而变近了，这样就使得原来物体凸出的部份现在反而凹了下去，产生严重变形这称为赝像。也就是说共轭像是赝实像。(图5-1)被电镜放大五千倍后的部分全息图片21每一张子全息图再现出的是该子全息片所在位置处看到的原物体的像。干板上所有的子全息图，将再现出全体子全息所看到的不同方位物体的像，按物像关系它们完全重合在一起，构成了物体的较大方位的三维再现象。所以少量子全息图片的损坏或丢失，并不影响物体的较大方位三维再现像。每一个像点的成像光束，来自全息图片上，所有能够看到该点的子全息图，故该点的成像光束的直径是较大的。但是对不同像点有贡献的子全息到不完全相同，这正表现了它们是记录着不同方位的物体的像。(2)用细激光束再现像全息像：当用细激光束(指光束直径在一毫米或更小)照射全息图片时也能再现物像，如（图5-3）所示。实验发现两个衍射像都成了实像。其中一个是倒立的实像，另一个是正立的实像，而且两者的景深较长，即在相当长的范围内它们都是清楚的。那个正立的实像就是负一级衍射像，它是三维共轭像。只不过目前窗口太小，不便直接观察，一般也在屏上观察。它的景深长是由于小孔限制了再现子全息的数目，且使它们的方位也极为接近，这样它们产生的同一像点，就能在较长的范围内都能重合，可以被观察到再现像，而不会模糊。为了解释那个倒立实像，我们先来讨论针孔成像的原理。如(图5-4)所示，在屏Ⅰ上有一小孔光拦(针孔)，它起着限制物点发出球面波光束直径的作用。也就是说它把光波限制成了光线，在几何光学近似成立的范围内，这条光线将在屏Ⅱ上留下一个像点。这样就形成了物点和像点的一一对应关系。所有物点将通过针孔在屏Ⅱ上投影出一个对应点，它们的全体形成一个倒立的实像。当然，这个像的分辩率是很差的，因为像点的尺寸就是小孔的尺寸。但小孔的尺寸亦不能太(图5-2)子全息图再现两个物像（图5-3）用细激光束再现全息图象（图5-4）针孔成像的原理22小，由于衍射使像点反而变大，它存在一个最佳的大小。针孔成像的特点是①分辩率不高的倒立实像，②景深较长(是因为在投影过程中光点变化不大)的平面像。最早的照像机就是针孔像机。现在我们回过来再看细激光束再现全息象，细激光束的直径现在就相当于针孔，它限制了能够成像的子全息图数目。这时+1级衍射像是三维全息像，而+1级衍射像是再现每一物点发出的的物光，它们本是发散球面波，应在干板的另一侧再现原始虚像，此像也是存在的，但目前情况下观察窗口只有细光束那么大一点，故无法观察，故图中也就未绘出来。另一面，现在由于针孔的限制，把虚像点的所有发散光束的直径也限制成了小孔。利用针孔成像道理，它就应在干板的另一面形成一个倒立平面实像，其分辨率很差，但是有较长景深如（图5-2）所示。当激光束变粗时，相当于针孔直径加大，像的分辨率下降，随着激光束直径的再增加，此倒立实像就逐渐变模糊而消失了，而只留下原始虚像，由于观察窗变大也就好观察了，着就过渡到正常情况。三、实验仪器及注意事项光学平台一张He-Ne激光器一台分束镜一块全反射镜两块光学镜架三个扩束镜二个准直镜一个干板架一个全息干板一块二维架六个升降调节座三个二维平移底座三个三维平移底座一个载物台一个照度计一个注意事项：（1）不要自己调整激光器！！（2）不能让激光束直接照射眼晴，同时也要防止较强的反射光进入眼晴，否则会严重损害视力。（3）所有光学镜片，不能用手摸，不能对着哈气。用后放入干燥箱内。如果发现有不清洁现象，应交教师处理。（4）遵守暗室规则。化学处理在教师指导下进行。四、实验内容1．散射物体全息图片的拍摄23按(图5-5)构建散射物体全息图的拍摄光路图。其中分束镜P把激光束按一定比例分为两束，一束为物光O经扩束后变为发散球面波（也可以经准直镜变为平行光），用来照明被拍摄的散射物体。从物体的散射光到达干板，它带有物体信息故称物光。另一束参考光R经扩束后变为发散球面波，再经准直镜变为平行光到达干板。它和物光干涉使物光的相位变为光强，故称为参考光。所产生的干涉条纹经曝光和化学处理后，被记录保存在干板上这就是散射物体的全息图。①在构建拍摄光路前应对光学平台的防震性能进行检查，并测量激光器的输出功率，检查输出光斑图样（一般由指导老师负责）。②据图（5－５）或自己设计光路，在构建光路时，尽可能做到让参考光和物光的光程相同(此光程指由分束镜起到记录干板的光程)。③光路构建好后，应再次检查所有支架的紧固螺定是否锁紧。④遮住参考光检查物光是否均匀，并调整之使其达到要求；⑤用照度计测物光照度，遮住物光用照度计测参考光照度，调整物光或参考光强使参物比接近8：1(对于散射物体采用较强的参考光，有利于弱散斑的信息放大)；⑥依据干板特性曲线(即测定衍射效率-曝光量曲线)，选择恰当的总曝光量（本实验所用天津—I型干板曝光量为220—240lxs）。测量总照度，依据曝光量确定曝光时间；⑦设置并试用曝光定时器，遮住激光束，安装干板(选择高分辨率和高灵敏度的记录材料作干板，才能获得高信噪比的全息图)，静台10—15分钟。⑧按曝光时间进行曝光，曝光结束后用暗盒装好干板。⑨在教师指导下，在暗室中作化学处理，选择恰当的显影时间(约80秒，不适宜用延长曝光时间来增加黑度，这对减小噪声有利)。⑩将干板干燥后保存，以备再现使用。2．散射物体全息图片的再现①分别用参考光和逆共轭光照射全息图片，再现物体像，对原始像和共轭像做出评价。②用细激光束再现全息像，对它的两个实像做出评价。五、思考问题（1）为什么要做到让参考光和物光的光程相同？（2）为什么在拍摄散射物体全息时，要采用较大的参物比？（3）为什么采用较短的显影时间有利于减小噪声？（4）为什么不适宜用延曝光时间来增加黑度？(图5-5)散射物体全息图片的拍摄