实验29-半导体激光全息照相实验

半导体激光全息照相实验实验说明北京方式科技有限责任公司全息照相是以光的干涉和衍射理论为基础的波前记录和再现技术。普通照相可以对各种物体的光强进行永久性记录并保存下来，小至显微镜下的图像，大至星体的图像，它已在人类历史和科学研究等方面获得了广泛的应用，并且正在不断地提高和发展。1947年英国科学家盖伯在提高电子显微镜的分辨率研究中提出了“光学成像的一种新的两步方法”为全息照相的发展奠定了理论基础。由于当时没有一种良好的相干光源因而进展缓慢。直到1960年以后激光的出现为全息照相提供了相干性良好的光源才获得了迅速发展。1962年美国科学家利思用激光作光源并引入离轴参数光束的方法拍摄了第一张具有实用价值的全息图后，全息照相开始成为光学研究方面的活跃领域之一。此后除激光全息外还发展了超声全息、微波全息、红外全息等，并在军事技术、科学研究、工农业生产、艺术记录等方面得到广泛应用。实验目的1、通过拍摄漫反射物体的透射全息图，加深对全息照相基本原理的理解；2、通过观察透射全息图的重现像，领会并总结全息照相的特点及其与普通照相的本质区别；3、通过光路布置过程，熟悉和掌握各种光学元件的特性及其调节方法。实验原理一全息照相的原理全息照相是和普通照相具有本质区别的一种显示物体三维像的照相技术，它具有真正的视差和大景深，因此有真正的立体感。普通照相是把从物体表面发出或反射的光经透镜会聚成像，用感光胶片把像记录下来。由于现有的光记录介质的响应时间比光波振动的周期长得多，因此都只能记录光强——光波振幅的平方，而不能直接记录光波的位相，所以它得不到一个三维像的记录。全息照相不仅记录了物体光波的振幅，同时也记录了它的位相，这种方法把物体光波波前的全部信息都记录下来，所以成为“全息照相”，也称为波前记录。利用光的衍射原理可把物体光波还原再现出来。全息照相不仅要记录物体光波的振幅，而且还要记录位相，而记录介质只对光的强度（振幅的平方）敏感，因此必须把位相也转换成振幅信息并把它记录下来，光的干涉效应——两列相干光波叠加而产生明暗相间的干涉条纹（干涉图案），不但与这些相干光的振幅有关，而且与相位有关，为了产生干涉效应记录位相，可用另一束称之为参考光的相干光和物体光波相干涉来完成。现在通常采用的记录和再现光路大都是利思所提出的“离轴型”全息图光路，即物光束和参考光束由明显不同的方向到达记录介质。这种全息图记录的典型光路如图一所示图1透射全息图示意图从激光器发出的光经分光片分成两束，其中反射的一束到达反射镜2M，然后经扩束镜扩束后照射全息底片（此即参考光束），另一束透射光到反射镜1M，经扩束镜扩束照到物体，再由物体漫反射到全息底片形成物光束。物光束和参考光束在全息底片上迭加，产生干涉并出现各种明暗不同的条纹、圆环、斑点等干涉图案，并由胶片上感光乳剂记录下来，经显、定影后成为一张全息照片（全息图）。全息图上的干涉条纹形状反映物光和参考光的位相关系，而其明暗对比则反映物光的强度。由图中可知，全息照相的记录过程和普通照相不同，它可以不要透镜，因此也称无透镜成像，而记录过程实质上是一个光波干涉的过程。用数学公式可以表达如下：假设X0Y为全息照相干版平面，Z轴垂直于平面，物光和参考光在该平面上为别表示为yxieyxOyxO,00,,yxiReyxRyxR,0,,（1）两列光波在底片平面上干涉后的合振幅及光强为ROAROORRROOROROI******=RRiieROeRORO0000002020=RRORO0002020cos2（2）上式是全息照相记录的基本公式。当把感光后的全息照片显、定影处理后，用激光照射，有一个振幅透过率T，即透射光复振幅和入射光复振幅之比，在线性记录时，振幅透过率T和曝光时光强成正比，即：IT当用再现光波yxiCeyxCC,0,照射时，透过光波ORCORCROCCTA2020其中是一常数，为了简单起见，常把它略去放在0C中，这样RCRCiiieORCeORCeCROA00000000002020这就是全息图的再现，也称波前再现的公式，式中第一项是表示再现光波透过后继续直射波，第二项代表原始像，而第三项则代表共轭像。二全息照相特点由于全息照相是波前的记录和再现，因此它有着和普通照相不同的特点：（1）真正的体视性。全息图记录的是物体的三维形象，这可以通过观察全息重现像加深理解。（2）全息图具有弥散性，即使一张打碎的透射全息图的碎片仍可通过激光照明重现所拍摄物体的完整的形象。（3）全息图可同时重现虚像和实像，尤其在参考光采用平行光照明的情况下，特别容易观察到。重现时，只需将全息底片做一次翻转即可。（4）全息照相可进行多重记录，只需适当改变参考光相对于全息底片的入射角，即可在同一张全息底片上记录多个全息图。三全息图的分类全息照相的分类方法很多，主要有下列几种：1、透射式全息照相和漫射全息照相2、菲涅尔全息和夫琅和费全息3、平面全息图和体积全息图4、吸收型和位相型全息本实验为透射式位相型全息图实验内容透射全息图的拍摄一光路调整根据图一基本光路，按照全息台面的大小和激光器的位置，考虑各光学元器件的特点，在台面上大致设计好光路的摆放。在安装光路时要注意到：（1）物光与参考光两光束的夹角应控制在30°～60°，以便重现时衍射物光与零级透射光容易分开。（2）从分束镜到记录平面应使参考光和物体中心部位物光的光程尽量相等，由于激光的相干长度有限。（3）由M2反射的细激光束应射到拍摄所用的干版的中心。（4）物体与干版架的距离一般应控制在25cm以内，太大会导致物光较弱，不利于记录。二调节曝光时间应根据所用激光器的功率、被拍摄物面的反射率状况以及所用全息底片的灵敏度，确定适合的曝光时间。本实验可以曝光90—120秒。三显影及定影：曝光后的干版处理方法如下（18°~25°）；1、在蒸馏水内静置浸泡5秒钟。2、在纯度为40%异丙醇中静置脱水10~20秒钟。3、在纯度为60%异丙醇中静置脱水60~80秒钟。4、在纯度为80%异丙醇中静置脱水15~20秒钟。5、在纯度为100%异丙醇中脱水观察60~80秒钟。6、取出后，迅速用吹风机热风快速吹干，直到出现清晰明亮的图象为止（对反射全息图）。