全息光学信息存储

光信息专业实验：全息图像存储1中山大学光信息专业实验报告：全息图像存储实验人：何杰勇（11343022）合作人：徐艺灵组号B13（2014年4月24日星期四）【实验目的】1.了解全息照相的基本原理和基本规律。2.了解傅立叶变换全息图的基本原理。3.掌握全息图像的存储和提取信息的方法。【实验用具】He-Ne激光器、4f系统、防震台、秒表、尺子、底片、毛玻璃屏D76显影剂、F5定影液、夹子、电吹风机、抹布【实验原理】激光全息存储技术是一种利用激光干涉原理将图文等信息记录在感光介质上的大容量信息存储技术。目前，这种信息存储技术是通过将缩微胶片上的影像转变为光信息，然后制出存储密度很大的全息图。所谓全息照片就是一种记录被摄物体反射（或透射）光波中全部信息的先进照相技术。全息照片不用一般的照相机，而要用一台激光器。激光束用分光镜一分为二，其中一束照到被拍摄的景物上，称为物光束；另一束直接照到感光胶片即全息干板上，称为参考光束。当光束被物体反射后，其反射光束也照射在胶片上，就完成了全息照相的摄制过程。反射激光全息图像成像原理是将入射激光射到透明的全息乳胶介质上，一部分光作为参考光，另一部分透过介质照亮物体，再由物体散射回介质作为物光，物光和参考光相互干涉，在介质内部生成多层干涉条纹面，介质底片经处理后在介质内部生成多层半透明反射面(例如6微米厚的乳胶层里可以有20多个反射面)，用白光点光源照射全息图，介质内部生成的多层半透明反射面将光反射回来，迎着反射光可以看到原物的虚像，因而称为反射激光全息图。全息照相主要分为两步，即全息记录和波前再现。1.全息记录如图1所示,将激光器输出的光束分为两束，一束投射到记录介质上，称为参考光束；另一束投射到物体上，经物体反射或透射后，产生物光束，也到达记录介质。两光束在记录介质上形成干涉条纹，把干涉条纹记录下来即得到全息图。干涉条纹的明暗对比程度反映了物体上各处发光的相对强度。因为射到底片上的参考光光信息专业实验：谱线宽度测量实验2的强度是各处一样的，各处物光的强度不同，其分布由物体的发光决定，这样参考光和物光干涉时形成的干涉条纹在底片上各处的浓淡也不同。这浓淡就反映了物体上各处发光的相对强度。干涉条纹的密度和方向反映了物体上各处发的光到达底片时的相位不同。设a，b为某相邻两条暗纹所在位置。要形成暗纹，在a，b两处的物光和参考光必须都反相。由于参考光在a，b两处是同相的，所以到达a，b两处的物光与参考光的光程差必须是λ。由图3几何关系可知dssin(1)即srdssin(2)这一公式说明，在底片上同一处，来自物体上不同发光点的光，由于它们的θ或r不同，与参考光形成的干涉条纹的间距就不同，因此底片上各处干涉条纹的间距，以及条纹的方向就反映了物光光波的相位的不同，这实际上反映了物体上各发光点的位置的不同。整个底片上形成的干涉条纹，实际上是物体上各发光点，发出的物光与参考光所形成的干涉条纹的叠加。波前再现如图3所示,用一束同参考光束的波长和传播方向完全相同的光束照射全息图，则用眼睛可以观察到一幅逼真的原物图像。全息图上的任一点均记录了物光束的全部信息，所以用全息图的任一部分均可重现被照物体。波前再现的原理为：布满干涉条纹的全息图相当于一个光栅，照明光束经全息底片衍射后，产生衍射场，其中包含了原物的波前，人眼看到的是这个再现波前产生的虚像。本实验使用4f成像系统进行实验，实验系统分为两部分，一部分实现全息存储（图2），另一部分实现全息再现（图3）。底片处理分曝光、显影和定影三个过程。曝光：曝光就是使感光底片感光，感光底片的感光作用是由感光材料引起的。目前所用的感光材料主要是卤化银。感光过程基本上是一种光化作用结果。在光照射下，卤化银中的银离子还原成银原子，然后聚积在受光点附近，形成一个银斑，这银斑常称为“潜影”。显影：把感光后的底片放到D76显影液里，靠近“潜影”的银离子继续还原，使银斑的密度加大，直到形成可以清楚辨认的黑斑。定影：用F5定影液把未分解的卤化银溶解掉。经过定影的底片已无感光物质，因此即使底片暴露在光线下它也不再被感光，这样就保证只有原来被曝光处有潜影，把原来的影像在某种程度上固定了。曝光、显影和定影三个过程的时间控制,对实验的成败影响很大。【实验注意事项】1、一定不能用手或其他东西接触光学元件以保持清洁不损。这是光学实验室的一般常识，在全息照相实验室尤为重要，因为一个尘埃就可以引起一套衍射环，将对全息图引入噪声。2、要求激光器具有TEM00模，这样可以达到较高的空间相干性，否则光强不均匀不稳定，给实验带来很大困难。此外尽量要使物和参考光等光程，其差值至多在几个cm之内，光信息专业实验：谱线宽度测量实验3保证很好的时间相干性。3、为取得对比度较好的全息图，实验必须要在隔振台上进行，且曝光时不要走动，大声说话，不要接触台面上的任何器件，以保证光程稳定。一般振动、热或声波等引起光程差的变化在曝光时不得超过/8。4、对底板的曝光时必须使曝光的动态部分处在底板的乳剂特性曲线的线性部分以保证通过率tE（EIT，E为曝光量，T为曝光时间）。为此常使参考光与物光光强之比约三到六；若隔振条件不理想和实验室内杂散光太大，则该比例向1：1靠近。5、全息图上干涉条纹的宽度为/2sin/2d，为物与参考光之间的夹角。因此必须选用分辨开干涉条纹的底板或控制使能被感光板分辨开。天津生产的全息感光板的分辨率在3000/mm以上已是足够用了。但使用时应注意底板胶面朝向物光。鉴别胶面时用手摸底板边缘，不要触摸底板中央的使用部分。显影时胶面向上放入显影盘中，并且要经常摇动显影盘以使显影均匀。【实验操作】He-Ne激光器发出的一束激光经分束镜分成两束，透射光经全反镜M1、扩束镜及准直系统之后照射景物，经透镜聚焦至底片上（称为物光）。另一束从分束镜表面反射，经全反镜M2照射底片（称为参考光）。这两束光在底片上相遇，当其光程在激光的相干长度范围内便产生干涉，放上底片便能拍摄到很多干涉条纹，这些干涉条纹能以光的强弱（振幅）的形式记录下物光的振幅和位相（见图2全息存储）。我们采用D76显影液，具体显影定影时间为28s。重现物光时仍采用He-Ne激光照射底片，透过这组干涉条纹就像透过光栅一样，经过光栅衍射，便可重现物光波的波前，在接受屏上看到物像（见图3全息再现）。图2全息存储光信息专业实验：谱线宽度测量实验4图3全息再现实际的实验台及其光路器具如图4所示，从左到右依次对应图3。图4实验台及光路器具图1、光路调节：1)打开激光器进行预热2分钟，待激光器发光稳定后再进行实验。2)按图2所示，在防震平台上布置光路。要求激光参考光从分光镜经反射镜到底片支架，注意使物光与参考光的光程近似相等，并且两光束要在同一水平面上。为使物光和参考光的光强比值约为1/6至1/3，我们是光束打在分光镜原色最淡(透射率最高)的部分。3)放上透镜L2调节其主光轴与激光束重合，放入L1使其焦点与L2的前焦点重合，这时光路出射的为一束半径约为L2半径大小的平行光束。4)放上透镜L3用毛玻璃在干板支架上找出其后焦点，并测量L3的焦距。然后把干板支架从L3的后焦点处开始向后移动4mm，然后把此光路的所有器件都固定。5)调节参考光束使其光斑在毛玻璃板上与物光的光斑重合，而且两光束的夹角要尽量小。应注意激光在分束镜中会发生多次反射，应取反射光的第一级光束。6)把透明物放在L3的前面1到2倍焦距之间，透明物要能够均匀照明。2、曝光：1)确保关闭所有白光光源，包括激光电源的指示电筒应朝下放置，以杜绝白光泄露导致光信息专业实验：谱线宽度测量实验5曝光失败。2)在黑暗情况下取出底片，放在原来后屏位置，注意必须保证焦点可打在感光物质上，且曝光点应位于感光片较中心位置。其中含感光物质一面为粗糙面，为曝光正面。底片感光面的判别方法：用湿润的手指轻轻瞬间触摸玻璃表面，若有沙子版粗糙感即为感光面。3)用B门快门设定曝光时间，按住光阑快门按钮，此时光阑打开，激光正常通过光路发生曝光；待到计时器到时间时，放开快门按钮，此时光阑关闭，激光被光阑挡住，曝光结束。注意曝光过程中严禁走动、说话，关闭实验室所有的灯及空调、抽风机等，也不要碰到全息台及以上任何器件，保持光程不变以保证光程稳定。3、显影、定影：将曝光完毕的底片拿到暗室进行显影和定影。暗室中可以开一绿光灯，因为底片对绿光不敏感，其间绝对不能有白光。显影：时间45秒左右，感光面向上。定影：时间8分钟左右，感光面向上。定影完毕后，再用清水冲洗干净。然后用吹风筒吹干底片。显影液和定影液用过后倒回原容器中以供重复利用。4、波前再现：1)将底片放置在光座上，距离氦氖激光出射点约1.5m，调整底片位置使激光照射到底片上的小黑点中心。2)若投射在墙上，光强太弱无法分辨。可以手持A4纸作为再现屏，转动底片角度，到纸上出现原物体像为止。3)由于在曝光的时候，光是以一定的角度射在底片上的，所以慢慢转动底片，特定的角度下在底片后用一张白纸来承接全息像，看见有两个成像，一个是倒立像，一个是正立像。【实验记录与分析】1、实验主要参数如下物光与参考光光斑面积之比：1:3至1:6物光从分光镜到底板距离：132cm参考光从分光镜到底板距离：137cm2、实验过程，现象以及实验分析第一次实验：波片到物镜L2距离：14.8cm波片的曝光位置以及对应的曝光时间（药面正对）：图5第一次实验波片曝光点图波片显影时间：44s左右。波片定影时间：8min。实验结果：（6）25.8s（5）23.7s（4）21.8s（1）15.8s（2）17.8s（3）19.8s光信息专业实验：谱线宽度测量实验6实验只有2个曝光点有效，而且图像很暗很模拟，实验失败。失败的可能原因：1.波片到物镜L2的距离太近，使物点的斑点面积太小，使激光对整个曝光点的影响太大，造成产生的变换图像不清晰，最终导致再现模糊或者失败。2.在实验过程中我们发现底片的承载底座不稳，实验过程中可能使波片有一定角度的偏移，可能这个小角度的偏移使某个点的很大部分的离焦程度太大，导致成像不均匀，最终使实验失败。第二次实验：波片到物镜L2距离：14.5cm波片的曝光位置以及对应的曝光时间（药面正对）：图6第二次实验波片曝光点图波片的显影时间：43.66s。波片定影时间：8min。实验结果：实验0个曝光点有效，无图像再现，实验失败。失败的原因：1.人为操作失误。实验之后发现可能是在实验过程中将波片放反了。也就是将药面背对激光，这导致了银离子的还原是从内部开始的，这会使波片形成的全息干涉图被完全打乱。使实验失败。2.在实验过程中我们发现底片的承载底座不稳，实验过程中可能使波片有一定角度的偏移，可能这个小角度的偏移使某个点的很大部分的离焦程度太大，导致成像不均匀，最终使实验失败。第三次实验：波片到物镜L2距离：15.0cm波片的曝光位置以及对应的曝光时间（药面正对）：图7第三次实验波片曝光点图波片的显影时间：46.80s。波片定影时间：8min。实验结果：实验6个曝光点都有效，图像能完整再现，实验成功。我们对六个样本中第六个点（曝光时间为25.7s的曝光点）进行拍照。如下图8：（6）25.8s（5）23.8s（4）21.8s（1）15.7s（2）17.9s（3）19.9s（6）25.7s（5）23.8s（4）21.7s（1）16.0s（2）17.8s（3）19.8s光信息专业实验：谱线宽度测量实验7图8实验再现图实验现象分析：实验能够成功的主要原因有三：一、我们用了新的波片进行全息信息存储，和之前的波片相比，其亮度和成功率有了很大的提高。二、波片到物镜L2的距离合适，这有利于参考光束和物光能形成很好的干涉图样，同时也减小了激光光强所带来的影响。三、在每次移动波片被曝光位置时，我们都会注意不让波片的承载台有很大角度的偏转。第六个点的图像的亮度时最大的，原因是曝光时间的选取合适，合适的曝光时间可以让银离子更充分的还原成银原子，进而使干涉图样更加明清晰，当激光打在干涉图样上时，产生的衍射效应就更明显。图片发生了左右的