5-光学全息

第五章光学全息利用干涉原理，将物体发出的特定光波以干涉条纹的形式记录下来，使物光波前的全部信息都存贮在记录介质中，记录的干涉条纹图样被称为“全息图”。当用光波照射全息图时，由于衍射原理能重现原始物波，从而形成与原物体逼真的三维像，这个波前记录和重现的过程称为全息术或全息照相。◆世界上第一张全息图是匈牙利科学家伽伯于1948年拍摄成的。他的工作具有开创性和划时代的意义，获得了1971年度的诺贝尔物理学奖。◆现在实用的全息图是美国科学家利思---特尼克在1962年发明的离轴全息图。全息特点：三维立体性和可分割性普通照相在胶片上记录的是物光的振幅信息(仅体现光强分布)，而全息照相在记录振幅信息的同时，还记录了物光的相位信息，“全息”(holography)也因此而得名。5.1光学全息概述第一阶段是萌芽时期，是用汞灯作光源，摄制同轴全息图；第二阶段是用激光记录、激光再现的离轴全息图；第三阶段是激光记录、白光再现的全息图，称为第三代全息，主要包括白光反射全息、像全息、彩虹全息、真彩色全息及合成全息等；第四阶段是用白光记录、白光再现的全息图，称为第四代全息。全息发展的四个阶段：5.2波前纪录与再现基本理论（1）记录过程：光波的干涉感光记录介质只能记录光波的振幅（强度）,只有通过光波的干涉过程，才能将被拍摄物体的全部信息（振幅和位相）以明暗相间的干涉条纹的形式记录下来。（2）再现（观察）过程：光波的衍射记录用的感光材料有多种，下面都用干板或胶片进行分析5.2.1传播到记录介质上的物光波传播到记录介质上的参考光波记录的总光强yxjyxOyxO,exp,,yxjyxRyxR,exp,,yxOyxRyxOyxRyxRyxOyxRyxOyxI,,,,,,,,,222波前记录干涉法是将空间相位调制转换成空间光强调制的标准方法yxyxyxOyxRyxRyxOyxI,,cos,,2,,,22t(x,y)t0bEt0b[tI(x,y)]t0bI(x,y)全息干板负片的t-E图经线性处理后，同时全息干板具有足够的分辨率，底片的透过率函数与曝光光强成线性关系RQQRQtRQQRQRtyxtb2220,bbyxItyxItEtyxt,,,000btbb20Rttbb表示均匀偏置透过率t和β为常数、β为曲线斜率、β‘为曝光时间τ和β的乘积5.2.2Ⅰ．衍射效应再现物波波前透过全息图的光场为系数中含有二次项，相当于经历了透镜的聚散，含有线性因子，相当于经过了棱镜的偏转，如果都有则表示二者都存在。U1：偏置透过率与照明光的乘积，表示多其的均匀衰减，相当于照明作用。系数的作用仅仅改变照明光波C的振幅，并不改变C的特性。U2：物光光强与照明光的乘积，物光直接照射在干板上记录的信息，虽然记录了振幅信息但既没有成像也不含有相位信息，其效果是不均匀的杂乱无章的。所以C波经历O2(x，y)分布的一张底片的衍射，是一种“噪声”信息；4321,,,UUUURCOOCRCOOCtyxtyxCyxUbbbb波前再现yxORyxU,,23bUI和U2基本上保留了照明光波的特性．这一项称为全息衍射场中的0级波。第三项：如果照明光与参考光相同，该项表示对物光的均匀衰减，是物光波前的准确在现，可以观察到原物的形象，不过是虚像。成为全息图衍射场中的+1级波第四项：虽然包含有物的振幅和共轭相位信息，但还含有附加的二次相位因子，相当于物光波经历了透镜的汇聚。随意这一项有可能形成物的共轭实像。称为全息图衍射场中的-1级波只有照明光与参考光均为正入射的平面波时，入射到全息干板上的相位可取零，这是U3U4两项的系数均为实数，无附加相位因子，±1级光波才严格地镜像对称。U4成的实像与原物凹凸正好相反，成为赝像。以上四项均是衍射的结果，能否得到与原物相同的像还要取决于c(x,y)的选择yxORyxU,,24b1、按记录介质厚度2、按透过率函数特点3、按记录物光特点4、按再现照明光5、按再现时照明光和衍射光的方向6、按所显示的再现像的特征相面全息图彩虹全息图真彩色编码全息图360度合成全息图平面全息图体积全息图振幅型相位型菲涅尔全息图夫琅和费全息图傅立叶变换全息图激光再现白光再现透射型反射型h10nd2/(2pl)全息图的分类5.3同轴全息图和离轴全息图根据物光波和参考光波的相对位置，全息图可以分为同轴全息图和离轴全息图．5.3.1同轴全息图高度透明很高的平均透射率围绕平均值的变化t0:强而均匀的平面波，相当于波前记录时的参考光Δt:弱散射波，相当于波前记录时的物光波00000,,yxttyxtyxROyxORyxORyxORyxI,,,,,222在线性记录条件下用振幅为C的平面波垂直照明全息图透过全息图的受到均匀衰减的平面波再现了原始物光波前,产生原始物体的一个虚像正比于弱的散射光的光强，可以忽略不计在全息图另一侧与虚像对称位置产生物体的实像ROOROtyxtb2,byxRCOyxCORyxOCCtyxCtyxUb,,,,,2bbb四项场分量都在同一方向上传播；直接透射光大大降低了像的衬度，且虚像和实像相距为2z0，构成不可分离的孪生像．当对实像聚焦时，总是伴随一离焦的虚像．反之亦然；孪生像的存在也大大降低了全息像的质量；最大局限性在于必须假定物体是高度透明的，否则第二项场分量将不能忽略．这一假定极大地限制了同轴全息图的应用范围．缺点：5.3.2离轴全息图物光波波前的振幅信息O(x，y)和相位信息j(x，y)分别作为高频载波的调幅和调相而被记录下来.在线性记录条件下sinqlayxOyjAyxU,2exp,payjyxOAyjyxOAyxOAyxIpapa2exp,2exp,,,22yxyyxAOyxOAyxI,2cos,2,,22payxjyxOyxO,exp,,ayjOAayjOAOtyxtbppb2exp2exp,2全息图由—束垂直入射、振幅为C的均匀平面波照明U1:经过衰减的照明光波，代表沿底片轴线传播的平面波U2:一个透射光锥,光锥的扩展程度取决于O(x,y)的带宽U3:原始物波将以向上倾斜的平面波为载波，在距底片z0处形成物体的虚像U4:物波的共扼波前将以向下倾斜的平面波为载波，在底片的另—侧距离底片z。处形成物体的一个实像．yjyxOCAUyjyxOCAUyxOUCtUbpabpabb2exp,2exp,,43221,,,11btyxUFGb,,,,0022GGyxUFGab,,,033GyxUFGab,,,044AGyxUFGyxOFG,,0全息图平频谱分析BBB3242alqB3arcsinmin该频谱为角谱，频率与光的传播方向有关，故α表示y轴方向偏离原方向的角度，像的体现是偏离了原先的位置lqasin如物光波频谱带宽为2B，像完全偏离物α需满足才可满足实像、虚像及背景干涉光之间互不影响5.4基元全息图定义：由单一物点发出的光波与参考光波干涉所构成的全息图．任何一种全息图都可以看成许多基元全息图的线性组合空域：基元波带片频域：基元光栅平面波与平面波平面波与发散球面波发散球面波与发散球面波发散球面波与会聚球面波5.5菲涅耳全息图菲涅耳全息图的特点是记录平面位于物体衍射光场的菲涅耳衍射区，物光由物体直接照到底片上。5.5.1点源全息图的记录和再现全息底片位于z=0的平面上，与两个点源的距离满足菲涅耳近似到达记录平面的相位以坐标原点o为参考点来计算，并作傍轴近似点源全息图的记录Q0022120202020202001212020202120202001212020202120202011222121211222,yyxxyxzzyxzyyxxzzyxzyyxxzzyxzyyxxOOOQyxolplplplplp物光波的相位位于（x0,y0,z0）的物点发出的光在x-y平面上的相位分布。物点的相位为零，x-y平面上任一点的相位可由上式表示。此式可表示为在傍轴条件下非原点发球面波相位表达式此后的研究中研究的是全息图表面的光场分布，即z=0处记录平面上的物光波可写成同样，记录平面上的参考光可写成记录平面上的复振幅分布记录平面上的光强分布0022122exp,yyxxyxzjOyxOolprrryyxxyxzjxpyxR22eR,221lprrroyyxxyxzjRyyxxyxzjOyxU22exp22exp,22100221lplprrrorrroyyxxyxzyyxxyxzjORyyxxyxzyyxxyxzjORORyxI2222exp2222exp,221002212210022122lplplplp保持记录过程的线性条件透过率中最重要的两项4321221002212210022122222exp2222exp,ttttyyxxyxzyyxxyxzjORyyxxyxzyyxxyxzjOROtyxtrrrorrroblplpblplpbbrrroyyxxyxzyyxxyxzjORt2222exp221002213lplpbrrroyyxxyxzyyxxyxzjORt2222exp221002214lplpbpppyyxxyxzjCyxC22exp,222lpyzyzyzyxzxzxzxjyxzzzjCORyyxxyxzyyxxyxzyyxxyxzjCORUprpoorrprpoorrprorppprrrollllllplllpblplplpb111122112222210022132exp111exp222222exp点源全息图的再现在再现过程中，全息底片由位于(xp，yP，zp)的点源发出的球面波照明，再现光波波长l2yzyzyzyxzxzxzxjyxzzzjCORUprpoorrprpoorrprorllllllplllpb1111221142exp111exp傍轴近似的球面波的相