三级物理实验 全 息 术 全息光栅、 体积全息（白光全息） 三维全息、像面全息

主要内容 全息光栅、白光全息 自主设计性全息实验（三维全息、像面全息） 1：根据实验室现有光学元件设计实验 2：根据提供的全息实验光路进行设计实验 光学元件： 全反镜、分束镜、凸透镜、凹面镜、扩束镜 偏振片、狭缝 干板 溴化银薄膜型干板 红外光敏性聚合物薄膜干板

全息术的概念 全息照相原理是1948年Dennis Gabor 为了提高电子显微镜的分辨本领而提出的。“全息”是指物体发出的光波的全部信息：既包括波长（颜色）、振幅（光强）和相位（物点的位置）。 全息照相术是利用干涉和衍射的原理将物体发射的光波以干涉条纹的形式记录下来，再在一定的条件下再现，形成与原物体完全相似的空间像。又由于全息照相不但记录了入射光波的强度，也记录了入射光波的相位，像十分逼真并具有立体效果。 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。另一束直接照到感光胶片即全息干板上。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。

全息术简介 1948年Gabor提出了全息术的概念， 1971年获得诺贝尔物理学奖 1960年Maiman研制成功了红宝石激 Dennis Gabor 1948年Gabor提出了全息术的概念， 1971年获得诺贝尔物理学奖 1960年Maiman研制成功了红宝石激 光器，激光器的诞生使得全息术迅速发展 1961年Javan等研制成功氦氖激光器 1962年Leith和Uptnieks提出了离轴全息图，全息术进入全面发展阶段 近60年来，全息术的研究日趋深入，已成为近代光学的一个重要分支

全息照相与普通照相的区别 普通照相过程是以几何光学的规律为基础的。 全息照相过程分记录、再现两步，它是以干涉、衍射等波动光学的规律为基础的。 全息图所记录的是物体各点的全部光信息，包括振幅和相位。 普通照相底片记录的仅是物体各点的光强（或振幅）。 全息照相过程中物体与底片之间是点面对应的关系，即每个物点所发射的光束直接落在记录介质整个平面上。反过来说，全息图中每一个局部都包含了物体各点的光信息。 普通照相过程中物像之间是点点对应的关系，即一个物点对应像平面中的一个像点。 全息图能完全再现原物的波前，因而能观察到一幅非常逼真的立体图像。 普通照相得到的只能是二维的平面图像。 全息照相是干涉,因此要求光源有很高的相干性。光源的相干长度越大、波前上相干区越大，就能越有效地实现全息照相。 普通照相只是像的强度记录，并不要求光源的相干性，用普通光源就可以了。

全息照相特点 三维立体性 可分割性 可重复记录，同一张底片可多次曝光，重叠许多像 显微性 保密性和防伪性 易于复制

全息的种类和应用 全息图的基本类型 全息照相的应用 全息技术 全息显微术、超声全息术、全息存储术 1.同轴全息图 1.全息显示 2.离轴全息图 3.菲涅耳全息图 4.傅里叶变换全息图 5.像全息图 6.彩虹全息图 7.体积全息图 全息照相的应用 1.全息显示 2.模压全息 3.全息光学元件 4.全息干涉计量 5.全息信息存储 6.全息防伪 7.生物医学 8.无损检验与探伤 全息技术 全息显微术、超声全息术、全息存储术

实验目的 了解全息照相术的基本原理 学习并掌握全息照相的基本实验技术及方法 观察和分析全息照相的成像特性 了解再现物像全息的性质和方法 重点：全息照相的基本原理 难点：全息照相实验中光路的调节

实验仪器 He-Ne激光器（632.8 nm）或半导体激光器650 nm 全息实验平台及其光学附件（分束镜、全反射镜、扩束镜） 全息感光干板，洗相设备（显影液、定影液） 皮尺，量角器，直尺

实验原理 = 物体信息 波前记录 波前再现 振 幅 相 位 物体任一点发出光的波动方程为 条件 足够的相干长度 良好的防震措施 波前记录－－光的干涉 波前再现－－光的衍射 条件 足够的相干长度 良好的防震措施 合理的光路排列 适当的干板处理 共轭实像 p 原始虚像 物 O* O R s 波前记录 波前再现

什么是光栅？什么是全息光栅？ 　　光栅是由大量等宽、等间距的平行狭缝(或反射面)构成的光学元件。实际的光栅根据工作原理可分为两种：透射光栅和反射光栅。 透射光栅 (衍射光栅) 反射光栅 (闪耀光栅)

根据制作方法可分为：机制光栅和全息光栅 全息光栅：通过全息照相，将激光产生的干涉条纹在干板上曝光，经显影定影制成全息光栅。通常在 1 cm 内刻有成千上万条透光狭缝，相当于多光束干涉，光栅形成的光谱线尖锐、明亮。 机制光栅：在玻璃片上刻划出一系列平行等距的划痕,刻过的地方不透光，未刻的地方透光

全息光栅光路图 光 阑 50%分束镜 全反射镜 激光器 扩束镜 全反射镜 扩束镜 全息干板 物光和参考光的光程基本上相等 调节物体位置，使物光与参考光夹角小于40⁰

（1）激光经分束后，物光与参考光光束高度基本相同且光程大致相等。 实验步骤 1 光路调节 （1）激光经分束后，物光与参考光光束高度基本相同且光程大致相等。 物光光程：分束镜－反射镜－扩束镜－被摄物－感光片； 参考光光程：分束镜－反射镜－扩束镜－感光片。 （2）物光与参考光的夹角 （3）感光片位置，物光与参考光的光强比 判断方法：遮挡物光，看光强有无变化，有变化即可 2 曝光 关上照明灯，确定曝光时间，调好曝光计时器。可以先练习快门使 用，曝光时间与光强大小、显影温度有关，稳定1 min，曝光时间一 般6-15 s 3 干板的冲洗 4 全息图再现

在照相暗室中，可在暗绿灯下操作，整个过程不能用手触摸全息干版的表面。 全息光栅的干板冲洗 显 影 停 显 定 影 10s-3min，视温度和显 影液（D-19）浓度而定 在暗绿灯下观察出现 黑色斑纹即可 F-5定影液 5-10min 水洗 水 洗 干 燥 脱 水 冷风 在照相暗室中，可在暗绿灯下操作，整个过程不能用手触摸全息干版的表面。

三维全息术光路图 α 激光器 光阑 扩束镜 反射镜 感光片 分束镜 被摄物体 参考光R 5% 物光O 95% 物光和参考光的光程基本上相等，光程差0.5 ～ 3 cm 以内。 调节物体位置，使物光与参考光夹角在30⁰～90⁰之间。 调节参考光与物光的光强比一般控制在3:1~10:1 调整好干板角度，固定干板架。干板表面法线近似为参考光和物光的角平分线，干板和物的距离小于等于10 cm

体积全息（白光全息）光路图 扩束镜 光 阑 激光器 物 体 乳 胶

实验步骤 1 光路调节：按照上图布置光学元件，调节光学元件 的螺丝，使通光中心基本等高 2 白板代替干板，调节扩束镜的位置，使扩束后的光 束均匀照射在白板上，调整物体使反射光束能够完 全照在白板上 3 曝光：打开曝光定时器，设定曝光时间，装上胶 板，稳定1分钟后，曝光时间8-30s 4 干板的冲洗 5 全息图再现

白光全息干板冲洗 在蒸馏水中静置10-30s 在浓度40%的异丙醇中脱水60s 在浓度60%的异丙醇中脱水60s 在浓度100%的异丙醇中脱水，直至出现清晰、明亮的红色或黄绿色图像为止 取出干板，迅速用吹风机快速吹干直到全息图像变为金黄色清晰、明亮图像为止（对反射全息图） 封装

物像的再现和观察 （1）、再现像虚的观察 扩束镜 全息干板 实 像 虚 像 观察者 再现光路图 再现虚像

激光像平面全息拍摄光路

全息干板 细激光束 实像 （2）、观察的实像情况 （3）、用一张带有小孔的纸片贴近全息相片，人眼通过小孔观察虚像，改变小孔的位置做同样观察，记录观察结果。

【注意事项】 保持各光学元件清洁,切勿用手或手帕擦拭 曝光前一定要稳定一段时间，曝光过程中切勿触及全息实验台 注意安全，绝对不允许用眼睛直视未扩束或聚焦的激光束，防止视网膜损伤 全息底片为玻璃片基,应小心轻放，防止划伤！

趣味全息图 panda为彩虹全息图 “Fish”为单色反射全息图 “mask”为彩色反射全息图

全息激光防伪标签，已经是一个很大的产业

世界上最难伪造的钞票 面额：20英镑 国家：英国 最新版20英镑面值的钞票有一个显著的全息条。一旦将钞票倾斜，全息条上的图像能在英镑标志和数字"20"之间来回转换。

彩虹全息图

彩虹全息图

彩虹透射全息图

钱币上的彩虹全息图

黄鹤楼--全息工艺图

全息图-花前月下

全息图-根

思考题 1.全息照相与普通照相有什么不同？ 2.全息照相的主要特点是什么？ 3.要尽量让物光和参考光的光程相等，其目的是什么？ 4.为什么全息照片的每一碎片都能使整个物体再现？ 5.为什么要尽量要把物光和参考光的夹角取小一些？ 6.为什么参考光的强度必须比物光强？ 7.怎样才能获得理想的全息照片? 8.全息照片上干涉条纹的间距有什么决定？条纹明暗由什么决定？条纹的反差由什么决定？ 9.全息相片的主要特点是什么？ 10.为什么全息的记录介质要采用高分辨率的感光材料？ 11.全息技术有哪些重要的应用？ 12.全息照相过程的注意事项是什么？

思考题 13.能否用白光实现全息图像存储？为什么？ 14.拍摄全息照相必须具备哪些基本条件？拍摄一张好的全息图的关键是什么？ 15.如何判断全息图拍摄成功，干涉条纹的亮暗对比和疏密程度反映了什么？ 16.如何观察再现的物像，扩束的大小及照明方向的改变对再现有什么影响？ 17.如果用物光照明全息图，将看到什么样的情况？ 18.能否用普通的印相方法复制全息图？ 19.拍摄全息照相用的感光底片为什么一般用负片？ 20.分析说明在观察到的实验现象中，各种条件下形成再现像的特点？ 21.本实验对全息干板的分辨率和光谱灵敏度由什么要求？ 22.在全息光栅的实验中如果全息干板的分辨率在1500线/mm以内，光路应如何布置较好？ 23.在拍摄全息光栅时，要想得到±2级的衍射光斑，且衍射角为60º，光路如何布置？ 24.没有激光再现的情况下，如何检验干板上是否记录了信息？

一步彩虹全息图拍摄光路

实验报告: 1.实验的预习报告 2.两周实验完成后，请调研全息光学的研究和应用的最新进展，完成一份调研报告（1—3页纸的篇幅），并附上文件消息（作者 题目 单位 杂志名称 出版年限 卷期 页面 ）