探讨光强比对全息图质量的影响

内容摘要

全息照相中，物光与参考光的光强比一般要控制在1/4—1/7之间，而在实验光路中，物光经过扩束、漫反射后，比参考光弱很多，两光相干后，不会形成十分清晰的条纹，得到的全息图质量不高。由于凸透镜在空气中有汇聚光束的本领，利用这一原理，用透镜对漫反射的物光进行汇聚。将物光与参考光的比分别控制在1/4—1/5范围，1/2—1/3范围进行改进后的实验，将所得到的不同光强比的多组全息图进行观察对比、分析，发现光强比在1/2—1/3的实验效果普遍比较好。说明用透镜将两光的光强比调节在这个范围可以较好地提高全息图的质量。

【关键词】全息图 物光 参考光 光强比

Analysis the influence of light intensity ratio on hologram

Abstract

In the experiment of Holographic photography, generally speaking, the light intensity ratio of content light and reference ray should be controlled between 1/4 and1/7, but in the optical path, after beam expander and diffusing, the content light intensity is so weaker than the reference that it won’t form very clear stripe when the two lights coherent, finally the hologram quality won’t be high. As the convex has ability of gathering beams, we take advantage of the principle to gather content light which is after diffusing. Controlling the ratio in 1/4-1/5 scope, 1/2-1/3 scope to experiment, we will find the result of 1/2-1/3 scope is the best after observing contrastively and analyzing the hologram. To arrive at a conclusion is that ratio regulation in this range will improve the quality of the hologram preferably.

【Key Words】hologram content light reference ray light intensity ratio

目录

一、引言 …………………………………………………（1）

二、实验原理 ……………………………………………（1）

（一）全息图的记录过程 …………………………………（1）

（二）全息图的再现过程 …………………………………（3）

三、实验内容 ……………………………………………（4）

（一）未改进的实验 ………………………………………（4）

（二）改进后的实验 ………………………………………（5）

四、实验结果与分析 ……………………………………（5）

参考文献……………………………………………………（6）

致谢…………………………………………………………（6）

探讨光强比对全息图质量的影响

学生姓名：叶竞汝 指导教师：刘明海

一、引言

随着现代信息技术的不断发展，全息照相使三维立体像的成功获得成为了现实。在全息照相实验中，全息图可以反映出被摄物体的全部信息。但是，由于实验环境和条件要求严格，获得一张清晰的高质量的全息图并不容易。提高全息图质量的方法很多，本文仅从物光与参考光的光强比这一角度进行研究。在原来实验的基础上增加一个凸透镜，将物光与参考光的光强比分别控制在1/4—1/5之间，1/2—1/3之间进行实验改进，并与原来实验的全息图进行对照，获得了比较好的效果。

二、实验原理

光的全部信息可以用振幅、位相以及频率来描述。其中，光的强度主要由光波的振幅来决定，而物体的各点在空间上相对位置的描述则通过位相来反映。全息照相就是同时记录了振幅与位相的信息，也就是记录了光波的全部信息。全息照相由于比普通照相多记录了位相的信息，所以得到的是一个三维的立体像。

全息照相分为两个过程：（1）、利用干涉法记录下光波的全部信息，我们称之为波前记录（拍摄）。（2）、利用衍射原理再现原光波，称之为波前再现。

（一）全息图的记录过程

(1)物体发出的光照在底片上，对其中任意一点，该点所包含的振幅与位相信息的光可表示为： （1-1）

其中为振幅，为位相。在照相中将这两个特征同时记录下来，就可以实现全息记录。

如图1，用相干性很好的He—Ne激光器L发出激光，再由分束镜BS将这束光分为两束，透射光线经反射镜M1后经过扩束器C1照在被摄物体上，再由物体表面漫反射照在感光材料P上，将这束光称作物光(O光)；另一束光线经反射镜M2反射后，经由扩束器C2直接照在感光材料上。我们把这束光称作参考光（R光）。物光与参考光会在干板P处叠加相干，继而形成了明暗相间的干涉条纹。这些条纹记录了物光所有的振幅与位相信息，相当于调制过程。

物光数学表达式为：

（1-2）

参考光数学表达式为：

（1-3）

两光相干后总光强为：

（1-4）

（2）由于全息照相的记录过程实际上是物光与参考光两束光的干涉。对于一般的线性元件来说，在双光干涉的时候，根据条纹可见度 (条纹可见度是描绘条纹清晰程度的物理量)可以知道：假如,此时条纹会达到最低强度，其值为零，同时干涉条纹的对比度也达到最大，并且在同位相时，条纹的最大强度为4I。但是，在全息照相过程中，记录介质的曝光量H与振幅的透过率的特性曲线却是非线性的。在双光干涉的时候，如图2所示，该曲线的两端会产生畸变，继而形成了较高阶的衍射光，从而会导致衍射的效率变低。所以，我们在实验的时侯应该避免双光干涉发生在非线性区。另外，在全息照相过程中，如果参考光比物光弱，会形成较为显著的斑纹，随之会在零级衍射光的周围产生比较大的晕轮，这会严重影响成像的光通量，使它大大降低，最终使全息照相的效率变低。由此可以看出，在全息照相的过程中，物光与参考光的光强比对全息图的质量至关重要。所以，为了保证有较高的成像质量，我们在实验时一定要控制好物光与参考光的光强比，一般会选择将其控制在1/2—1/5之间，此时曝光量通常取在的位置。

在全息照相实验中，为了保证物光与参考光之间发生干涉，我们将同一个激光器发出的同一束激光分为两束，认为两束光的光强相等。但是，其中物光首先经过扩束器投在物体上，然后物体再向四面八方漫反射，将其中一部分漫反射的光照到干板上，这样的过程就使物光光强衰弱得更加严重；而参考光经M2反射后，经扩束镜C2直接投射到干板上，光强比物光要强得多。为了使两光干涉能够得到清晰的条纹，将控制物光与参考光之比在1/2—1/5之间，在参考光强度不变的情况下，我们将光路中增置一个凸透镜，改进后的光路图如图3所示。凸透镜在空气中有聚光的本领，能将物体漫反射的光汇聚起来，从而增大物光的光强，得到一个均匀的、增强了的物光，缩小了物光与参考光的光强比差距，使成像更加清晰。

（二）全息图的再现过程

所谓全息图的再现过程就是使原来的物体所发出的光波能在全息图中再次出现。所应用的原理就是光栅衍射。

如图4所示，用一特定方向的激光束或者与原来参考光方向相同的激光束照射全息图，图上的每组干涉条纹都相当于一个光栅，再现光通过它发生衍射。我们透过全息图沿衍射方向朝着原来被拍摄物体方向和位置观察的时候，就可以看到三维立体图。

按照光栅衍射的原理可以知道，在出射的衍射光中，+1级的是发散的，其发散光波与物体在原来的位置所发出来的光波是相同的，它会形成和原来的物体完全相同的虚像，我们称之为真像；而-1级的则是汇聚的，它形成的共轭实像，我们称之为膺像。再现过程实质上就是一个解调过程。

三、实验内容

准备好防震全息台，He—Ne激光器，扩束器，分束镜，凸透镜，被摄物体，调节支架，米尺，全息底片，计时器，冲洗设备等器材，按如下步骤进行实验。

（一）未改进的实验

（1）按照图1所示布置好光路，先不加扩束镜C1、C2。

（2）关灯，在暗室进行实验。打开激光器电源开关，点燃激光，当激光强度稳定之后调整光路：调整物光、参考光等高，调整各光学元件，使其表面与激光垂直，调整各光学元件的位置，使物光与参考光到全息干板的距离一样（为了弥补时间相干性的不足，应尽量减小两者之间的光程差，使其限制在相干长度之内，等光程光路安排比较好），且物光与参考光夹角约为60度。调节被摄物高度，使物光打到被摄物中心。

（3）放上扩束器C1，使物光均匀照亮被摄物调动固定有白屏的全息干板支架，使其法线位于物光与参考光的角平分线上，加上扩束器C2，前后移动，同时调节平面镜M2，使物光与参考光可以均匀照射在白屏上，并且两光在白屏上可以均匀的变化。

（4）遮住光源，取掉干板支架上的白屏，换上底片，并将带药的一面朝着能被光照的方向安装在支架上。稳定一两分钟以后开始曝光。进行这一步实验时，应当注意保持安静，减小声音振动对全息图的影响。

（5）曝光完毕之后，从支架上取下底片，将底片放入显影液中进行显影。由于我们配置的显影液浓度偏高，所以只将底片在显影液中稍微摇晃，然后取出，放在暗绿灯前观察，绿灯变暗，即可进行定影。将底片放入定影液中，进行定影约二十多分钟（此时可以开灯），取出底片用水冲洗。

（6）将冲洗过的底片放在如图4的光路中，打开该光路的激光，人眼如图四上下左右缓慢移动，即可以观察到物体。将此底片记为底片1。

（7）重复实验，获得的底片记为底片2。

（二）改进后的实验

（1）①继续保持暗室条件，打开激光，在刚才实验（一）的光路基础上进行改动。在被摄物与干板之间放置一个焦距为10cm的凸透镜，如图3所示。此时，若用纸板遮住参考光，会发现物光经透镜后被均匀汇聚在白屏上。前后移动该透镜，在紧贴白屏的后方放置一个纸板，发现被汇聚的光斑在纸板这个平面上变大、变小，光强也均匀地变小、变大。去掉对参考光的遮挡，前后移动凸透镜的位置，并适当调节M2、C2，在调节过程中，反复对参考光（或物光）进行遮挡与不遮挡，观察两光在紧贴白屏的纸板上光照的大小，及在白屏上的光强比，经过多次调节与观察，将物光与参考光光强比调节到大约在1/4—1/5之间时，两光可以均匀照亮白屏，在纸板上大小也适中，此时，不再调节，开始拍摄。

②之后的步骤与实验（一）中的（4）、（5）、（6）过程相同。将此次底片记为底片3。

（2）①用焦距为100cm的凸透镜替换焦距为10cm的透镜。挡住参考光，前后移动透镜，观察光斑在纸板上变化的过程中，光强普遍更明亮、均匀。选用该透镜调节使光强比在1/2—1/3之间。调节过程与用10cm焦距的透镜的实验过程类似。经过多次调节、移动，在调节中发现两光在白屏上光强比约为1/2—1/3之间稍靠近1/2时比较合适，在该位置停止调节，开始拍摄。

②之后过程与实验（一）中（4）、（5）、（6）相同，将此次实验获得的底片记为底片4。

（3）观察底片3、底片4，并与底片1、底片2进行对比，找出问题，分析其原因，再按上述步骤进行实验，对照所作分析，对光路重新进行适当调整。之后拍摄，获得的底片分别记为底片5、底片6，然后再做观察、对比。

四、实验结果与分析

影响全息图质量的原因是多方面的，例如：曝光过程中对系统微小的震动，物光与参考光的光程，物光与参考光的夹角的大小，物光与参考光在干板处的光强比，曝光时间的长短，显影时间的长短等都会对全息图质量产生影响。在这里，我们只研究考虑物光与参考光的光强比对全息图质量的影响，其余影响因素在实验过程中已尽量降到最低，并在每组实验中尽量保持一致。认为这几组实验结果中只有两光的光强比产生影响，其余诸因素不予考虑。

（一）实验未改进的两张底片进行对比：底片1最不清楚，只能观察到被摄物的一些较大部位。底片2比较清楚，能够较为清晰地观察到各个部位，但是，边缘不是很清楚，是由光打的点组成的。拍摄底片1以前，可能没有完全调平物光、参考光两条光路，将光路重新调整后，拍出的底片2效果比底片1要好。

（二）底片3、底片5与底片2对比：底片3上的像没有底片2清楚，边缘也比底片2模糊；底片5与底片2清晰程度相当，但物体要稍亮。将光强比调到1/4—1/5间拍出的两张底片效果没有底片2好（或与底片2相当），其原因可能是①加上透镜后，仍然没有调整好光路。对这个实验过程，仍需对凸透镜的位置进行多次调节，找出其合适的位置。②底片没有漂白好，除了底片4，其余几张底片在显影时都有不同程度的变黑，经过漂白后，底片仍有不均匀。

（三）底片4、底片6与底片2对比：底片4最清晰，观察到的物体凹凸明显，每一个细节都可以清楚看到，轮廓分明，与底片2不同，边缘是由光滑的线条组成，而且这张底片上的物体比其余几张要亮。底片6没有底片4清晰，但是比其余几张质量要高。

经过对比观察，将光强比控制在1/2—1/3之间，可以获得清晰的全息图，明显地提高全息图的质量。但是，仔细观察底片4，会发现除被摄物以外，还有透镜的黑边框。为弥补这一不足，我们可以采取以下措施：①对透镜的位置再进行移动，多次实验、摸索，找到一个合适的位置能使透镜的边框去掉。②将透镜的边框上做些装饰，使之成为一个相框，将透镜的位置稍微移动些，令最后所成照片中被摄物位于透镜中央，透镜边缘变成一个漂亮的相框。如果经过①②的进一步改进，对全息图质量的提高会更加地完美。

参考文献：

[1]贺淑莉，大学物理实验，科学出版社，2006年2月，106—108页。

[2]高光金，对提高激光全息照片质量的研究，潍坊学院学报，2003，3（4）。

[3]谭佐军、桂容、曹炜、陈建军，对全息照相实验的研究与改进，大学物理实验，2007，20（2）。

[4]代伟，全息照相实验技巧探讨，实验技术与管理，2007，24（8）。

[5]钟锡华，现代光学基础，北京大学出版社，2003年8月。

[6]杨述武，普通物理实验光学部分，高等教育出版社，2003年5月。

[7]刘思敏、许京军、郭儒，相干光学原理及应用，南开大学出版社，2001年1月。

[8]赵凯华、钟锡华，光学，北京大学出版社，1996年10月。

[9]姚启钧，光学教程，高等教育出版社，2002年7月，35页。

[10]赵凯华，新概念物理教程光学，北京大学出版社，2004年。

[11]陈泽民，近代物理与高新技术物理基础，清华大学出版社，2002年。

致谢：在这次毕业论文设计过程中，我得到了老师以及同学们诸多方面的帮助。其中，刘明海老师从选题、构思、实验以及最后定稿各个环节和方面予以悉心指引和教导，使我得以最终顺利完成毕业论文。在实验过程中，每当我们遇到问题，总会找刘老师寻找帮助，而老师不论闲忙，总会到实验室帮我们分析问题，指点迷津，给予了我们关心与支持。向老师表示我最诚挚的敬意和感谢！感谢我的实验伙伴刘晓菲同学，在大学即将结束的日子里，我们俩再一次上演了团结合作的童话，在实验过程中相互协作，增强了我们实践操作和动手应用能力，顺利完成实验，达到实验目的。

最后，感谢所有在这次毕业论文设计中给予过我帮助的人！

探讨光强比对全息图质量的影响