摘 要:本文分析影响激光全息照相实验的各个因素,对如何拍摄出优质的激光全息照片提出了具体的解决方法。
关键词:激光全息照相 影响因素
一般的照相术记录的仅仅是振幅信息,得到的是二维平面像,而激光全息照相记录的是振幅信息和位相信息,也就是记录了全部的光波信息,得到的是三维空间的立体像。全息照相的基本原理以“干涉记录,衍射再现”为基础,所以除光波外,对于其他的波动过程,例如微波、红外等也都适用,因此全息照相技术发展成为科学技术上的一个全新领域,如今已应用在精密计量、无损检验、信息存贮和处理、遥感技术和生物医学等许多领域。
一、全息照相记录和再现过程
1.全息照相记录过程
全息照相是利用光的干涉进行信息记录的。He-Ne激光器发出的激光束通过7∶3透射反射镜分成2束,其中一束经平面反射镜M1反射,由扩束镜将光束扩大后照射到被摄物体O上,经物体O表面反射后再照射到全息干板H上,这束光称为物光。另一束光经反射镜M2反射、扩束镜扩束后,直接照射到H上,这束光称为参考光。这两束光在全息干板上叠加干涉,在全息干板H上形成明暗不同的干涉条纹图样。其中干涉条纹的形状反映了物光和参考光之间的相位关系,明暗度反映了光的强度,疏密反映了物光和参考光的夹角情况,这就是物光波的调制过程,其本质在于物体的全部信息以干涉条纹的形式储存在全息干板中。
2.全息照相再现过程
曝光后的底版经过显影与定影后,得到透光率各处不同(由曝光时间及光强分布决定)的全息片,考虑振幅透射率T(T=透射光的复振幅/入射光的复振幅)是曝光量的函数,选择合适的曝光量及冲洗条件,可以使得T与曝光时的光强I之间为线性关系。
用一束从特定的方向或与原来参考光方向相同的激光束照射全息图。全息图上每一组干涉条纹相当于一个复杂的光栅,再现光产生衍射物光波再现过程就是把存储在干涉条纹中的物光波信息用衍射解调出来。
二、影响拍摄全息照片质量的因素和解决办法
实验环境和实验条件是影响激光全息照相实验的主要因素,完成实验需经过合理摆放光路、拍摄、冲洗底片、再现等多个环节,想要拍摄成功并获得高质量的全息照片是非常不容易的。经过多次的实践,我们掌握了影响拍摄全息照片质量的因素,这样在实验过程中可以有的放矢,针对不同原因采取不同的解决方法。
1.系统稳定性的影响
由于全息图上所记录的是参考光和物光的干涉条纹,而这些条纹非常细,在曝光过程中,极小的振动和位移都会引起干涉条纹的模糊不清,甚至使干涉条纹完全不能记录下来。
因此在拍摄全息照片前,首先通过布置迈克尔逊干涉仪的光路,检查工作台的稳定性,注意观察垂直方向的条纹漂移情况,干涉条纹稳定后,方可进行拍摄。在载物台上粘牢或夹紧拍摄物体,将各个元件稳固地吸附在光学平台上,使各元件和平台间不应产生由附加应力而导致的附加程差和条纹漂移。我们在一个光学暗室内布置了四套仪器,为了防止相互干扰,采用同一时间曝光的方法,在曝光期间不能讲话、走动和发出任何声响,保证环境稳定,为拍摄全息照片创造条件。
2.物光和参考光夹角的影响
由公式(2)中可以看出物光和参考光的夹角θ越大,记录在全息干板上的干涉条纹越细,对干板的分辨本领要求越高,对实验环境和系统稳定性要求越苛刻,因此物光和参考光的夹角θ不能太大;但是物光和参考光的夹角θ对全息照片再现的视角亦有影响,夹角大时,观察范围较大,可以从不同角度观察再现像;因此物光和参考光的夹角θ也不能太小。[1]
经过多年的实验探索,在实验中选取物光和参考光的夹角在20度~40度之间比较适宜。
3.物光和参考光的光程差的影响
物光和参考光的光程差[2]不能大于He-Ne激光器发射激光的相干长度,否则物光和参考光两者不能相干,全息干板上无法获得清晰的干涉条纹。
实验测量物光和参考光的光程应该从7∶3透射反射镜开始算起,沿着光线行进的方向至全息干板为止。物光光程和参考光光程应尽量相等,如果不能满足相等条件,光程差应不得大于1cm。
4.物光和参考光光强比的影响
对于全息照相的记录介质而言,振幅透射率T(T=透射光的复振幅/入射光的复振幅)是曝光量E的函数,是非线性的。选择合适的物光和参考光的光强比才能有助于工作在线性区。若物光光强强于参考光光强时,容易产生显著的晕轮光晕,降低光通量,使得成像效率降低,因此应当增强参考光,从而避开非线性工作区,同时减小斑纹效应。但是对于实验室所用的功率为5mw的激光器,激光管出光口径较小,参考光和物光的光强比太大时,实验效果并不理想,拍摄的全息照片不清楚,对比度较差,参考光和物光的光强比应控制在3∶1~5∶1比较适宜。[3]
由于物光是首先照射到拍摄物体上,然后反射至全息干板上的,在传输过程中,光强衰减得比较严重,因此在分束时应该选择强光作为物光,同时合理地控制被摄物体和全息干板之间的距离(拍摄瓷器时,距离约为3~5cm;拍摄一元硬币时,距离可达10cm)。摆放光路时,先不放入扩束镜,调节平面反射镜,使激光光点照射在被摄物体和全息干板的中间位置后,再放入扩束镜,使扩束后的激光光束均匀地照亮物体和全息干板,调节被摄物体的位置,使被摄物体漫反射光的最强部分和参考光的最强部分均匀的重合在全息干板中间位置。
5.曝光时间和显影时间的影响
曝光时间合适才能在干板上形成复杂的衍射光栅,时间太长导致全息干板发黑,透射率低,难以再现,时间太短,全息干板上条纹太浅甚至没有。对于实验室所用的5mw激光器和天津Ⅰ型干板,曝光时间选择在45秒左右就可以了,对于反光较弱的物体,曝光时间可适当增加。如果需要2次曝光,第一次曝光后迅速改变拍摄物体的位置,整个系统重新稳定2分钟后,进行第二次曝光。[4]
选择显影时间应与曝光量、显影液的浓度及温度等情况加以综合考虑,即使规定显影时间,也会出现干板质量各异的情况,这主要是对全息干板的反差度判断不准确,因此在实验时规定的显影时间仅仅作为参考,将一反差合适的高质量的全息照片作为“样片”放入显影液中。显影过程中,在安全灯下观察,若显影干板反差度接近“样片”反差度时,即可停显。如果显影或曝光过度,应当放入漂白液中进行减薄处理,减薄处理可在白光下进行,减薄过程中要不停地观察,减薄程度合适即可。
三、结语
在布置光路时,首先满足物光和参考光夹角条件,接着符合光程条件,最后调节光强比。总之要全方位多角度考虑,不忽视任何一个影响因素和细节问题,统筹兼顾,“细心+小心+耐心”,才能拍摄出优质的全息照片。
参考文献:
[1]高金光.对提高激光全息照片质量的研究[J].潍坊学院学报.2003.3(4):35-36
[2]陈国杰,谢嘉宁.物理实验教程[M].武汉:湖北科学技术出版社,2004
[3]李文清,杨砚儒,刘瑞安.全息照相实验的异常现象分析与处理[J].实验技术与管理,2006.23(2):40-41
[4]代伟.全息照相实验技巧探讨[J].实验技术与管理.2007.24(8):35-38
How to take a high-quality laser holography photo
School of Science, Zhongyuan University of Technology
Guo PengZeng Hao-xianZhang Ying
Abstract: This paper analyzed various factors which influented laser holography experiment and carried on the deeply discussion to how to improve the quality of laser holography photo.
Key words:laser holographyinfluencing factors
作者单位:中原工学院理学院
