光学全息详解

一、光学全息概述

1.1 光学全息的基本思想与原理的概述

光波是电磁波, 随时间振动,并在空间传播。光波照射物体时, 其振幅和相位就被空间调制。物光波的振幅给出物体的亮度(强度)信息, 相位给出物体的方位(深度和位置)信息。若能采用某种方法把物光波的振幅和相位同时记录下来, 并在一定条件下再现, 则可看到包含物全部信息的三维像(包括三维感觉和视差), 即使物体已经移开, 仍然能看到原物体。

光学全息术: 利用干涉原理, 通过引入一个与物光波相干的参考光波与物光波干涉, 将物光波中的振幅和相位信息以干涉条纹(干涉图)的形式记录在某种上, 然后再利用光波衍射的原理, 通过光波的衍射, 再现原始物光波, 从而再现原物体的三维像。

波前记录(全息记录): 物光波与参考光波干涉的记录过程。

全息图: 被某种介质记录下的物光波与参考光波形成的干涉图。物光波的振幅和相位信息转化成干涉图(干涉条纹)中的条纹对比度、条纹的间距及取向等的空间分布。

波前再现(全息再现): 把全息图作为衍射屏, 用符合一定条件的光波照射全息图, 特定方位的衍射波就可以重现原始物光波。

全息: 全部信息, 振幅和相位。记录和再现物光波的技术叫全息照相术(全息术)。全息的波前记录和再现过程就是调制与解调的过程。其中参考光波是载波, 物光波是调制光波, 干涉记录过程就是调制, 衍射再现就是解调。

1.2 全息术发展的几个阶段

全息术的发展可分为四个阶段:

（1）采用汞灯作为光源, 并且是摄制同轴全息图, 称为第一代全息。

（2）离轴，激光记录、激光再现——第二代全息图。

（3）激光记录、白光再现——第三代全息图。

（4）白光记录、白光再现——第四代全息图。

二、波前记录与再现

2.1 波前记录

2.1.1 干涉场分布与波面相位的一一对应关系

当两束光相干时, 其干涉场分布(包括干涉条纹的形状、疏密及明暗分布)与这两束光的波面特性(振幅及相位)密切相关。一种分布只对应着唯一的相干方式, 若两束光的波面形状有微小的改变, 或者两者的相对位置有微小改变, 都会引起干涉场分布的改变. 因而干涉场的分布与波面相位可以说是一一对应的。

2.1.2 干涉法记录波前

利用感光材料来记录干涉场的条纹, 可以达到“冻结”物光波相位信息的目的。具体方法是在物光到达感光板的同时, 用另一束已知振幅和相位并能与物光相干的光波(称为参考光)同时照射感光板. 曝光后, 感光板上记录到的是两者相干涉的条纹.由前面讲述的一一对应关系可知, 物光的振幅和相位信息便以干涉条纹的形状、疏密和强度的形式“冻结”在感光的全息干板上. 这就是波前的记录过程.

2.1.3 物光波与参考光波干涉形成干涉图的数学模型

设传播到记录介质面上的物光波前和参考光波前分别为:

记录介质H表面的总光场为:

记录介质H上的光强分布为:

也可以写成

第一项: 参考光波在介质面的强度分布, 一般用平面波或球面波作为参考光波, |R|为常数或近似为常数, 该项是均匀分布或近似均匀分布。

第二项: 物光波在介质面上的强度分布, 一般不是均匀的, 但相对条纹强度分布来讲是缓慢变化的. 前两项基本上是常数, 是直流项, 对波前再现无用。

第三、四项分别包含了物光波和物光波的共轭, 是物光波对参考光波的调制, 参考光波是载波, 物光波作为调制波, 可以用于波前再现。

式(5.2.4) 中的第三项:由式(5.2.3) 中的第三、四项得来, 是干涉项, 表明: 它包含了物光波的振幅和相位信息。参考光波作为载波, 其振幅和相位均受到物光波的调制(调幅、调相)。

参考光波的引入,使物光波的相位分布转换成了干涉条纹的强度分布(对比度、条纹间距、方向)。

2.1.4 干涉图记录到记录介质上形成全息图

作为全息记录的感光材料很多,最常用的是由细微粒卤化银乳胶涂敷的超微粒干板,简称全息干板。经适当显影、定影等处理后,就得到全息图。

结构：

感光层：银盐乳胶, 由照相明胶、卤化银颗粒及适量的补加剂(包括坚膜剂、增感剂、稳定剂等)组成。明胶不仅是感光层的成膜物质, 而且具有很好的分散作用, 使超微粒的卤化银晶粒(0.03um～0.08um) 能均匀分散其中。

底层：使亲水的乳胶层牢固地粘附于疏水的玻璃片上。

片基：玻璃或塑料片, 作为支撑体。

防晕层：由吸光物质和粘接剂组成, 防止曝光时背面反射光. 拍摄反射全息图的厚全息干板, 不需要防晕层。

（1）感光过程: 光化学过程

银盐乳胶吸收光子生成不可见的潜像, 显影处理后得可见的像, 定影后称为永久像。

潜像形成过程: 银盐乳胶吸收光子后, 分解成一些金属银小斑点(显影中心), 在显影过程中, 这些细小的显影中心使整个卤化银晶粒变成金属银而沉淀下来, 没有曝光或没有吸收足够能量的晶粒保持不变, 定影时可除去未曝光的卤化银晶粒, 而留下金属银。

（2）性能指标:

光谱响应曲线, 对不同波长的光的感光灵敏度.如: 632.8nm, 514.5nm, 488.0nm, 532.0nm, 441.5nm 等。
感光特性曲线, 对不同强度的光的反应。
分辨率, 由银颗粒的大小和分布情况决定. 银颗粒的大小除与卤化银晶粒大小有关外, 还与曝光及显影条件有关。
噪声. 记录过程的线性。

（3）记录过程的线性条件

将曝光量控制在全息干板t－E曲线的线性区

曝光量:

经线性处理后的全息图的振幅透过率:

（4）对于全息记录

若参考光的强度在整个记录表面上是均匀的, 则全息图的振幅透过率:

$t_{b}$ 为均匀偏置透过率。

也可以写成：

2.2 波前再现

用一束相干光波作为再现光波照射全息图, 它在全息图平面的光场分布为:

透过H的光场分布为:

上式为全息学基本方程。

第一项U1、第二两项U2: 均含有C, 系数都近似于常数, 相当于再现光波的直透光波, 为直透光波或0级光波。

第三项U3: 包含有物光波的相位信息, 但还含有附加相位. 这一项最有希望再现物光波, 为原始像光波(通常为虚像)或+1级衍射光波。

第四项U4: 包含有物光波的共轭相位信息。这一项有可能形成共轭像, 为共轭像光波(通常为物的一个实像) 或-1级衍射光波。

第三、四项前面的系数可看作是对物光波波前的一种变换或运算操作(对物光波既有振幅调制, 又有相位调制)。一般情况下, 这些系数中可能含有二次相位因子和线性相位因子。二次相位因子使物光波(或共轭光波)聚散, 线性相位因子使物光波偏转。如果系数中既含有二次相位因子, 又含有线性因子, 则既具有聚散作用, 也有偏转作用。当再现光波满足一定条件时, 可比较准确地再现原物光波或原物光波的共轭光波。

2.2.1 再现光波是全息记录时的参考光波

第一、二两项合并, 保留了参考光的信息。

第三项再现了原物光波, 用眼睛观察或成像系统观测时, 在原位置观察到原物体的像, 就像原物体还在。由于物光波是发散的, 所以观察到的是物体的虚像

第四项为共轭像, 除与物光波共轭外, 还附加了一个相位因子, 这一项成为畸变了的共轭像, 因为R2中的相位因子无法消除. 若R(x, y)是平面波, R2的相位因子是一个线性相位因子, O*是物光波的“共轭” , 原物光发散, 它是会聚的, U4会在偏离原物体镜像位置的某处形成一个原物体的镜像实像；若R(x, y)是球面波, 则R2中含有二次相位因子, 使O*发生聚散, U4会在偏离原物体镜像位置的某处形成一个与原物体大小不同的镜像实像。

只有当参考光波与再现光波均为正入射平面波时, U3 和U4中的系数才为实数, 无附加相位因子, 全息图衍射场中的±1级项才严格对称。

2.2.2 再现光波是全息记录时参考光波的共轭

再现光路分两种情况: (a)轴对称, (b)逆光路.

第一、二两项合并, 仍保留了参考光的特征；第三项是畸变了的虚像；第四项是与原物相像的实像, 但出现了景深反演, 即原来近的部位变远了, 原来远的部位变近了, 称为赝实像。

2.2.3 其它情况

要看偏离R(x, y)的程度而定, 分以下三种情况说明:

（1）照射角度的偏离

再现光与参考光波相同, 只是相对全息图的入射角有偏离. 偏离角小时仍出现再现像；随着角度的增加, 再现像由畸变直至消失. 全息图只能在一个有限的角度范围内能再现物波前. 利用这一特性, 可采用不同角度的参考光在同一张全息片上记录多重全息图, 再现时只要依次改变再现光角度, 便可依次显示出不同的像来. 尤其是体全息图。

（2）波长的改变

如再现光与参考光只是波长存在差异, 则再现像除波长改变外, 还会出现尺寸上的放大或缩小, 同时改变与全息图的相对距离。

（3）波面的改变

一般情况下,再现光波面的改变都会使原始像发生畸变. 在有些情况下还可以利用这一点. 上述全息记录和再现原理已经充分说明全息照片能够再现出三维立体像的原因. 另外, 由于全息图上每一点都记录有物上所有点发出的波的全部信息, 因此每一点都可以在参考光照射下再现出像的整体。

注：

全息记录: 物光波前与参考光波前的干涉记录, 使物光波的振幅和相位信息被调制成干涉图的条纹分布, 再把干涉图的强度分布转化为全息图的振幅透过率分布。

全息再现: 再现光波经全息图衍射, 使全息图上的强度调制信息(振幅透过率信息)还原(解调)为原物光波的振幅和相位信息, 再现原物光波. 波前记录和波前再现的过程, 实质上是光波的干涉和衍射的结果。