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自参考像全息图

杜艳丽  
【摘要】: 全息术(holography)是上世纪最重要的物理发明之一,它的原理由英国科学家Gabor于1948年最早提出。盖伯为提高电子显微镜的分辨率,提出了一种同时记录物体光波振幅和相位的方法,并用实验证实了这一想法。他用汞灯作为光源,采用同轴全息图的记录方式,制成了第一张全息图。这种全息图的±1级衍射波是分不开的,这是第一代全息图。随着高相干度激光的出现,1962年Leith和Upatnieks将通讯理论中的载频概念推广到空域中提出激光记录、激光再现的离轴全息图,分离了孪生像,使全息术进入了第二代全息图的发展时期。由于激光再现的全息图失去了色调信息,1969年Benton提出二步彩虹全息术,在一定的条件下赋予全息图以鲜艳的色彩,形成激光记录、白光再现的第三代全息图。为了克服激光的高度相干性给全息技术的实际使用带来的种种不便,又继续探讨白光记录的可能性。第四代全息图应该是白光记录、白光再现的全息图,它将使全息术最终走出有防震工作台的黑暗实验室,进入更加广泛的实用领域。 全息术已经具有完整、严谨的理论系统,实际应用范围也从工程技术领域扩展到医学、艺术、装饰、包装、印刷等领域。目前有关全息术的研究主要集中在对传统记录方法的改进和研究探讨其应用潜力和应用领域等方面。根据以往的工作,本文提出了一种新的全息记录方法,记录系统是同轴全息系统而重现结果体现了离轴全息图的特性。该记录系统仅需一束照明光束,记录过程不需特定的防震装置。用透镜将物体的像成在记录干板平面附近,参考光来自物光本身,因此称之为自参考像全息图。利用该方法可以重构清晰的三维立体像,而且可利用非相干光记录和再现。本文给出了理论分析、实验装置、实验参数及结果。 本论文所作的工作主要有四部分:第一部分详尽地叙述了光全息术的发展历史,介绍了全息图的记录与再现的物理过程并进行了几何分析,用简单的数学公式表示全息图的形成过程。第二部分详细介绍了几种典型全息图:同轴全息图、离轴全息图、像全息图、彩虹全息图和体积全息图的形成过程、光路设计及数学描述。第三部分给出了相干光照明物体时形成的两种自参考像全息图:透射型自参考像全息图和反射型自参考像全息图。同时对两种全息图的形成原理进行了详细的理论推导,利用我们提出的方法设计实验光路,实验结果验证了这种方法的可行性。第四部分介绍用非相干光照明物体时形成的透射型和反射型自参考像全息图。基本原理与采用相干光时相同,同时也给出了实验装置,推导出全息图再 现像的位置,展示了根据再现像拍摄出的黑白照片。 实验设计的主要特点是:记录全息图时将三维物体的像成在记录干板所在平 面附近。在记录透射型全息图时,将全息光栅紧贴置于记录干板之前,而光栅起 到了分光的作用,直透波作为全息图的物光波,参考光是物光通过光栅后产生的 衍射波;记录反射型全息图时将硅片置于记录干板之后,利用反射硅片产生离轴 参考光,因此系统仅需一束照明光束,参考光来自物光本身,因此称之为自参考 像全息图。记录时光路结构采用同轴形式,而重现结果体现了离轴全息图的特点, 分离了孪生像。根据再现像拍摄出的黑白照片,可以看出本系统得到的图像明亮、 清晰,再现了原物体的特征。 实验结果表明:用本文所提出的方法来记录物体的全息图是可行的,实验中 既可以用相干光也可以用非相干光来照明物体,实验对外界环境和工作平台的限 制很小,有效的克服了震动对干涉条纹的影响,同时本系统结构简单、紧凑,而 且操作方便,这将使其在拍摄三维物体以及全息干涉计量术中具有良好的优越性 和使用性的前景。尤其是非相干光自参考像全息的提出展示了全息术发展的美好 前景。但是,由于再现中成像光波振幅正比于原物光波的振幅的平方,再现像的 光强分布发生一定畸变。同时,要将这一技术实用化,使全息术走出实验室,我 们拟将CCD与计算机处理引入到实验装置中,建立实时的处理机制。这些方面的 工作都需要我们做进一步研究和改进。


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