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1、第七章第七章 光学全息光学全息光学全息基本原理、重光学全息基本原理、重要全息图及主要应用要全息图及主要应用普通照相普通照相特点：仅会看见二维图片上的信息，当图片有一个角度特点：仅会看见二维图片上的信息，当图片有一个角度时，不会看到更多的信息。时，不会看到更多的信息。HOLOPRO全息屏幕全息屏幕 Holopro将高科技全息膜将高科技全息膜嵌入嵌入Amiran玻璃中玻璃中,使之成为使之成为完美的完美的HoloproTM全息投影屏全息投影屏幕幕,有正投屏和背投屏两种可供有正投屏和背投屏两种可供选择选择.它也完全可以在户外使用它也完全可以在户外使用,完全不会受到任何户外强光的完全不会受到任何户外强光
2、的干扰干扰,清晰度与室内相比毫不逊清晰度与室内相比毫不逊色色,且它的寿命可长达数十年且它的寿命可长达数十年.全息术（全息照相）全息术（全息照相）三维显示三维显示特点：从任何一个角度观看时，它都立体再现了被摄物体原貌。特点：从任何一个角度观看时，它都立体再现了被摄物体原貌。2.全息照相和普通照相的方全息照相和普通照相的方式一样吗式一样吗？1.为什么全息照相能够实现为什么全息照相能够实现三维显示三维显示？全息术全息术(也称全息照相也称全息照相)，记录的是记录的是物光波全部信息：包括物光波全部信息：包括振幅振幅(或强度或强度)和相位。和相位。19481948年匈牙年匈牙利物理学家利物理学家伽伯伽伯(
3、Dennis(Dennis Gabor 1900-Gabor 1900-1979)1979)提出全提出全息照相原理息照相原理,于于19711971年荣获年荣获诺贝尔物理诺贝尔物理学奖。学奖。2020世世纪纪6060年代初年代初期激光问世，期激光问世，全息照相术全息照相术得到迅速发得到迅速发展。展。19481948年匈牙利年匈牙利物理学物理学(Dennis(Dennis Gabor Gabor 提出全提出全息照相原理息照相原理 普通照相普通照相使用透镜成像原理，底片使用透镜成像原理，底片上化学反应的强度直接由物体各处上化学反应的强度直接由物体各处的明暗决定，即由入射光波的的明暗决定，即由入射光波
4、的强度强度决定。决定。“全息全息”，顾名思义全部信息，顾名思义全部信息，全息术全息术是是19481948年年Dennis Gabor Dennis Gabor 为了降低电为了降低电子显微镜的像差，提高和改进图像分辨子显微镜的像差，提高和改进图像分辨率提出的。率提出的。19711971年获得诺贝尔奖。年获得诺贝尔奖。“全息全息”是指物体发出的光波的全部信是指物体发出的光波的全部信息：包括息：包括振幅振幅(或强度或强度)和和相位相位。普通照相普通照相使用透镜成像原理，底片上化学反应的强使用透镜成像原理，底片上化学反应的强 度直接由物体各处的明暗决定，即由入射光波的强度直接由物体各处的明暗决定，即由
5、入射光波的强 度决定。度决定。什么是全息术？什么是全息术？全息术全息术（holographyholography）是利用光的干涉和衍射原理，）是利用光的干涉和衍射原理，将携带物质信息的光波以干涉图的形式记录下来，将携带物质信息的光波以干涉图的形式记录下来，并且在并且在一定的条件一定的条件下使其再现，形成原物体逼真的下使其再现，形成原物体逼真的立体象。由于记录了物体的全部信息，立体象。由于记录了物体的全部信息，包括振幅和包括振幅和相位相位因此称为全息术。因此称为全息术。全息发展简史全息发展简史 1 1948948年年 Dennis GaborDennis Gabor 提出提出 “波前重现波前重现
6、”理论理论 目的：改善电子显微镜的分辨率目的：改善电子显微镜的分辨率 光源：水银灯光源：水银灯 发出可见光发出可见光 效果：因光源相干性差存在孪生像，效果很不明显效果：因光源相干性差存在孪生像，效果很不明显 19601960年年 激光器激光器 问世，问世，提供提供 理想的相干光源理想的相干光源 为全息技术的发展创造了条件为全息技术的发展创造了条件 19621962年年 离轴全息图离轴全息图问世问世 利思利思和和乌帕特尼克斯乌帕特尼克斯 提出提出“斜参考光法斜参考光法”,加速了全息术的发展加速了全息术的发展 19621962年年 U.DenisyukU.Denisyuk （丹尼苏克）提出反射全息
7、图方法；（丹尼苏克）提出反射全息图方法；19641964年年 ArAr+Laser Laser 问世问世 布里奇斯布里奇斯 氩离子激光器氩离子激光器提供了强脉冲激光，提供了强脉冲激光，扩展扩展 了全息技术了全息技术 的应用范围的应用范围 19651965年年 R.L.R.L.鲍威尔鲍威尔，K.A.K.A.斯特特森斯特特森 提出全息干涉术；提出全息干涉术；用于材料无损检测、流体分析等。用于材料无损检测、流体分析等。19681968年年 S.A.S.A.本顿本顿 发明彩虹全息术（白光全息术）；发明彩虹全息术（白光全息术）；.4040多年来，全息学科和技术得到飞速发展，高科技、国防、多年来，全息学科
8、和技术得到飞速发展，高科技、国防、艺术等领域几乎无所不及。艺术等领域几乎无所不及。n 第一阶段第一阶段 水银灯作光源，水银灯作光源，同轴全息图同轴全息图 萌芽阶段萌芽阶段 第一代全息第一代全息n 第二阶段第二阶段 激光记录，激光再现，激光记录，激光再现，离轴全息图离轴全息图 第二代全息第二代全息*n 第三阶段第三阶段 激光记录，白光再现激光记录，白光再现 第三代全息第三代全息*n 第四阶段第四阶段 白光记录，白光再现白光记录，白光再现 第四代全息第四代全息全息发展的四个阶段全息发展的四个阶段全息照相的特点全息照相的特点 两个突出的特点，两个突出的特点，三维立体性三维立体性、可分割性可分割性。全
9、息照片再现出来的像是全息照片再现出来的像是三维立体三维立体的，具有如同的，具有如同观看真实物体一样的立体感，这一性质与现有的观看真实物体一样的立体感，这一性质与现有的立体电影有着本质的区别。立体电影有着本质的区别。可分割性可分割性，是指全息照片的碎片照样能反映出整，是指全息照片的碎片照样能反映出整个物体的像来，并不会因为照片的破碎而失去像个物体的像来，并不会因为照片的破碎而失去像的完整性。的完整性。第三代全息图第三代全息图 白光再现全息图白光再现全息图白光反射全息图白光反射全息图1996年我国公安部将透明激光全息图像应用年我国公安部将透明激光全息图像应用在居民身份证上，将身份证用透明膜整体覆盖
10、，在居民身份证上，将身份证用透明膜整体覆盖，在光线下观察在光线下观察身份证身份证正面时，不但能看清证件正面时，不但能看清证件内容，还能看到透明膜上显现出来的彩虹全息内容，还能看到透明膜上显现出来的彩虹全息图像（图像（“长城长城”及及“中国中国CHINA”的字样）。的字样）。彩虹全息图彩虹全息图彩彩虹虹全全息息图图真彩色真彩色全息图全息图动态合成全息图动态合成全息图播放播放动态合成全息动态合成全息播放播放.1 全息术的原理全息术的原理 (Principle of holography)利用利用干涉干涉和和衍射衍射原理，将物光波的特征参原理，将物光波的特征参量量振幅和相位以振幅和相位以干涉条纹干涉
11、条纹的形式记录下来，的形式记录下来，并在一定条件下使其再现，从而形成与原物体并在一定条件下使其再现，从而形成与原物体逼真的立体图象。逼真的立体图象。全息照相的过程分两步：全息照相的过程分两步：波前记录波前记录波前再现波前再现二二.全息照相的过程全息照相的过程（一）波前记录（一）波前记录 设记录平面为设记录平面为xy平面平面参考光参考光反射镜反射镜全全息息干干板板物光波物光波物光波的记录是一个光波干涉过程。物光波的记录是一个光波干涉过程。如图，设记录平面为如图，设记录平面为xy平面，该平面平面，该平面上物光波的复振幅分布为：上物光波的复振幅分布为：参考光波在记录平面上复振幅分布为：参考光波在记录
12、平面上复振幅分布为：两相干光波在记录平面上的合光场的复振幅分布为：两相干光波在记录平面上的合光场的复振幅分布为：所以，合光场的光强分布为：所以，合光场的光强分布为：123第第1项项是物光波在记录平面上造成的强度分布，它不是物光波在记录平面上造成的强度分布，它不均匀，但实验上一般让它比参考光波弱很多。均匀，但实验上一般让它比参考光波弱很多。第第2项项是参考光波在记录平面上造成的强度分布，是参考光波在记录平面上造成的强度分布，因为一般采用简单的平面波或球面波作为参考光，因为一般采用简单的平面波或球面波作为参考光，因此，该项近似为常数，即光斑均匀。因此，该项近似为常数，即光斑均匀。第第3项项是物光波
13、和参考光波的交叉项。它是物光是物光波和参考光波的交叉项。它是物光与参考光的干涉图样，包含了振幅和相位的信息。与参考光的干涉图样，包含了振幅和相位的信息。用记录介质将它们记录下来，就是一张全息图！用记录介质将它们记录下来，就是一张全息图！记录过程的线性条件：记录过程的线性条件：将曝光量控制在全息干板将曝光量控制在全息干板tE曲线的线性区。曲线的线性区。曝光后的干板经过显影、定影处理后，就得到全曝光后的干板经过显影、定影处理后，就得到全息图。全息图呈现出来的是干涉条纹，不是物体的像。息图。全息图呈现出来的是干涉条纹，不是物体的像。用复振幅分布为用复振幅分布为 的相干光束照射全息图的相干光束照射全息
14、图部分光束透过干板产生衍射，大部分光被乳胶吸收，少部部分光束透过干板产生衍射，大部分光被乳胶吸收，少部分被反射。分被反射。全息图的透射光场分布为：全息图的透射光场分布为：此式为全息照相再现过程的基本方程。此式为全息照相再现过程的基本方程。（二）波前再现（二）波前再现观察全息照片的光路如图：观察全息照片的光路如图：再现过程分析：再现过程分析：再现光束若也采用原相干参考光再现光束若也采用原相干参考光u1：代表再现照明光束经代表再现照明光束经过全息干图后的透射波。过全息干图后的透射波。u2：A02是物光波振幅的平是物光波振幅的平方，主要能量靠近光轴方向方，主要能量靠近光轴方向传播，呈现一种传播，呈现
15、一种“散斑散斑”的的图象。图象。u4u3u1+u2全息图全息图虚象虚象实像实像激光束激光束u1+u2u3u4O(x,y)为为原原物物光光波波，u3与与原原物物光光波波具具有有相相同同相相位位，而而振振幅幅仅仅差差一一个个常常系数。再现原物的虚象。系数。再现原物的虚象。u3=u4u4项存在原物光波的复共轭函数。再现光波构成原物项存在原物光波的复共轭函数。再现光波构成原物的赝实像。的赝实像。全息图全息图虚象虚象实像实像激光束激光束u1+u2u3u4（二）再现（二）再现观察全息照片的观察全息照片的光路如图：光路如图：设用复振幅分布为设用复振幅分布为 的相干光束作为照明光，的相干光束作为照明光，部分光
16、束透过干板产生衍射，大部分光被乳胶吸收，少部部分光束透过干板产生衍射，大部分光被乳胶吸收，少部分被反射。分被反射。全息图的透射光场分布为：全息图的透射光场分布为：此式表示了全息照相再现过程的基本方程。此式表示了全息照相再现过程的基本方程。下面分析再现过程：下面分析再现过程：再现照明光束采用原相干参考光束再现照明光束采用原相干参考光束 （）上式中各个量的物理意义见图：上式中各个量的物理意义见图：u1：代表再现照明光束经过：代表再现照明光束经过全息照片后的透射波，透射全息照片后的透射波，透射率为率为tB，即全息图再现中的，即全息图再现中的零级衍射波。零级衍射波。u2：由于：由于A02是物光波振幅是
17、物光波振幅的平方，即物光波在干板上的平方，即物光波在干板上的光强分布，它在全息图上的光强分布，它在全息图上呈现一种呈现一种“散斑散斑”的图象。的图象。u3：代表了：代表了 级衍射光波，级衍射光波，与原物光波相比，它多了与原物光波相比，它多了 这个常系数，因而这个常系数，因而u3与原物光波与原物光波具有相同的相位，而振幅仅相差具有相同的相位，而振幅仅相差一个常数。一个常数。u4：代表了：代表了-1级的衍射波，级的衍射波，而原物光波而原物光波u4与原物光波的相位信息相差一个负号，表明再现物光波与与原物光波的相位信息相差一个负号，表明再现物光波与原物光波共轭。对于波面而言，如果原物光波发散，则再现原物光波共轭。对于波面而言，如果原物光波发散，则再现物光波是会聚的，它将构成一个实赝像。但会有变形。物光波是会聚的，它将构成一个实赝像。但会有变形。异彩纷呈的全息图异彩纷呈的全息图英女王的全息照片英女王的全息照片