全息照相（或称全息术）是利用光的干涉原理记录物光波和利用光的衍射原理再现物光波的一门立体摄影技术。早在1948年就由英国的科学家伽柏1提出了理论与方法。由于当时缺少高强度、高相干性的光源，所以这项工作进展的比较缓慢，随着20世纪60年代激光的问世，使得全息照相有了一个合适的光源，因而迅猛的发展起来，并且相继的出现了多种全息方法，开辟出全息应用的广阔领域。鉴于伽柏这种开创性的研究成果，他被授予1971年度的诺贝尔物理学奖。 从用激光作为光源拍摄出第一张具有实用价值的全息照片起，至今已发展到不仅可以用激光拍摄、激光再现，而且已经发明了激光拍摄、白光再现的全息术，如：反射全息、彩虹全息、及合成全息等等。同时也开始了利用白光记录全息图的研究工作。 现在全息照相的理论已应用于信息储存、图象识别、干涉计量、无损检测、物体的表面研究、遥感技术、生物医学及军事科学的各个门类，也深入到我们的日常生活中，如：书籍装帧、防伪商标、家庭玩具和工艺品等。应用了全息技术后，给我们带来了越来越多的方便和益处。
本实验将通过静态全息照相的拍摄和再现，了解全息照相的主要特征及操作要领。
实验原理
１．全息照相的概述
由光的波动理论可以知道，光波是电磁波，它的特征主要取决于其振幅（强度），相位（波前的形状）和波长（颜）。我们要感受到一个真实立体的物体存在，至少应接受到两类信息，即物体发出的一定频率光波的振幅与相位。假使物体不存在，只要能接受到与原物体发出的振幅与相位完全一致的光波，那么一样能感受到与原物体一样逼真的图像。
普通照相是把物体表面漫反射的光波，经过照相机的镜头，形成物体的象，如果在象位置上放一感光底片，因象的照度和物体相应各点的光强成正比，所以底片经曝光、显影后，就可以得到一个明暗与被摄物体成反比的物体象（负片），把象上的光强分布记录在感光片上，经冲洗加工，在照相纸上就可以得到一个普通的相片。由于普通照相所用的感光材料的感光特性，其频率响应远跟不上光波的频率，感光的程度仅仅与总的曝光量有关，照片上记录的是物体的光强分布，也就是只记录的是物光的振幅，没有把物光的全部信息（振幅、相位）都记录下来。这种照片看上去是平面的，失去了原物体的立体感，所以普通照相得到只是一个二维的平面图象。可见普通照相是利用了光学透镜的物象变换关系。
1伽柏（Dennis Gabor1900~1979），英国籍匈牙利物理学家，从事电子光学、电子显微镜、高速示波器、气体放电、等离子体物理，通信技术方面的研究，是全息术的创始人。著有《电子显微镜》、《全息术，1948—1971》等。
全息照相则完全不同，它不用相机镜头，而是引入了一个相干的参考光，使其与从物体表面漫反射的物光波在全息干板上发生干涉，从而把物光波携带的全部信息（振幅和相位）记录在全息干板上，即利用干涉现象把每个物点的振幅和相位信息，在平面的介质中以干涉图样的形式记录下来。经过显影、定影等暗室内的处理，把干涉图样留在干板中，这样就拍摄成一个三维的全息照片。干涉图样的亮暗对比反映了物光波振幅的大小，条纹的形状、间隔、走向等几何特征则反映了物光波的相位分布。
全息照相拍摄到的干涉图象呈现的是一幅斑纹状的图样，如果放在高倍显微镜下将看到一幅很复杂细纹状的光栅结构，那么利用光的衍射原理，用与原参考光束入射方向相同的光束—再现光束照射在全息图（光栅）上，再现光束透过全息图发生衍射，在光栅的衍射光波中可以看到一个与原物体相同的三维立体图象。
如上面所叙述得知：全息照相
包含有两个过程，第一步是将物光波
的全部信息记录在感光材料上，称为
记录，第二步用原参考光照明这个感
光材料，使其再现原始物体的光波，
称为再现。
全息照相的基本原理对其它的
波动过程也都是适用的。
２．全息照相的数学描述
1）全息照相的记录.
8700g如图1所示，是漫反射全息照相
拍摄(记录)的光路，分束镜将激光光
束分成两束，一束激光经平面镜M 1、 图1全息照相的记录光路 扩束镜L 1照射到被摄的物体上，经物体的漫反射，照射到全息干板E 上，称为物光0~
U 另一束激光经平面镜M 2、扩束镜L 2直接照射到全息干板E 上，称为参考光R U ~。 两束光将在全息干板上产生干涉，形成干涉条纹。设
柴油机启动器
物光波： ()()()x,y -i e x,y A x,y U 000~ϕ⋅= （1）玻璃抛光的方法
参考光波：()()()x,y -i r R e x,y A x,y U ϕ⋅=~
（2） 式中A 0，A r ，，0ϕ，ϕ。分别为物光波参考光波的振幅和初相位。当两光波发生干
涉，其合成光波为：
()()()x,y U x,y U x,y U R ~
~~0+= （3） 合成光强为：
()()()()()()()]x,y U x,y U []x,y U x,y U [x,y U x,y U x,y I R R ∗∗∗+⋅+=⋅=~~~~~~00 ()()()）i （r i r r e A A e A A x,y A x,y A 0000220ϕϕϕϕ−−−+++= （4）
式中各项的物理意义：第一项),(20y x A 为物光波的光强分布，第二项(x,y)A r 2为参
考光波光强分布，第三项，第四项是交叉项，由物光波和参考光波干涉产生。记录下来之后，形成了干涉图象——光栅，它包含有物光波的振幅和相位信息。
2）物光波的再现
记录有物光波全部信息的干板经显影、定影即成为一张全息图片。将其放回拍摄时的原光路图中，仅用参考光将其照明就可以观察到物象的再现。
图2是全息干板的曝光特性曲线。曲
线上的a 、b 段为线性工作区，我们在记录
拍摄全息图片时可以适当控制干板的曝光
量和显影的时间，使得显影后的全息图振幅
的透过率t 与曝光量H 成线性关系。即透过
率：
βTI t βH t t +=+=00 （5）headcall
式中t 0为未曝光干板的振幅透过率，
β和T 分别为全息干板感光度和曝光时间，I 为物 图2全息干板的曝光特性曲线
光波和参考光波的合光强。用原参考光照射全息图时，经过全息图的衍射后的透射光波为：
()()βTI t -i r R e A t U x,y U +=⋅=0~~ϕ
()()()
]002002200ϕϕϕϕϕ--i r i r r -i r e A A e A A A A βT [t e A ++++=− ()
()00202022020ϕϕϕϕϕ--i r -i r -i r -i r r e A βTA e A βTA e A βTA e A βTA t ++++= （6） 由（6）式中可以看出透过全息图片的光波由四项内容组成。
第一项：()ϕ-i r r e A βTA t 20+是沿再现光方向上的透射光，振幅是再现光的20r βTA t +倍，这是零级衍射光。
热敏打印机芯第二项： ϕ-i r e A βTA ⋅20也是沿再现光方向上的透射光，由于A 0不是常数使得
此项透射光有一定的扩散，但由于A 0一般较A r 小很多，因此这项可以忽略。 第三项：002ϕ-i r e A βTA ，是沿原物光波方向的透射光，也就是原来物光波的波前再现光。我们沿着此项光波方向观察，感觉到好象在原物处（原物已取走）依然
有一个与原物完全一样的三维物体存在，这是一个没有畸变，放大率为1的一个虚象（若再现不是原来的参考光，此项光波产生的象有畸变，大小也会有变化）。从衍射的角度来看是+1级的衍射光。
第四项：()00022202ϕϕϕϕi -i r -i r e A e βTA e A βTA ⋅=−，式中00ϕi e A 是物光波的共轭光波，它表示的是与原物光传播方向相反的光，是一束会聚光，在全息图前可观察到实象。ϕ22-i r e A 的作用是使共轭物光波00ϕi e A 偏离原方向θ2角，θ是物光与参考之间的夹角。所以此光波在偏离原物光θ2角方向上形成一个实象。
全息图的观察方法如图3所示，原物虚象的观察比较简单，只要将处理后的
图3观察虚象 图4观察实象
全息图放在原处用参考光波R U ~照明，沿着原物光波的方向观察即可以看到原物的虚象，若想得到一个没有畸变的实象则用原参考光的共轭光波∗
R U ~来照明全息图，然后用一块毛玻璃在如图4所示被摄物处移动可接收到实象。
３．全息照相的特点
1）全息图的体视特征：全息图再现出的被摄物的形象是逼真的三维立体形象，
图5全息图的体视特征
它具有显著的视差特性。如图5是以不同的方向去观察全息图时所看到的不同效果
2）全息图的可分割性：因为全息图上任一小区域都分别记录了从不同物点发出的不同倾角的物光波信息，所以任一部分的碎片仍然能够再现出完整的被摄物的形象，只不过图象的分辨率要降低一些。
3）全息图的再现亮度可调：因为照射全息图的再现光是入射光的一部分，所以
再现光越强，再现的象就越亮，反之则越暗。实验指出，亮暗的调节可达103倍。
4）全息图再现象的景深范围很大：从理论上分析，拍摄和再现时相干光的相干长度决定景深范围。激光的相干长度较大，因此景深范围较大。观测细小物体的运动特别是悬浮体的运动，利用全息技术比较方便。
5）全息图的多重记录性：同一张全息干板可以多次重复曝光记录。一般只要在每次拍摄曝光之前稍微改变全息干板的方位，或改变参考光的入射方向；物体在空间的位置就可以在同一全息干板上重叠记录。在观察不同景物的再现象时，只要适当转动全息图即可。
6）全息图再现的象可放大、缩小：用不同波长的激光照射全息图，由于与拍摄记录时所用的激光的波长不同，再现的物象就会放大或缩小（物象变化是波长放大或缩小的结果）。
7）全息图易于复制：全息图没有正负片之分。如将拍摄记录的全息图与未感光的全息干板相对压紧进行翻拍就可以得到一张新的子全息图，用激光照射这个子全息图，仍然可以获得与母片相同的再现象。这是因为全息图中的干涉条纹对于母片
和子片来说，只相当于在全息干板上 位移了半个条纹宽度（相位差π）
，而这一区别对再现的衍射现象来说是不易被察觉的。
４．全息照相装置的基本条件：
1)要有一个好的相干光源：对于一般较小的漫反射物体常常用He-Ne 激光作为相干光源。He-Ne 激光的波长nm 8632、=λ，相干长度约cm 20．但它的相干长度仍是有限的，为了保证拍摄到较好的全息图，应使物光和参考光的光程差要小，一般要求在0~4cm 之间。
2)要有一个足够稳定的全息光学平台：全息图上的干涉条纹是很细密的，从理
论分析可知条纹的宽度）（2/2sin ／五方通话系统
d θλ=，由此公式可估计一下条纹的宽度：当物光波与参考光波之间的夹角 60=θ，nm 8632、=λ，则cm 10d -4=左右。可见在拍摄记录时，条纹移动不能大于cm 105−。因此在记录的过程中，每一个光学元件有一任何微小的移动或振动，哪怕是气流的扰动，都可能会使干涉条纹不清，无法再现原始的物象。因此在拍摄记录过程中，光路中各个光学元件都必须牢牢固定在防震的光学平台上面。从公式可知，当θ减小时，d 增大。抗干扰性增强。综合考虑θ角在 40~30之间较合适。另外缩短曝光时间，保持环境安静都是有利于记录的。
3)高分辨率的感光材料：普通照相用的感光材料由于银化合物的颗粒较粗，故感光底片分辨率较低，仅为mm 100~50条／，不能用来记录全息照相中细密的条纹。因此必须采用特制的高分辨率的感光底片。全息干板是用极细微颗粒卤化银明胶乳剂涂在玻璃板上制成的，分为几个型号。其中全息I 型干板，分辨率可达mm 3000条／，它对红光感光，安全灯为绿灯，很适合使用于He-Ne 激光拍摄全息图。
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