全息技术
历史版本
- *月*日版本：
2020.2.15 V1.0 马宁生-同济大学（第一版）
2020.2.16 V1.1 钟菊花-华东理工大学（修订）
2020.2.18 V1.2 方 恺-同济大学（修订）
2020.2.19 V1.3 张卫平-广西大学（修订）
修改中的版本
1、科学素养
早在激光器出现之前的1948年，匈牙利物理学家丹尼斯·伽伯(Dennis Gabor, 1900-1979)提出了一种记录光波振幅和相位的方法，即全息术(Holography)，随后用实验证实这一想法，并制成世界上第一张全息图。12年后，激光器问世，全息技术获得了理想的相干光源而迅速发展。1971年，因其发明全息照相的杰出贡献，伽伯荣获了诺贝尔物理学奖。\\ 光波是一种电磁波，传播中带有振幅和相位信息。“全息技术”是利用光的干涉记录物点波前全部信息（振幅和相位），能再现与原物一致三维立体图，并具有可分割性。本实验利用光的干涉、衍射，研究全息技术实现的过程和再现的方法以及上述现象成功出现的条件，加深同学们对全息技术和全息相片特性的理解，并提升同学们分析问题、解决问题的能力。\\ 全息术经过60年的发展，取得了很大的进展，已被广泛的应用于近代科学研究和工业生产中。全息术与计算机技术、光电技术以及非线性光学技术紧密结合，形成了全息术干涉计量、全息储存、全息显示和全息模压等高新技术，拓展到医学、艺术、装饰、包装、印刷等领域。全息术的发展也印证了设想、理论、实验的科学研究方法。
2、分层次实验教学内容
a)基础内容
“全息技术”的基础实验为“全息照相”，内容包括菲涅尔全息图的拍摄与在激光下再现（再现虚像、实像，包括共轭的虚像与实像）。
一、 学习全息照相的基本原理，了解全息照片的特点、拍摄和再现的实验方法。
（教学方法：课堂讲授与教学视频观看等。）
二、全息照相拍摄光路的搭建与调整。
1. 检查防震台的稳定性。
2. 调整各光学元件等高。
3. 搭建光路的要求：
- 参考光与物光的光程差尽可能相等，且因光路稳定性的要求，光程不宜过长；
- 选用透射率和反射率差异较大的平面分束镜，以较强的光束作为物光；
- 参考光与物光的夹角不宜过大，约为30~45度左右，使光路满足相干条件；干板的法线取为参考光与物光夹角的角平分线方向；
- 参考光与物光在全息干版上的照度比应调节适当，其比值过高可能让成像不清晰；而比值过低可能造成激光散斑噪声和调制噪声等因素对实验有显著影响。实验中，参考光与物光在全息干版上的照度比是否适当，可根据实验经验判断，或采用照度计进行定量测量。
三、全息照片拍摄（波前全息记录）
1. 曝光前等待光学平台达到稳定状态。
2. 曝光时间：根据干板特性要求和物光与参考光的总强度确定。
因为实验中对稳定性的要求较高，曝光时间不宜太长。
四、全息照片冲洗
1.显影（如：D76和D19显影液），在暗绿色安全灯下观看，当干版曝光部分呈现黑色斑纹时即可取出。
推荐使用稀释5-10倍后的显影液，根据实验时温度等情况，显影时间可适当延长达到约1-2分钟左右。
2.在水中停显。
3.定影（如：F5定影液）。
五、观察再现像
1.虚像观察
2.共轭像观察
3.用细激光光束进行实像观察
六、实验条件与实验数据的记录
1.器材参数：激光器种类，激光器输出波长，激光器输出功率， 防震台结构，全息干版种类，显影液种类，定影液种类。
2.实验条件： 室温，物光和参考光的光程差， 物光和参考光中心线夹角，物光和参考光的照度比，拍摄对象， 曝光时间，显影时间，定影时间。
注：以上实验参数只作为示例，具体实验参数因实验材料和实验条件而不同。
b)提升内容
1. 分析物光光波与参考光光波的夹角、光强比、光程差、曝光时间及震动等各个因素对全息照相实验影响，要求设计检测光路图，并写出实验过程和实验结果。
（参考文献：全息照相实验影响因素分析，於子奇，於黄忠，实验技术与管理，2019，36（06））
2. 全息干版多次曝光：调整或转动全息干板的方位，或者在不同的光路中更换不同的拍摄物体，获得多重全息照相图；再现像时用黑纸遮挡干版进行观察，进一步增强学生对全息照相记录和再现过程的理解，提高学生对全息照片的多重性和冗余性的认识。
3. 增加实验环节——白光再现菲涅尔全息图（也称“白光–光栅再现全息图”）：
全息照相教学实验中单色光再现的基础上，增加光栅以辅助实现白光再现的实验内容，学生能观察到用复色光再现时散开的全息图再现像重合到一起的情形，丰富实验内容，提升实验层次，并加深学生对全息术理论和光栅衍射的理解。
白光-光栅再现的菲涅尔全息图像有多种色彩，包括白色、准单色、彩虹状，及双倍双色的图像。
需要增加的实验器材为：白光点光源、光栅（空间频率在600-1000线较好用），固定装置（固定白光点光源、光栅、全息图的架子，自制或购置现有产品）
注：有光栅衍射成像仪的可直接使用该仪器观看（该仪器配有白光点光源与光栅）
（参考文献：在全息照相实验中增设光栅辅助白光再现全息图的尝试，沈晓明，张卫平，何小荣，陈茂鑫，黎彤，物理实验，2006，26（12））
c)进阶内容
1. 全息光栅的设计与制作实验：全息平面光栅设计，参数计算，光路搭建，光栅制作和相关参数的测定。
（1）由各组学生选择想要制作的光栅的空间频率（在100—300线之间选择，这种线数的光栅较好操作）；
（2）各组按照选定的光栅的空间频率计算两激光束的夹角；
（3）按照全息光栅的拍摄光路与计算得到的夹角，搭建光路；
（可向学生介绍推荐的光路，以及如何控制夹角的小技巧，并开展教学讨论）
（4）按照全息照相的方法曝光、并进行后处理；
（曝光时间比全息照相短很多，约为曝光1-2秒，而全息照相要10秒左右）
（5）测量所制成的全息光栅的参数并做误差分析。
（测量光栅常数的方法有多种可选）
2. 探究不同散射介质中全息实像的清晰度（实验中可选的散射介质包括含有灰尘的空气、有杂质的水、牛奶、烟雾、 淀粉溶液和氢氧化铁胶体等。）
（参考文献：探究不同散射介质中全息实像的清晰度，黎亚楠，杨鹰，严霞，周甫芳，冯洁，杨卫平，2015，35（5））
d)高阶内容
1. 学习制作反射全息图：
激光光束经扩束镜照射在全息干板上作为参考光，透过干板的光照亮物体，经物体漫反射的光成为物光，干板的乳胶面朝向物体方向，由于乳胶感光材料的透过率为30%-50%，若物体的反射率较高，光束照度比能满足全息图的记录条件。
2. 制作和研究彩虹全息和傅里叶变换全息图等其他类型的全息图。
3. 白光-光栅再现菲涅尔全息图的研究：
（1） 白光-光栅再现菲涅尔全息图色彩（白色、准单色、彩虹状）的规律研究；
（2） 白光-光栅再现二维菲涅耳全息图的研究。
4. 电子全息实验：采用CMOS相机拍摄，采用计算机进行处理得到全息图，并结合其工程应用设计实验内容。
5. 数字全息实验。
（参考文献：基于MATLAB实现光学全息照相实验的数字化探究，胡湘，严琪琪，李华，高校实验室工作研究，2018.2）
6. 全息技术在测量方面的应用（如：双曝光法检测物体的微小位移）
3、能力培养
培养学生光学实验的基本技能，掌握先定性、后定量的调整原则。通过对实验光路的设计、搭建、调整以及现象的观察，培养学生创新能力、观察能力和动手能力，提高学生认真、仔细的学习态度和一丝不苟的工作作风。
4、知识点
全息术、干涉的原理和条件、光的衍射、振幅、频率、相位、干涉度、再现、光程差、光栅、全息照片拍摄条件和拍摄过程、暗室的操作规程。
5、学科关联
光学、全息计量学、电磁学、光电子学、材料科学、信息科学、生物医学。
6、延伸实验
1. 用全息照相法研究扩音器纸盆的振动模式。
2. 二次曝光全息干涉计量法-测量透明材料的折射率。
3. 双光栅成像实验。