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透過全像術探索光的時間同調性


核心概念
本文探討了在全像術中光源同調長度與記錄物件三維形狀之間的關係,並透過實驗證明,使用非雷射光源(如經過濾光片的 LED 和汞燈)也可以製作全像片,但能記錄的物件深度會受到光源同調長度的限制。
摘要

全像術與光學同調性

全像術的原理與應用

全像術是一種利用光波干涉記錄和重建物體三維圖像的技術。自 1948 年誕生以來,全像術已廣泛應用於成像、顯微鏡、顯示和環境監測等領域。

光學同調性的重要性

光的同調性是影響全像術成像品質的關鍵因素之一。同調長度是指光波保持相位關係的距離,它決定了全像術所能記錄的物體深度。

非雷射光源製作全像片的探索

研究問題

傳統上,製作全像片通常使用雷射光源,因為其具有較長的同調長度。然而,本研究探討了是否可以使用非雷射光源製作全像片,以及光源同調長度對全像片成像深度的影響。

實驗方法

研究人員使用以下光源製作硬幣的全像片:

  • 氦氖雷射
  • 高壓汞燈 + 綠色濾光片
  • 紅色 LED + 1 納米干涉濾光片
  • 紅色 LED

同時,他們使用共聚焦顯微鏡測量了硬幣的三維形狀,並根據全像片成像結果估算了不同光源的同調長度。

實驗結果

實驗結果表明,使用非雷射光源也可以製作全像片,但能記錄的物件深度會受到光源同調長度的限制。例如,使用紅色 LED 和干涉濾光片製作的全像片只能記錄硬幣上的肖像,而無法記錄硬幣表面的背景。

結論

本研究為學生提供了一個透過實驗探索光學同調性概念的機會。透過比較不同光源製作的全像片,學生可以直觀地理解光源同調長度對全像片成像深度的影響。

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統計資料
氦氖雷射的同調長度約為 30 公分。 高壓汞燈 + 綠色濾光片的同調長度約為 5 毫米。 紅色 LED + 1 納米干涉濾光片的同調長度約為 300-350 微米。 紅色 LED 的同調長度小於 80 微米。
引述
"The coherence length of a light source is classically obtained using interferometric set-ups as Michelson or Mach-Zehnder interferometers." "Holography is a great tool for pedagogic purposes: the realisation of a hologram is extremely motivating and enables the exploration of some important fundamental principles of optics and several applications."

從以下內容提煉的關鍵洞見

by Alex... arxiv.org 10-16-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.11351.pdf
An exploration of temporal coherence of light through holography

深入探究

全像術在未來有哪些潛在的應用領域?

全像術在未來擁有廣泛的潛在應用領域,以下列舉幾個例子: 1. 三維顯示與娛樂: 取代傳統的二維螢幕,創造更具沉浸感的觀影體驗,例如全息電影、電視、遊戲等。 應用於虛擬實境(VR)和擴增實境(AR)設備,提供更逼真的虛擬物件和互動體驗。 2. 醫學影像與診斷: 取代或補充現有的醫學成像技術,例如 X 光、CT 和 MRI,提供更高解析度和更全面的三維影像資訊。 用於手術導航,將病患的器官和組織以三維方式呈現給醫生,提高手術精準度和安全性。 3. 顯微鏡和科學研究: 突破傳統顯微鏡的限制,實現對活細胞和微觀生物的動態三維成像,促進生物學、醫學和材料科學的發展。 用於研究光和物質的交互作用,例如全息干涉術可以測量微小的位移和形變。 4. 資料儲存和光學運算: 利用全息技術開發超高容量和高密度的三維資料儲存設備,超越現有技術的容量限制。 利用光的特性進行平行運算,開發更快、更節能的光學電腦。 5. 藝術和設計: 創造獨特的三維藝術作品,例如全息雕塑、裝置藝術等。 應用於產品設計和建築設計,將虛擬模型以三維方式呈現,方便設計師和客戶進行評估和修改。

如果使用具有更短同調長度的光源,例如白光 LED,是否可以製作全像片?

直接使用白光 LED 等短同調長度光源製作傳統全像片非常困難。因為全像術需要光源具有足夠長的同調長度,才能在參考光和物光之間產生干涉圖樣,並記錄物體的三維資訊。白光 LED 的同調長度通常只有幾百奈米,遠小於傳統全像術所需的幾毫米甚至幾厘米。 然而,近年來發展出的非相干全像術技術可以使用白光 LED 等非相干光源進行三維成像。這種技術不依賴於光的時間同調性,而是利用空間光調製器(SLM)或微透鏡陣列等元件對光場進行調製,產生干涉圖樣,並通過數位處理技術重建物體的三維資訊。 非相干全像術相較於傳統全像術具有以下優點: 可以使用更便宜、更方便的白光光源。 對環境震動和空氣擾動的敏感度較低。 可以實現彩色三維成像。

全像術的發展如何促進我們對光學和量子物理的理解?

全像術的發展不僅 revolutionized 了我們記錄和重現三維影像的方式,也加深了我們對光學和量子物理的理解。以下是一些例子: 1. 光的波動性: 全像術的原理基於光的干涉和繞射現象,這些現象證明了光的波動性。 全像術的發展促進了我們對光波傳播、干涉和繞射的理解,並推動了波動光學的發展。 2. 光資訊的完整性: 全像術可以記錄光波的振幅和相位資訊,而傳統攝影只能記錄振幅資訊。 這項特性讓我們意識到光波攜帶的資訊比我們想像的更豐富,並促進了光資訊處理技術的發展。 3. 量子全像術和量子糾纏: 近年來發展的量子全像術利用量子糾纏現象,可以實現更高分辨率和更安全的全息成像。 量子全像術的研究促進了我們對量子糾纏、量子測量和量子資訊處理的理解。 4. 全息原理和宇宙學: 全息原理認為,宇宙中的資訊可能以二维形式儲存在其邊界上,就像全息圖一樣。 這個理論試圖將量子力學和廣義相對論統一起來,並促進了我們對宇宙起源和演化的理解。 總之,全像術的發展不僅為我們提供了新的成像和顯示技術,也加深了我們對光學、量子物理和宇宙的理解。隨著技術的進步,全像術將繼續在科學研究、技術應用和藝術創作等領域發揮重要作用。
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