實(shí)驗(yàn)報(bào)告-靜物全息照片的攝制與觀察.docxVIP

實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告姓 名： 班 級：學(xué) 號：實(shí)驗(yàn)成績：同組姓名： 實(shí)驗(yàn)日期：2008-3-10指導(dǎo)老師：助教08批閱日期：靜物全息照片的攝制與觀察【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?學(xué)習(xí)全息照相的拍攝方法和觀察要領(lǐng)；2通過對靜物全息照片的攝制與觀察，了解全息照片的主要特點(diǎn)?！緦?shí)驗(yàn)原理】 1全息照相與全息照相技術(shù) 照相是將物體上各點(diǎn)發(fā)出或反射的光記錄在感光材料上，由光的波動理論知，光波是電磁波，一列單色波可表示為式中A為振幅，w 為圓頻率,為波長，j 為波源的初相位。一個(gè)實(shí)際物體發(fā)射或反射的光波比較復(fù)雜，但是一般可以看成是由許多不同頻率的單色光波的疊加 因此任何一定頻率的光波都包含著振幅A和相位兩類信息。光在傳播過程中，借助于它們的頻率、振幅和相位來區(qū)別物體的顏色（頻率）、明暗（振幅平方）、形狀和遠(yuǎn)近（相位）。 普通照相是通過成像系統(tǒng)（照相機(jī)鏡頭）使物體成像在感光材料上，材料上的感光強(qiáng)度只與物體表面光強(qiáng)分布有關(guān)，因?yàn)楣鈴?qiáng)與振幅平方成正比，所以它只記錄了光波的振幅信息，無法記錄物體光波的相位差別。因此普通照相記錄的只能是物體的一個(gè)二維平面像，缺乏立體感。全息照相不僅記錄了物體發(fā)出或反射的光波的振幅信息，而且把光波的相位信息也記錄下來，所以全息照相技術(shù)所記錄的并不是普通幾何光學(xué)方法形成的物體像，而是物光光波本身。它記錄了光波的全部信息，并且在一定條件下，能將所記錄的全部信息完全再現(xiàn)出來，因而再現(xiàn)的物像是一個(gè)逼真的三維立體像。全息照相包括二個(gè)過程，第一，把物體光波的全部信息記錄在感光材料上，稱為記錄（拍攝）過程。第二，照明已被記錄下全部信息的感光材料，使其再現(xiàn)原始物體的光波，稱為再現(xiàn)過程。全息照相的基本原理是以波的干涉為基礎(chǔ)，所以除光波外，對其他的波動過程如聲波、超聲波等也都適用。2全息照相的基本過程記錄和再現(xiàn)（1）全息照相記錄過程的原理光的干涉怎樣才能把物光的全部信息同時(shí)記錄下來呢？由物理光學(xué)可知，利用干涉的方法，以干涉條紋的形式就可以記錄物光的全部信息。圖一 靜物全息照片的攝制光路圖 圖是記錄過程中使用的光路。相干性極好的氦氖激光器發(fā)出激光束，通過分束鏡分成二束。其中一束經(jīng)反射鏡1反射，再由擴(kuò)束鏡1將光束擴(kuò)大后均勻地照射到被攝物體上，經(jīng)物體表面反射（或透射）后再照射到感光材料（實(shí)驗(yàn)中用全息感光膠片）上，一般稱這束光為物光。另一束經(jīng)反射鏡2反射，2擴(kuò)束后，直接均勻地照射到上，一般稱這束光為參考光。這二束光在膠片上疊加干涉，出現(xiàn)了許多明暗不同的條紋、小環(huán)和斑點(diǎn)等干涉圖樣，被膠片記錄下來，再經(jīng)過顯影，定影等處理，成了一張有干涉條紋的“全息照片”（或稱全息圖）。干涉圖樣的形狀反映了物光和參考光之間的相位關(guān)系。干涉條紋明暗對比程度（稱為反差）反映了光的強(qiáng)度，干涉條紋的疏密則反映了物光和參考光的夾角情況。（2）全息照相再現(xiàn)過程的原理光的衍射我們知道人之所以看到物體，是因?yàn)閺奈矬w發(fā)出或反射的光波被人的眼睛所接收。所以，如果想要從全息圖上看原來物體的像，直接觀察是看不到的，而只能看到復(fù)雜的干涉條紋。要看到原來物體的像，必須使全息圖再現(xiàn)原來物體發(fā)出的光波，這個(gè)過程就稱為全息圖的再現(xiàn)過程，它所利用的是光柵衍射原理。再現(xiàn)過程的觀察光路如圖2所示。一束從特定的方向或與原來參考光方向相同的激光束（通常稱為再現(xiàn)光）照射全息圖。全息圖上每一組干涉條紋相當(dāng)于一個(gè)復(fù)雜的光柵，它使再現(xiàn)光產(chǎn)生衍射。我們沿著衍射方向透過全息圖朝原來被攝物的方位觀察時(shí)，就可以看到一個(gè)完全逼真的三維立體圖像。為討論方便起見，取全息圖上某一小區(qū)域ab為例，同時(shí)把再現(xiàn)光看成是一束平行光，且垂直照射于全息圖上。如圖3所示，按光柵衍射原理，再現(xiàn)光將發(fā)生衍射，其+1級衍射光是發(fā)散光；與物體在原來位置時(shí)發(fā)出的光波完全一樣，將形成一個(gè)虛像，與原物體完全相同，稱為真像。1級衍射光是會聚光，將形成一個(gè)共軛實(shí)像，稱為膺像。 全息圖再現(xiàn)的被攝物體是一幅完全逼真的三維立體圖像。因此，當(dāng)我們移動眼睛從不同角度去觀察時(shí)，就好象面對原物體一樣，可看到原來被遮住的側(cè)面，圖4就是從不同角度去觀察同一張全息圖時(shí)的立體效果。（2）全息圖的可分割性全息圖上的任一小區(qū)域都分別記錄了從同一物點(diǎn)發(fā)出的不同傾角的物光信息。因此，通過全息圖的任一碎片仍能再現(xiàn)出完整的物像。（3）全息圖的多重記錄性在一次全息照相拍攝曝光后，只要稍微改變感光膠片的方位，如轉(zhuǎn)過一定角度，或改變參考光的入射方向，就可以在同一張感光膠片上進(jìn)行第二次、第三次的重疊記錄。再現(xiàn)時(shí)，只要適當(dāng)轉(zhuǎn)動全息圖即可獲得各自獨(dú)立互不干涉的圖像。由于全息照相技術(shù)具有上述獨(dú)特的特點(diǎn)。所以，在各個(gè)領(lǐng)域中已得到較廣泛的應(yīng)用。如利用全息圖的立體視覺特性，可作三維顯示、立體廣告、立體電影等。利用全息圖的可分割性和多重記錄特性，可作信息存儲、全息干涉計(jì)量、振動頻譜分析、無損檢測和測量位移、應(yīng)力、應(yīng)變等。4拍攝系統(tǒng)的技術(shù)要求為了拍攝合乎要求的全息圖，對拍攝系統(tǒng)有一定的技術(shù)要求。（1）對全息照相的光學(xué)系統(tǒng)，要求有特別高的機(jī)械穩(wěn)定性。如果物光和參考光的光程稍有不規(guī)則的變化，就會使干涉圖樣模糊不清。而且地面振動而引起工作臺面的振動，光學(xué)元件及物體夾得不牢固而引起的抖動，強(qiáng)烈聲波振動而引起空氣密度的變化等，都會引起干涉條紋的不規(guī)則漂移而使圖像模糊。因此，拍攝系統(tǒng)必須安裝在具有防振裝置的平臺上，系統(tǒng)中光學(xué)元件和各種支架都要用磁鋼牢固地吸在全息平臺上。在曝光過程中，人們不要走動，不要高聲說話，以保證干涉條紋無漂移。 （2）要有好的相干光源。一般實(shí)驗(yàn)中常采用氦氖激光器作為光源。同時(shí)物光和參考光的光程差要符合相干條件。一般常使兩者光程差小于1 cm。 （3）物光和參考光的光強(qiáng)比要合適。一般以1：4到1：6為宜。兩者間的夾角小于45，因?yàn)閵A角越大，干涉條紋間距越小，條紋越密，對感光材料分辨率的要求也越高?！緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算】1. 光程及光程差：物光光程（cm） 參考光光程（cm） 光程差（cm） 1 83.2 83.5 0.3 2 82.6 83.3 0.7 3 82.7 83.2 0.5 平均值 82.8 83.3 0.5 通過不斷調(diào)整光路,使光程差達(dá)到理想的數(shù)值。調(diào)整時(shí)要保持整個(gè)光路的舒暢，即各個(gè)元件之間的距離，以方便下面的實(shí)驗(yàn)。2光強(qiáng)：物光光強(qiáng)（mV）參考光光強(qiáng)（mV）總光強(qiáng)（mV）光強(qiáng)比曝光時(shí)間（s） 3.4 19.1 22.5 1:5.6 1.11 通過調(diào)節(jié)擴(kuò)束鏡的位置使光強(qiáng)比達(dá)到要求，同時(shí)要保證曝光時(shí)間合適，就要先大致確定總光強(qiáng)，再在物光光強(qiáng)與參考光光強(qiáng)之間調(diào)整。3顯影時(shí)間: 1分鐘 定影時(shí)間： 3分鐘4實(shí)驗(yàn)效果：照片洗出后，通過觀察照片虛像，可以清晰地看到一個(gè)立體的硬幣和一只雞。硬幣較清晰，可惜看到上面的圖案，而且立體感很強(qiáng)。圖像的大小比真實(shí)的物體稍大些，位置保持一致，同時(shí)自行驗(yàn)證了可分割性。【分析討論】 1 關(guān)于操作的“精度” 其實(shí)這是一個(gè)極其需要精度的實(shí)驗(yàn)。拍一張全息照片，各個(gè)環(huán)節(jié)都是有精確的計(jì)算的。光，本來就是一種很敏感，很細(xì)小的事物，我們利用光的性質(zhì)來達(dá)到照全息相的目的，要達(dá)到很好的效果，必然每一個(gè)環(huán)節(jié)的操作要十分精細(xì)。這也是鍛煉一個(gè)人的好時(shí)候。當(dāng)我們在移動每一個(gè)儀器，測量每一個(gè)距離的時(shí)候都要做到心中有數(shù)，鎮(zhèn)定自若，這樣才能達(dá)到一個(gè)最準(zhǔn)確的效果，每一步都要要求自己使參數(shù)盡量接近完美，反復(fù)操作有時(shí)也是必須的。同時(shí)，保持平靜，是試驗(yàn)本身的需要，也是一位試驗(yàn)操作者必備的條件。所謂態(tài)度決定一切，我們就要以一個(gè)科學(xué)工作者的態(tài)度來對待一個(gè)試驗(yàn)，精益求精，才能達(dá)到一個(gè)實(shí)驗(yàn)的至高點(diǎn)。才能更近地和自然接觸，和真理接觸。【思考題】1答：要獲得一張優(yōu)質(zhì)的全息照片，以下幾點(diǎn)是需要注意的：1 調(diào)整光路等高，準(zhǔn)確測量光程，這是必備的條件。2 要使物光和參考光充分干涉，這樣才能產(chǎn)生較好的拍攝效果。3 調(diào)整光強(qiáng)比，調(diào)整一個(gè)合適的曝光時(shí)間。因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中我們使用了秒表計(jì)時(shí)，所以曝光時(shí)間在1秒至5秒之間都是比較合理的。4 曝光時(shí)保持安靜，曝光后迅速將底片用黑紙包好，然后送至沖洗處。5 照相暗室中顯影，水洗，定影的條件和順序應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)定進(jìn)行。2答：因?yàn)閵A角越大，對感光材料分辨率的要求越高，而實(shí)際中沒有這么好的感光材料，所以夾角應(yīng)盡量小些。調(diào)整光強(qiáng)比的方法就是移動擴(kuò)束鏡，可以單獨(dú)移動一個(gè)擴(kuò)束鏡，但兩個(gè)擴(kuò)束鏡同時(shí)做移動可以很快調(diào)整光強(qiáng)比。3答：這關(guān)系到光源的相干性。如果光源相干性不好的話，光程相差太大的時(shí)候其相干性就會很差，這樣就不能形成較好的干涉，導(dǎo)致照片效果差。所以如果保持光程差很小，就能保證一個(gè)良好的相干性。4列表總結(jié)全息照相與一般照相的區(qū)別 一般照相 全息照相 拍攝方式用照相機(jī)等設(shè)備，較方便較復(fù)雜，拍攝條件要求較高 拍攝技術(shù) 拍攝效果要求不高，人人都能拍好平面圖需要一定的拍攝技術(shù)立體圖，分割性，全息性 拍攝成本較低較高 應(yīng)用情況已經(jīng)基本普及正在廣泛應(yīng)用于各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域 發(fā)展前景局限于幾點(diǎn)，不廣闊廣闊，可與各項(xiàng)技術(shù)結(jié)合 潛在價(jià)值似乎快發(fā)掘完了不可估量5答：對于我們攝得的全息照片，從效果上看，一部分比較清晰，另一部分效果則不是很好。從拍攝技術(shù)來看，我們顯然不專業(yè)，所以在拍攝的各個(gè)環(huán)節(jié)都有一定的不足，所以拍攝效果必然會有所遜色。而從參數(shù)方面看，由于時(shí)間與經(jīng)驗(yàn)原因，我們調(diào)整的總光強(qiáng)與光強(qiáng)比還不是特別合適，曝光時(shí)間等幾個(gè)參數(shù)的值不是很理想，所以導(dǎo)致拍攝效果上的損失。而對于實(shí)驗(yàn)條件，總體上說已經(jīng)很不錯(cuò)了，但個(gè)別方面有些不足，比如顯影，定影時(shí)人比較多，會導(dǎo)致個(gè)別操作的不及時(shí)。不過總體而言，拍攝出的照片還是讓我們很滿意。 【個(gè)人想法】 當(dāng)初我看到本學(xué)期物理試驗(yàn)列表的時(shí)候，這個(gè)實(shí)驗(yàn)就吸引了我。我原先對這項(xiàng)技術(shù)略有所知，也一直很感興趣，這次試驗(yàn)我更詳細(xì)地了解了全息照片的拍攝過程及原理，同時(shí)學(xué)習(xí)了許多相關(guān)知識，也產(chǎn)生了許多想法。 我看到了全息照片有著廣闊的發(fā)展前景。一張全息照片的意義，遠(yuǎn)不是一般照片所及，它在工業(yè)，農(nóng)業(yè)，科研等領(lǐng)域具有廣泛的使用價(jià)值?？梢杂萌⒄掌嬲鎸?shí)的物品而達(dá)到同樣的效果?？梢园岩恍├缯滟F文物，古跡，重要事物等用全息照片記錄下來，當(dāng)它們損毀時(shí)可以通過看全息照片來原樣復(fù)原。 受全息照片啟發(fā)，我們可以發(fā)明，全息電影，全息電視，全息電腦等，使我們的生活更上一層樓。同樣全息錄像能幫助我們完整地記錄一段時(shí)間的世界，無論在留念方面，還是在偵探方面都有著非凡的意義。說到這里，全息這項(xiàng)技術(shù)在各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的意義非凡，全息就似乎擁有火眼金睛，我們可以用它檢測物體是否發(fā)生微小改變，還有用全息元件做成的玻璃可以不影響視線卻能反射大量陽光，起到窗簾的作用