全息照相實驗報告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上全息照相實驗報告程子豪 少年班01 一、實驗?zāi)康模? 了解全息照相記錄和再現(xiàn)的基本原理和主要特點；2 學(xué)習(xí)全息照相的操作技術(shù)；3 觀察和分析全息圖的成像特性。二、實驗原理：2.1全息照相原理的文字表述：普通照相底片上所記錄的圖像只反映了物體上各點發(fā)光（輻射光或反射光）的強弱變化，顯示的只是物體的二維平面像，喪失了物體的三維特征。全息照相則不同，它是借助于相干的參考光束和物光束相互干涉來記錄物光振幅和相位的全部信息。這樣的照相把物光束的振幅和相位兩種信息全部記錄下來，因而稱為全息照相。全息照相的基本原理早在1948年就由伽伯（D. Gabor）發(fā)現(xiàn)，但是由于受光源的限制

2、（全息照相要求光源有很好的時間相干性和空間相干性），在激光出現(xiàn)以前，對全息技術(shù)的研究進展緩慢，在60年代激光出現(xiàn)以后，全息技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。目前，全息技術(shù)在干涉計量、信息存儲、光學(xué)濾波以及光學(xué)模擬計算等方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用。伽伯也因此而獲得了1971年度的諾貝爾物理學(xué)獎。全息照相在記錄物光的相位和強度分布時，利用了光的干涉。從光的干涉原理可知：當兩束相干光波相遇，發(fā)生干涉疊加時，其合強度不僅依賴于每一束光各自的強度，同時也依賴于這兩束光波之間的相位差。在全息照相中就是引進了一束與物光相干的參考光，使這兩束光在感光底片處發(fā)生干涉疊加，感光底片將與物光有關(guān)的振幅和位相分別以干涉條紋的反差

3、和條紋的間隔形式記錄下來，經(jīng)過適當?shù)奶幚?，便得到一張全息照片。具體來說，全息照相包括以下兩個過程：1、波前的全息記錄利用干涉的方法記錄物體散射的光波在某一個波前平面上的復(fù)振幅分布，這就是波前的全息記錄。通過干涉方法能夠把物體光波在某波前的位相分布轉(zhuǎn)換成光強分布，從而被照相底片記錄下來，因為我們知道，兩個干涉光波的振幅比和位相差決定著干涉條紋的強度分布，所以在干涉條紋中就包含了物光波的振幅和位相信息。典型的全息記錄過程是這樣的：從激光器發(fā)出的相干光波被分束鏡分成兩束，一束經(jīng)反射、擴束后照在被攝物體上，經(jīng)物體的反射或透射的光再射到感光底片上，這束光稱為物光波；另一束經(jīng)反射、擴束后直接照射在感光底片

4、上，這束光稱為參考光波。由于這兩束光是相干的，所以在感光底片上就形成并記錄了明暗相間的干涉條紋。干涉條紋的形狀和疏密反映了物光的位相分布的情況，而條紋明暗的反差反映了物光的振幅，感光底片上將物光的信息都記錄下來了，經(jīng)過顯影、定影處理后，便形成與光柵相似結(jié)構(gòu)的全息圖全息照片。所以全息圖不是別的，正是參考光波和物光波干涉圖樣的記錄。顯然，全息照片本身和原來物體沒有任何相似之處。2、衍射再現(xiàn)物光波前的再現(xiàn)利用了光波的衍射。用一束參考光（在大多數(shù)情況下是與記錄全息圖時用的參考光波完全相同）照射在全息圖上，就好像在一塊復(fù)雜光柵上發(fā)生衍射，在衍射光波中將包含有原來的物光波，因此當觀察者迎著物光波方向觀察時

5、，便可看到物體的再現(xiàn)像。這是一個虛像，它具有原始物體的一切特征。此外還有一個實像，稱為共軛像。應(yīng)該指出，共軛波所形成的實像的三維結(jié)構(gòu)與原物并不完全相似。2.2雙曝光全息技術(shù)用于微小位移（形變）的測量：圖一 雙曝光法光路圖（上述文字節(jié)選自利用雙曝光全息干涉場測物體微小位移的論文）2.3、像面全息的實驗原理：將物體靠近全息記錄介質(zhì)，或利用成像系統(tǒng)將物體成像在記錄介質(zhì)附近，再引入一束與之相干的參考光束，即可制作像全息圖。當物體緊貼記錄介質(zhì)或物體的像跨立在記錄介質(zhì)表面上時，得到的全息圖稱為像面全息圖。因此，像面全息圖是像全息圖的一種特例。像面全息圖的特點是可以用寬光源和白光再現(xiàn)。對于普通的全息圖，當用

6、點光源再現(xiàn)時，物上的一個點的再現(xiàn)像仍是一個像點。若照明光源的線度增大，像的線度也隨之增大，從而產(chǎn)生線模糊。計算表明，記錄時物體愈靠近全息圖平面，對再現(xiàn)光源的線度要求就愈低。當物體或物體的像位于全息圖平面上時。再現(xiàn)光源的線度將不受限制。這就是像面全息圖可以用寬光源再現(xiàn)的原因。全息圖可以看成是很多基元全息圖的疊加，具有光柵結(jié)構(gòu)。當用白光照明時，再現(xiàn)光的方向因波長而異，故再現(xiàn)像點的位置也隨波長而變化，其變化量取決于物體到全息圖平面的距離?？梢?，各波長的再現(xiàn)像將相互錯開又交疊在一起，從而使像變得模糊不清，產(chǎn)生色模糊。當全息干板處于離焦位置(即不在成像面上)時，再現(xiàn)像的清晰度將下降。離焦量越大，再現(xiàn)像就

7、越模糊不清。然而，像面全息圖的特征，是物體或物體的像位于全息圖平面上，因而再現(xiàn)像也位于全息圖平面上。此時，即使再現(xiàn)照明光的方向改變，像的位置也不發(fā)生變化，只是看起來顏色有所變化罷了。這就是像面全息圖可以用白光照明再現(xiàn)的原因所在。2.4、實驗基本條件：1、一個好的相干光源。全息原理在1948年就已提出，但由于沒有合適的光源而難以實現(xiàn)。激光的出現(xiàn)為全息照相提供了一個理想的光源，這是因為激光具有很好的空間相干性和時間相干性。，應(yīng)盡可能使兩光束的光程接近，以使光程差在激光的相干長度內(nèi)。2、一個穩(wěn)定性較好的防震臺。由于全息底片上所記錄的干涉條紋很細，相當于波長量級，在照相過程中極小的干擾都會引起干涉條紋

8、的模糊，不能形成全息圖，因此要求整個光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性良好。從布拉格法則可知：條紋寬度，由此公式可以估計一下條紋的寬度。當物光與參考光之間的夾角時，則?？梢?，在記錄時條紋或底片移動1 mm，將不能成功地得到全息圖。因此在記錄過程中，光路中各個光學(xué)元件（包括光源和被攝物體）都必須牢牢固定在防震臺上。從公式可知，當角減小時，d增加，抗干擾性增強。但考慮到再現(xiàn)時使衍射光和零級衍射光能分得開一些，角要大于300，一般取450左右。還有適當縮短曝光時間，保持環(huán)境安靜都是有利于記錄的。3、高分辨率的感光底片。普通感光底片由于銀化合物的顆粒較粗，每毫米只能記錄幾十至幾百條，不能用來記錄全息照相的細密干涉條紋，

9、必須采用高分辨率的感光底片要獲得最終的全息圖，充分了解和學(xué)習(xí)感光底片的顯影、定影、沖洗等有關(guān)攝影的暗室技術(shù)知識也是不可缺少的。三、實驗步驟：3.1、同軸全息照相實驗：1、調(diào)節(jié)防震臺，調(diào)節(jié)各光學(xué)元件的中心等高，使激光光束大致與實驗臺平行。2打開He-Ne激光器，擺好光路，使光路系統(tǒng)滿足下列要求：（1）物光和參考光的光程大致相等；（2）經(jīng)擴束鏡擴展后的參考光應(yīng)均勻照在整個底片上，被攝物體各部分也應(yīng)得到較均勻照明。（3）使兩光束在底片處重疊時之間的夾角范圍為15到45度為宜。（4）在底片處物光和參考光的光強比在合適的范圍之內(nèi)。3關(guān)上照明燈（可開暗綠燈），確定曝光時間，調(diào)好定時曝光器。可以先練習(xí)一下快

10、門的使用。4關(guān)閉快門擋住激光，將底片從暗室中取出裝在底片架上，應(yīng)注意使乳膠面對著光的入射方向。靜置后進行曝光。曝光過程中絕對不準觸及防震臺，并保持室內(nèi)安靜。5顯影及定影。顯影液與定影液由實驗室提供。顯影定影溫度以20攝氏度最為適宜。顯影時間0.5到1分鐘，定影時間35分鐘。定影后的底片應(yīng)放在清水中沖洗510分鐘，晾干。圖23.2、雙曝光全息術(shù)測微小位移：過程與3.1類似，只是將物體替換為小鐵片，將它處于豎直位置及加應(yīng)力之后偏離豎直位置時的全息圖都記錄在一塊底版上，觀察干涉條紋以獲取數(shù)據(jù)。3.3、像面全息圖（白光再現(xiàn)）：1選擇元件：根據(jù)光路圖選擇合適的光學(xué)元件及鏡架。2調(diào)整光路：選擇其中一條光路

11、按照光路圖拼搭和調(diào)整光路。通過移動反射鏡調(diào)整參考光的光程，使參考光與物光的光程差接近于零。物光與參考光的夾角不要太大，一般在15到45度之間。全息干板應(yīng)位于物體的共軛面(即成像面)上。物體像的大小可通過調(diào)整物體和全息干板的位置來控制。最好將物體置于兩倍焦距處，使之1:1成像。以防止像的失真。3調(diào)整光束比:根據(jù)物體的反射性能，通過調(diào)節(jié)分束鏡，使參考光與物光的光束比為處于一個合適的范圍。 4曝光記錄：在暗室中穩(wěn)定后進行曝光。顯影時間0.5到1分鐘，定影時間35分鐘。定影后的底片應(yīng)放在清水中沖洗510分鐘，即得到吸收型像面全息圖。5漂白處理：為了提高衍射效率，用漂白液進行漂白處理，把黑色部分消除后再

12、稍做浸泡，水洗數(shù)分鐘后晾干，即得到相位型像面全息圖。圖3四、實驗記錄與數(shù)據(jù)分析：4.1 數(shù)據(jù)記錄表一 D-19顯影液配方成分用量作用溫水（50）800ml米吐爾2g顯影劑（快速還原，顯像較軟）無水亞硫酸鈉90g保護劑（防止藥液氧化）對苯二酚8g顯影劑（慢速顯影，顯影較硬）無水硫酸鈉48g促進劑溴化鉀5g抑制劑（防止產(chǎn)生灰霧）注：溶解后加水至1000ml。表二 F-5定影液配方成分用量作用溫水（60-70）600ml硫代硫酸鈉240g定影（溶去未感光的溴化銀）無水亞硫酸鈉15g保護劑（使硫代硫酸鈉遇酸不分解）醋酸45ml停顯劑（中和顯影液，以停止顯影）硼酸8g堅膜劑（使乳劑藥膜堅固）硫酸鋁鉀礬1

13、5g抑制劑（防止亞硫酸鋁沉淀產(chǎn)生）注：溶解后加水至1000ml。表三 漂白劑配方成分重鉻酸銨濃硫酸溴化鉀水用量20g14ml92g1000ml表四 全息照相（及雙曝光全息測微小位移）實驗數(shù)據(jù)（請結(jié)合圖2）分束鏡à全反鏡M179.0cm物光光程113.6cm全反鏡M1à物體23.1cm物體à感光底版11.5cm分束鏡à全反鏡M238.0cm參考光光程113.6cm全反鏡M2à感光底版75.6cm室溫20.2顯影時間1min定影時間3min曝光時間2sHe-Ne激光器波長632.8nm表五 白光再現(xiàn)像面全息實驗數(shù)據(jù)（請結(jié)合圖3）分束鏡à全

14、反鏡M117.2cm物光光程136.1cm全反鏡M1à物體74.1cm物體à感光底版44.8cm分束鏡à全反鏡M276.1cm參考光光程136.1cm全反鏡M2à感光底版60.0cm室溫23.6顯影時間30s定影時間3min曝光時間2sHe-Ne激光器波長632.8nm4.2 實驗掠影按照圖2搭建的光路全息照相雙曝光全息法測微小位移白光再現(xiàn)像面全息4.3實驗結(jié)果分析：4.3.1 對全息照相實驗的分析：一、系統(tǒng)穩(wěn)定性對實驗結(jié)果的影響：由于全息圖上所記錄的是參考光和物光的干涉條紋, 而這些條紋非常細, 在曝光過程中, 極小的振動和位移都會引起干涉條紋的模糊不

15、清, 甚至使干涉條紋完全不能記錄下來。二、光路對實驗結(jié)果的影響：(1) 參考光和物光的光程差的影響。參考光和物光的光程差不能太大, 不能大于所用激光的相干長度, 否則兩者不能相干, 無法在全息干板上獲得干涉條紋。(2) 參考光和物光的夾角的影響。假如全息干板上干涉條紋的間距為d, 光源波長為。根據(jù)干涉原理, d 與參考光和物光之間的夾角有關(guān)d=/2sin(/2), 而干板分辨率 與d 有關(guān)=1/d=2sin(/2)/ ?？梢钥闯? 角愈大, 所記錄的干涉條紋就越細, 對干板的分辨率要求越高,故夾角不能太大。而夾角對全息圖再現(xiàn)象時的觀察窗(視角) 有影響, 夾角大, 可在較大范圍內(nèi)從不同角度觀察

16、物象, 反之, 觀察窗則小, 因此夾角也不能太小。(3) 參考光和物光的光強比的影響。全息照相是物光與參考光的雙光束干涉. 對于一般雙光束干涉來說, 如果2束光的光強相同, 干涉條紋可得到最大的對比度, 這對一般線性接受元件是合適的。而對全息照相的記錄介質(zhì)來說, 曝光量( T) 和振幅(H) 透過率的特性曲線是非線性的, 在曲線兩端發(fā)生奇變, 如下圖所示, 產(chǎn)生較高階的衍射光,使衍射效率降低。干板的曝光特性另一方面, 當物光比參考光強, 斑紋比較顯著, 產(chǎn)生較大量的暈輪光圍繞零級衍射光, 降低了成象的光通量, 致使效率降低。(4) 全息干板固定不牢或夾持位置偏差大, 以及把有藥面的一面與玻璃面

17、放反, 都會造成實驗的失敗。三、曝光與顯影對實驗結(jié)果的影響(1) 曝光時間的影響。如果曝光時間太短, 底板上條紋太淺甚至沒有, 復(fù)雜的衍射光柵無法形成, 當然也就無法再現(xiàn)像。若曝光時間太長, 底板可能太黑, 光線的透過率降低。另外, 曝光時間越長, 保持系統(tǒng)穩(wěn)定性越難, 曝光時間內(nèi)突然的躁聲和振動會使拍攝失敗。(2) 顯影時間的影響。顯影的程度是否適當對全息圖質(zhì)量影響很大。若顯影時間太長, 全息干板發(fā)黑, 光線的透射率降低, 無法再現(xiàn)像; 而顯影時間太短, 干板上條紋不能出現(xiàn), 無法形成復(fù)雜的衍射光柵, 甚至是一塊透明玻璃片, 也無法再現(xiàn)像。我們的全息片看上去只有一半可以顯像，原因可能是這樣的

18、：(1) 觀察角度的問題；(2) 片子在清洗過之后未來得及完全干燥就直接觀察了，衍射時必定會產(chǎn)生影響；(3) 拍攝過程中參考光未能覆蓋整塊底版，或是相干區(qū)域不夠致使拍片時就沒有完全達 到要求。4.3.2 微小位移的測量：接2.2繼續(xù)推導(dǎo)計算公式：按照圖1所繪制的那樣，從擴束鏡算起，兩物光光程差為所以，由形變引起的相位變化為，由以上分析可知：當用原參考光照射全息圖后，人眼不僅能在原物位置上看到平板的虛像，而且還可看到平板上疊加了明暗條紋。由2.2中的分析（7）式可知，在再現(xiàn)像上出現(xiàn)暗條紋的位置為即則式中表示從零位移（固定點）算起的暗條紋序數(shù)，所以有只要測出1 、2 ，數(shù)出所觀察的暗條紋的序數(shù)（由

19、固定點算起），就能計算出該點的位移量。在本實驗中，由4.2所給光路圖可以看出，1=2 ，取值各位15º，這里要想老師道歉，由于實驗過程中的疏忽，我們并沒有測量這兩個角度，只能從圖片中大致估算，可能導(dǎo)致實驗結(jié)果非常不準確，以后我們在實驗之前會做好準備工作，盡可能更加細致。若以第一級暗紋為固定點，可得出第20級暗紋的位移大致為6387.45nm。那么，對于實驗結(jié)果的影響因素有哪些呢？討論如下：(1) 激光光源具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性，激光的高相干性主要描述光波各個部分的相位關(guān)系，而激光光源波數(shù)的寬度對干涉場是有影響的。(2) 激光的單色性很好，所以全息圖給出的光譜是一組很明銳的譜線。衍射的半角寬度與波長成正比關(guān)系，當改變時，衍射光強的變化規(guī)律為：衍射的主極大位置不變而次極大位置沿兩邊發(fā)生移動，但主（次）極大的半角寬度及主（次）極大條紋的間距均隨的增長而增大。(3) 以上為全息的衍射公式。與垂直入射光比較，非垂直入射光產(chǎn)生的衍射光強形狀不變，即主極大的半角寬度及主極大條紋的間距等不變，只是隨著0的增加，衍射光整體平移。當0和在法線異側(cè)