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1、全息照相实验报告程子豪 2010035012 少年班 01一、实验目的：1 了解全息照相记录和再现的基本原理和主要特点；2 学习全息照相的操作技术；3 观察和分析全息图的成像特性。二、实验原理:2.1 全息照相原理的文字表述：普通照相底片上所记录的图像只反映了物体上各点发光 （辐射光或反射光） 的强弱变化，显示的只是物体的二维平面像， 丧失了物体的三维特征。 全息照相则不同， 它是借助于相干的参考光束和物光束相互干涉来记录物光振幅和相位的全部信息。 这样的照相把物光束的振幅和相位两种信息全部记录下来，因而称为 全息照相。全息照相的基本原理早在 1948 年就由伽伯（ D. Gabor ）发现，
2、但是由于受光源的限制（全息照相要求光源有很好的时间相干性和空间相干性） ，在激光出现以前，对全息技术的研究进展缓慢，在60 年代激光出现以后，全息技术得到了迅速的发展。目前，全息技术在干涉计量、 信息存储、 光学滤波以及光学模拟计算等方面得到了越来越广泛的应用。 伽伯也因此而获得了 1971 年度的诺贝尔物理学奖。全息照相在记录物光的相位和强度分布时，利用了光的干涉。从光的干涉原理可知：当两束相干光波相遇，发生干涉叠加时，其合强度不仅依赖于每一束光各自的强度，同时也依赖于这两束光波之间的相位差。在全息照相中就是引进了一束与物光相干的参考光，使这两束光在感光底片处发生干涉叠加，感光底片将与物光有
3、关的振幅和位相分别以干涉条纹的反差和条纹的间隔形式记录下来，经过适当的处理，便得到一张全息照片。具体来说，全息照相包括以下两个过程：1、波前的全息记录利用干涉的方法记录物体散射的光波在某一个波前平面上的复振幅分布，这就是波前的全息记录。通过干涉方法能够把物体光波在某波前的位相分布转换成光强分布，从而被照相底片记录下来，因为我们知道，两个干涉光波的振幅比和位相差决定着干涉条纹的强度分布，所以在干涉条纹中就包含了物光波的振幅和位相信息。典型的全息记录过程是这样的：从激光器发出的相干光波被分束镜分成两束，一束经反射、扩束后照在被摄物体上，经物体的反射或透射的光再射到感光底片上，这束光称为物光波；另一
4、束经反射、扩束后直接照射在感光底片上，这束光称为参考光波。由于这两束光是相干的，所以在感光底片上就形成并记录了明暗相间的干涉条纹。干涉条纹的形状和疏密反映了物光的位相分布的情况，而条纹明暗的反差反映了物光的振幅，感光底片上将物光的信息都记录下来了，经过显影、定影处理后，便形成与光栅相似结构的全息图全息照片。所以全息图不是别的，正是参考光波和物光波干涉图样的记录。显然，全息照片本身和原来物体没有任何相似之处。2、衍射再现物光波前的再现利用了光波的衍射。用一束参考光 （在大多数情况下是与记录全息图时用的参考光波完全相同） 照射在全息图上，就好像在一块复杂光栅上发生衍射，在衍射光波中将包含有原来的物
5、光波，因此当观察者迎着物光波方向观察时，便可看到物体的再现像。这是一个虚像，它具有原始物体的一切特征。此外还有一个实像，称为共轭像。应该指出，共轭波所形成的实像的三维结构与原物并不完全相似。2.2 双曝光全息技术用于微小位移(形变)的测量： . _ .1, T T-由全息照相的惊理可知、若物体在记玳平面上的光波亚振幅为0(.2,y) = 口,仃.3)(?即j向(小)*( 1 )参考光在汜录平面上的光波复猴垢分布为K(jj y)=及即一(2) 设第一次喝光时间为川.物光的相位为九.事光盘E*设第二次曝光的时间为目.眼光量风.物光的相位为 也一则两次曝光的总敏E为E =储 + & =1 0Ju寸)
6、+KCJ寸) | T| 4-1 HG,yJ +K(.r,y) I Tj.(3)终过合适的曝光、显勖.定影,在线性条件下全息图的透射率为 =T. +如储 +EJ =r.+rJ I R T+ (nlaP+rJal1)丁仁。+鼻。门艮” + ! +门门：用1(4)若用原参寿先再现第CD式中的第三项折射液展开,用5表示.此时有U =出才1 + Ti(R R = /SR.().汴 exp j -平、式 3,力1+ r.rxp j(-我喳 Q+y).由5)式可知3包括两项物光波的辽振福，分别为第次曝此时的物光和第二次曝it时的物光波星振幅， 这两个再现物光波前相互干部其肥场强度分布用I表示，即L =(诙“
7、儿 r(片J ” 1 -1一中3 (P(6)- A + Fj对于6)式，令1必=(甲&。，它为衍射液的平均光强.M,-2口一为衍射波的涉条纹忖比.为获 ri +t：得最住条坟反衬比，取两次曝光时间相等,即V = E式可化荷为/ = hN I=心力叫岫.(7)仃)式衰明在两个-级干涉场产生的衍射光场中.光照按余弦规律变化这就是阀典物光的干理效应. 若略在常数项，由f门式可知条仅形状完全取决于相位差函数2”.d9,.241Fsteel rule ii图一双曝光法光路图(上述文字节选自利用双曝光全息干涉场测物体微小位移的论文)2.3、 像面全息的实验原理：将物体靠近全息记录介质，或利用成像系统将物体
8、成像在记录介质附近，再引入一束 与之相干的参考光束，即可制作像全息图。当物体紧贴记录介质或物体的像跨立在记录介 质表面上时，得到的全息图称为像面全息图。因此，像面全息图是像全息图的一种特例。像面全息图的特点是可以用宽光源和白光再现。对于普通的全息图，当用点光源再现 时，物上的一个点的再现像仍是一个像点。若照明光源的线度增大，像的线度也随之增 大，从而产生线模糊。计算表明，记录时物体愈靠近全息图平面，对再现光源的线度要求就愈低。当物体或物体的像位于全息图平面上时。再现光源的线度将不受限制。这就是像面全息图可以用宽光源再现的原因。全息图可以看成是很多基元全息图的叠加，具有光栅结构。当用白 光照明时
9、，再现光的方向因波长而异，故再现像点的位置也随波长而变化，其变化量取决 于物体到全息图平面的距离。可见，各波长的再现像将相互错开又交叠在一起，从而使像 变得模糊不清，产生色模糊。当全息干板处于离焦位置(即不在成像面上)时，再现像的清晰度将下降。离焦量越大，再现像就越模糊不清。然而，像面全息图的特征，是物体或物 体的像位于全息图平面上，因而再现像也位于全息图平面上。此时，即使再现照明光的方 向改变，像的位置也不发生变化，只是看起来颜色有所变化罢了。这就是像面全息图可以用白光照明再现的原因所在。2.4、 实验基本条件：1、一个好的相干光源。 全息原理在1948年就已提出，但由于没有合适的光源而难以
10、实 现。激光的出现为全息照相提供了一个理想的光源，这是因为激光具有很好的空间相干性和时间相干性。，应尽可能使两光束的光程接近，以使光程差在激光的相干长度内。2、一个稳定性较好的防震台。由于全息底片上所记录的干涉条纹很细，相当于波长量级，在照相过程中极小的干扰都会引起干涉条纹的模糊，不能形成全息图，因此要求整个光学系统的稳定性良好。从布拉格法则可知：条纹宽度d 九/,由此d 一口2sin 2公式可以估计一下条纹的宽度。当物光与参考光之间的夹角6 =60 口时，6 6 632.8 nm ,则d =0.6328Nm。可见，在记录时条纹或底片移动1卜日 将不能成功地得到全息图。因此在记录过程中，光路中
11、各个光学元件(包括光源和被摄物体)都必须牢牢固定在防震台上。从公式可知，当8角减小时，d增加，抗干扰性增强。但考虑到再现时使衍射光和零级衍射 光能分得开一些，6角要大于300, 一般取450左右。还有适当缩短曝光时间，保持环境安 静都是有利于记录的。3、高分辨率的感光底片。普通感光底片由于银化合物的颗粒较粗，每毫米只能记录几十至几百条，不能用来记录全息照相的细密干涉条纹，必须采用高分辨率的感光底片要获得最终的全息图，充分了解和学习感光底片的显影、定影、冲洗等有关摄影的暗室技术知识也是不可缺少的。三、实验步骤：3.1、 同轴全息照相实验：1、调节防震台，调节各光学元件的中心等高，使激光光束大致与
12、实验台平行。2.打开He-Ne激光器，摆好光路，使光路系统满足下列要求：(1)物光和参考光的光程大致相等；(2)经扩束镜扩展后的参考光应均匀照在整个底片上，被摄物体各部分也应得到较均匀照明。(3)使两光束在底片处重叠时之间的夹角范围为15到45度为宜。(4)在底片处物光和参考光的光强比在合适的范围之内。3 .关上照明灯(可开暗绿灯)，确定曝光时间，调好定时曝光器。可以先练习一下快门的 使用。4 .关闭快门挡住激光，将底片从暗室中取出装在底片架上，应注意使乳胶面对着光的入射方向。静置后进行曝光。曝光过程中绝对不准触及防震台，并保持室内安静。5 .显影及定影。显影液与定影液由实验室提供。显影定影温
13、度以20摄氏度最为适宜。显影时间0.5到1分钟，定影时间35分钟。定影后的底片应放在清水中冲洗 510分钟, 晾干。图26 .2、双曝光全息术测微小位移：过程与3.1类似，只是将物体替换为小铁片，将它处于竖直位置及加应力之后偏离竖直位置时的全息图都记录在一块底版上，观察干涉条纹以获取数据。7 .3、像面全息图（白光再现）：1 .选择元件：根据光路图选择合适的光学元件及镜架。2 .调整光路：选择其中一条光路按照光路图拼搭和调整光路。通过移动反射镜调整参 考光的光程，使参考光与物光的光程差接近于零。物光与参考光的夹角不要太大，一般在 15到45度之间。全息干板应位于物体的共轲面（即成像面）上。物体
14、像的大小可通过调整物体和全息干板的位置来控制。 最好将物体置于两倍焦距处， 使之1:1成像。以防止像的失真。3 .调整光束比：根据物体的反射性能， 通过调节分束镜，使参考光与物光的光束比为处于一 个合适的范围。4 .曝光记录：在暗室中稳定后进行曝光。显影时间0.5到1分钟，定影时间35分钟。定影后的底片应放在清水中冲洗510分钟，即得到吸收型像面全息图。5 .漂白处理：为了提高衍射效率，用漂白液进行漂白处理，把黑色部分消除后再稍做浸泡, 水洗数分钟后晾干，即得到相位型像面全息图。四、实验记录与数据分析:4.1数据记录笈-D-19显影液配方成分MS作用温水（50 C）800ml米吐尔2g显影剂（
15、快速还原，显像较软）无水亚硫酸钠90g保护剂（防止药液氧化）对苯一酚8g显影剂（慢速显影，显影较硬）无水硫酸钠48g促进剂漠化钾5g抑制剂（防止产生灰雾）注：溶解后加水至 1000ml。表二F-5定影液配方成分MS作用温水（60C-70C）600ml硫代硫酸钠240g定影（溶去未感光的澳化银）无水亚硫酸钠15g保护剂（使硫代硫酸钠遇酸不 分解）醋酸45ml停显剂（中和显影液，以停止 显影）硼酸8g坚膜剂（使乳剂药膜坚固）硫酸铝钾矶15g抑制剂（防止亚硫酸铝沉淀产 生）注：溶解后加水至 1000ml。表三漂白剂配方成分重铭酸钱浓硫酸漠化钾水MS20g14ml92g1000ml表四 全息照相（及双
16、曝光全息测微小位移）实验数据（请结合图2）分束镜全反镜M179.0cm物光光程113.6cm全反镜M1 物体23.1cm物体感光底版11.5cm分束镜全反镜M238.0cm参考光光程 113.6cm全反镜M2 感光底版75.6cm室温20.2 C显影时间1min定影时间3min曝光时间2sHe-Ne激光器波长632.8nm表五 白光再现像面全息实验数据（请结合图3）分束镜全反镜M117.2cm物光光程136.1cm全反镜M1 物体74.1cm物体感光底版44.8cm分束镜全反镜M276.1cm参考光光程 136.1cm全反镜M2 感光底版60.0cm室温23.6 C显影时间30s定影时间3mi
17、n曝光时间2sHe-Ne激光器波长632.8nm4.2实验掠影按照图2搭建的光路全息照相双曝光全息法测微小位移白光再现像面全息4.3实验结果分析：4.3.1 对全息照相实验的分析：一、系统稳定性对实验结果的影响：由于全息图上所记录的是参考光和物光的干涉条纹，而这些条纹非常细，在曝光过程中，极小的振动和位移都会引起干涉条纹的模糊不清，甚至使干涉条纹完全不能记录下来。二、光路对实验结果的影响：(1)参考光和物光的光程差的影响。参考光和物光的光程差不能太大，不能大于所用激 光的相干长度，否则两者不能相干，无法在全息干板上获得干涉条纹。(2)参考光和物光的夹角的影响。假如全息干板上干涉条纹的间距为d,
18、光源波长为入。根据干涉原理,d与参考光和物光之间的夹角 。有关d=X/2sin( 0 /2),而干板分辨 率刀 与d有关y =1/d=2sin( 0 /2)/入。可以看出,0角愈大，所记录的干涉条纹就越细, 对干板的分辨率要求越高，故夹角。不能太大。而夹角。对全息图再现象时的观察窗 (视角) 有影响，夹角大，可在较大范围内从不同角度观察物象 ，反之，观察窗则小，因此夹角 0 也不能太小。(3)参考光和物光的光强比的影响。 全息照相是物光与参考光的双光束干涉.对于一般双光束干涉来说，如果2束光的光强相同，干涉条纹可得到最大的对比度，这对一般线性 接受元件是合适的。而对全息照相的记录介质来说，曝光
19、量(T)和振幅(H)透过率的特性曲线是非线性的，在曲线两端发生奇变，如下图所示，产生较高阶的衍射光，使衍射效率降低。干板的曝光特性另一方面，当物光比参考光强，斑纹比较显著，产生较大量的晕轮光围绕零级衍射光，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夹持位置偏差大，以及把有药面的一面与玻璃面放反，都会造成实验的失败。三、曝光与显影对实验结果的影响(1)曝光时间的影响。如果曝光时间太短，底板上条纹太浅甚至没有，复杂的衍射光栅 无法形成，当然也就无法再现像。若曝光时间太长，底板可能太黑，光线的透过率降低。另 外，曝光时间越长，保持系统稳定性越难，曝光时间内突然的躁声和振动会使拍摄失败
20、。(2)显影时间的影响。显影的程度是否适当对全息图质量影响很大。若显影时间太长，全息干板发黑，光线的透射率降低，无法再现像；而显影时间太短，干板上条纹不能出现， 无法形成复杂的衍射光栅，甚至是一块透明玻璃片，也无法再现像。我们的全息片看上去只有一半可以显像，原因可能是这样的：(1)观察角度的问题；(2)片子在清洗过之后未来得及完全干燥就直接观察了，衍射时必定会产生影响；(3)拍摄过程中参考光未能覆盖整块底版，或是相干区域不够致使拍片时就没有完全达到要求。4.3.2 微小位移的测量：接2.2继续推导计算公式：按照图1所绘制的那样，从扩束镜算起，两物光光程差为3 dj cos a + dtycos
21、 0. = dv( cos / + cos 8士 ).所以，由形变引起的相位变化为入 ，由以上分析可知：当用原参考光照射全息图后，人眼不仅能在原物位置上看到平板的虚像，而且还可看到平板上叠加了明暗条纹。 由2.2中的分析(7)式可知，在再现像上出现暗条纹的位置为I = 21 .cos, = 0.2S即_ 2jr-cos j? = cos * d v(cos ft + cos & ) I = 1,则cosr , dy(cos / + cos 0- ) |= 2k 1 )rr, k = 1.2.3, 式中k表示从零位移(固定点)算起的暗条纹序数，所以有d =(212(eos tf + cos )只
22、要测出。1、0 2 ,数出所观察的暗条纹的序数(由固定点算起)，就能计算出该点的位移量。在本实验中，由4.2所给光路图可以看出，。1=。2,取值各位15。，这里要想老师道歉，由 于实验过程中的疏忽， 我们并没有测量这两个角度， 只能从图片中大致估算， 可能导致实验 结果非常不准确，以后我们在实验之前会做好准备工作，尽可能更加细致。若以第一级暗纹为固定点，可得出第20级暗纹的位移大致为 6387.45nm。那么，对于实验结果的影响因素有哪些呢？讨论如下：(1)激光光源具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性，激光的高相干性主要描述光波 各个部分的相位关系，而激光光源波数的宽度对干涉场是有影响的。
23、(2)激光的单色性很好，所以全息图给出的光谱是一组很明锐的谱线。衍射的半角宽度A 0与波长入成正比关系，当改变入时，衍射光强的变化规律为：衍射的主极大位置不变而次极大位置沿两边发生移动，但主(次)极大的半角宽度及主(次)极大条纹的间距均随入的增长而增大。J -二 %一海.， A = I 二；二以上为全息的衍射公式。 与垂直入射光比较， 非垂直入射光产生的衍射光强形状不变，即主极大的半角宽度及主极大条纹的间距等不变，只是随着。的增加，衍射光整体平移。当 0 0和0在法线异侧时，衍射条纹向右移动；当 。和。在法线同侧时，衍射条纹向左移动。4.3.3 白光再现像面全息：拍摄出全息图后，放在白光或太阳
24、光下观察看到的是红色图像(用激光拍摄的全息图)或是绿色图像(可参照之前所给出的实验掠影)。这是因为三维光栅的衍射具有波长的选择性， 白光中只有波长和制作全息片时所用光波波长相同的成分衍射后才能出现干涉极大。 但是乳胶经过显影、定影、晾干后往往会发生收缩, 使银层间距减小。因此能出现干涉极大的波长比制作时光波的波长要小。对本实验的影响因素的分析：1) 激光 : 其影响最大。本实验用的是He-Ne 激光器 , 光束质量有待进一步提高。2) 偏振问题 : 这也是一个影响成像的主要问题。 若激光器没有固定的偏振方向 , 引起其干涉度下降 , 使得记录时噪音太大, 再现时有用的衍射低。3) 扩束镜的问题
25、 : 如果扩束后的光波不是标准的球面波, 那么记录时的空间相干性就会比较差，影响实验结果。4) 曝光量的问题 : 曝光量不一定时可以达到最高衍射效率。这个实验的结果是大家最满意的， 得到的片子观察起来非常清晰， 效果很好， 我们认为这是因为我们遵守了实验的基本条件，操作较规范。五、实验心得与总结：这个学期的物理实验室一次全新的尝试，之前我们总是在两节课之内完成一个独立实验， 这次我们共进行了 2 个系列实验， 每个实验为期三周。 每一次的实验之前大家都要做好预习工作， 查找自己感兴趣的内容， 带到实验室中进行实践。 这个工程中我们不仅学习到了知识， 也掌握了实验技能，培养了实验思维。 非常感谢老师们给我们这样的机会， 让我们收获这样的体验。