全息照相+实验报告

全息照相实验报告实验人：宋易知201411941009指导教师：曹惠贤实验时间：2015.10.16一．实验目的1．了解光学全息照相的基本原理及其主要特点。2．学习全息照相的拍摄方法和实验技术。3．了解全息照相再现物像的性质、观察方法。二．实验器材全息实验台*1、激光器*1、分束镜*1、反射镜*2、扩束镜*2、载物台*1、被摄物*1、快门*1、干板架*1、全息干板*1、显影、定影器材。三．实验原理光路图全息照相是一种二步成像的照相技术。第一步采用相干光照明，利用干涉原理，把物体在感光材料（全息干版）处的光波波前纪录下来，称为全息图。第二步利用衍射原理，按一定条件用光照射全息图，原先被纪录的物体光波的波前，就会重新激活出来在全息图后继续传播，就像原物仍在原位发出的一样。1．全息照相的纪录——光的干涉由光的波动理论知道，光波是电磁波。一列单色波可表示为：2cos(t)rxA（1）式中，A为振幅，ω为圆频率，λ为波长，φ为波源的初相位。一个实际物体发射或反射的光波比较复杂，但是一般可以看成是由许多不同频率的单色光波的叠加：12cos(t)niiiiirxA（2）因此，任何一定频率的光波都包含着振幅（A）和位相（ωt+φ-2πr/λ）两大信息。全息照相的一种实验装置的光路如图（1）所示。激光器射出的激光束通过分光板分成两束，一束经透镜扩束后照射到被摄物体上，再经物体表面反射(或透射)后照射到感光底片(全息干版)上，这部分光叫物光。另一束经反射镜改变光路，再由透镜扩大后直接投射到全息干版上，这部分光称为参考光。由于激光是相干光，物光和参考光在全息底片上叠加，形成干涉条纹。因为从被摄物体上各点反射出来的物光，在振幅上和相位上都不相同，所以底片上各处的干涉条纹也不相同。强度不同使条纹明暗程度不同，相位不同使条纹的密度、形状不同。因此，被摄物体反射光中的全部信息都以不同明暗程度和不同疏密分布的干涉条纹形式记录下来，经显影、定影等处理后，就得到一张全息照片。这种全息照片和普通照片截然不同，一般在全息照片上只有通过高倍显微镜才能看到明暗程度不同、疏密程度不同的干涉条纹。由于干涉条纹密度很高，所以要求记录介质有较高的分辨率，通常达1000条线／毫米以上，故不能用普通照相底片拍摄全息图。2．全息照相的再现——光的衍射由于全息照相在感光板上纪录的不是被摄物的直接形象，而是复杂的干涉条纹，因此全息照片实际上相当于一个衍射光栅，物象再现的过程实际是光的衍射现象。要看到被摄物体的像，必须用一束同参考光的波长和传播方向完全相同的光束照射全息照片，这束光叫再现光。这样在原先拍摄时放置物体的方向上就能看到与原物形象完全一样的立体虚像。如图2所示把拍摄好的全息底片放回原光路中，用参考光波照射全息片时，经过底片衍射后有三部分光波射出。0级衍射光——它是入射再现光波的衰减。+1级衍射光——它是发散光，将形成一个虚像。如果此光波被观察者的眼睛接收，就等于接收了原被摄物发出的光波，因而能看到原物体的再现像。-1级衍射光——它是会聚光，将在与原物点对称的位置上形成物体的再现虚像的共轭实像。底片参考光实像虚像观察方向图23．全息照相原理的数学描述下面对全息照相原理作一简单的数学描述。设全息底片所在平面为xy平面，物光在底片上的振动表达式为000(x,y)(x,y)cos[t(x,y)]EA（3）参考光为(x,y)(x,y)cos[t(x,y)]RRREA（4）为方便起见，采用复数形式表示，写成0(x,y)00(x,y)(x,y)eiitEAe(x,y)(x,y)(x,y)eRiitRREAe对于相干波的叠加，真正起作用的是振幅和相位，常用复振幅来表示，即省去时间相位因子eiωt，剩下的部分既含振幅，又含随空间变化的相位，把它称为复振幅。于是，在底片上任一点物光和参考光复振幅分别为0(x,y)0(x,y)A(x,y)eiO（5）(x,y)R(x,y)A(x,y)eRiR(6)相干叠加后的合成光场为H(x,y)(x,y)O(x,y)R（7）干涉条纹的光强为[OR][OR]IHH(8)式中为H为H的共轭复数。为使关系式简洁，各量中的x，y均省略。将上式展开得00()()22000RRiiRRRIAAAAeAAe经简化后上式可简写为220002cos()RRRIAAAA（9）这正是干涉条纹光强的表达式。上式表明，光强I（x，y）包含了物光波的全部信息(振幅和相位)。采用适当的两光波强度比，感光底片经曝光并进行线性冲洗后，就得到一张全息照片。假定用照明光R′（x，y）照射全息图，设再现光在全息图上的复振幅为(x,y)(x,y)A(x,y)eiRRR如把全息照片看作衍射屏，则透过全息照片后衍射波的复振幅为(x,y)R(x,y)t(x,y)U（10）式中t（x，y）为全息照片的复振幅透射率，对于经线性处理的全息照片，复振幅透射率与曝光时的光强成线性关系，即0(x,y)t(x,y)tI（11）于是，透过全息照片后衍射波的复振幅0(x,y)R(x,y)[t(x,y)]UI将I（x，y）值代入得011UUUU(12)式中第一项U0除了系数（t0+βAo2+βAR2）外，与再现光相同，为零级衍射波，代表照明光的透射波，形成一个背景象，从物光重现的角度来看，可以不予考虑。第二项U+1为+1级衍射波，当再现光和参考光完全相同时，即AR′=AR=AR，φR′=φR，则+1级衍射波在全息照片上的复振幅为()21RRiRRURROAAeOAO与原物光只差一个常数因子，实现了原物光的再现。观察者将在原物体所在位置上看到逼真的立体虚像，在不同的角度看到物体不同的侧面。第三项U-1为-1级衍射波，当再现光是参考光时，则-1级衍射波在全息照片上的复振幅为()221RRiiRRRURROAAeOAeO与原物光的共轭波O﹡（x，y）除相差一个常数因子外，还多一个位相因子ei2φR，表示衍射波会聚于以全息照片为对称面的原物体的对称位置上，观察者将在此位置上看到一个实像，在实像中的那些细节与虚像是相反的。4．全息照相的特点⑴全息照相应用了光的干涉、衍射原理，记录了光波的全部信息，因此全息照片再现的被摄物形象是完全逼真的三维立体形象。⑵全息照片可以分割。因为全息照片上每一点纪录的干涉图像是由物体所有点漫射来的光与参考光相干涉而成的，所以打碎的全息照片仍能再现出原被摄物的全部形象。⑶一张全息照片可以多次曝光，不同景物可以采用不同角度入射的参考光束，也可以改变底片的角度拍摄多次，在全息照片的不同角度就会出现不同图像。再现时只要适当转动全息照片即可。⑷全息照片没有正负之分，因此易于复制。复制照片再现出来的像仍然和原来照片的再现像一样。⑸全息照片的再现像可放大或缩小。当用不同波长的激光照射全息照片时，由于拍摄时所用的激光波长不同，再现像就会放大或缩小。5．全息照相的实验要求⑴要有足够稳定的系统即全息实验台的防震性能要好。在全息照相时，物光和参考光相干涉形成的干涉条纹密度达每毫米近千条或更高，如果物光波和参考光波稍有抖动，就会造成干涉图样模糊不清。因此要求全息平台有很好的抗震性能，同时采取一些必要的减震措施，如在平台支座上加减振器、充气轮胎、沙箱等。对全息台上的光学元件需进行仔细检查，看是否牢固。在曝光过程中身体任何部位都不要触及全息台，避免高声谈话，更不要在室内随意走动、开关门、窗等，以确保干涉条纹无漂移。⑵要有好的相干光源。一般采用He-Ne激光器作为光源，同时要求物光波和参考光波的光程尽量相等，光程差尽量小，以保证物光波和参考光波具有良好的相干性。⑶物光和参考光的光强比要合适。一般选择Io/IR=1/4～1/10为宜；两者间的夹角30°左右，不宜超过40°，因为夹角越大，干涉条纹间距越小，条纹越密，对全息底片分辨率的要求也越高。同时不宜过小，否则会造成可观测的角度变小。四．实验步骤1．全息照相光路调整按图1所示光路安排各光学元件，并作如下调整：①使各元件基本等高；②在底片架上夹一块白屏，使参考光均匀照在白屏上、入射光均匀照亮被摄物体，且其漫反射光能照射到白屏上，调节两束光夹角约为30°；③使物光和参考光的光程大致相等，可分别挡住物光和参考光调节其光强比约1∶4～1∶10，两光束有足够大的重叠区；④所有光学元件必须通过磁钢与平台保持稳定。2．全息照片的记录在底片夹上装夹全息干版，注意使底片的药膜面对着物光和参考光，稍等片刻(约1～2min)，待系统稳定后，打开快门6秒。然后关闭激光器，取下底片待处理。3．照相底片的冲洗取下曝光后的底片，用清水打湿，放入显影液一分钟左右，发现有显影时，用清水冲洗，再放入定影液中，定影3分钟，取出用流水冲洗3～5分钟，使多余的银粒冲去。再用电吹风吹干。4．全息照片的再现观察用经扩束后的激光沿原参考光入射方向照明全息图，透过底片并朝着放置原物位置方向进行观察，可看到一个清晰、立体的原物虚像。这就是理想的漫反射全息拍照图像。五．实验结论及现象分析实验现象：按照实验要求摆放好光路后，物体表面上有经过发散的红光，且光强合适。安装好底片后进行照相，曝光时间为6秒，期间没有干扰情况，曝光效果较好。定影并清洗后再进行观察可看到清晰的物像，但需要多次观察找到观察物像的最合适的角度。实验结论：试验中获得清晰的再现像的关键是要选用具有良好的相干性和稳定性的激光作光源。光路的调整是至关重要的。一个好的光路既要使物光和参考光发生干涉，还要保证干涉条纹间隔清晰，反差合适。所以首先调好物光和参考光的光程，再调整物光与参考光之间的夹角及物光和参考光的光强比，保证清晰度和反差。在曝光时系统要稳定，不能漏光，选好曝光时间，避免人为干扰。