全息照相实验报告Word文件下载.docx
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物体上每个点发出的光波记录在整个底片上,换言之,底片上的每个点都记录了所有物点发出的光波。
这样用干涉法把物光波场的“全部信息”都记录下来所获得的照片,称为全息照片或全息图。
由全息图可以再现物光波,从而形成与原物体逼真的三维像。
这个物光波的完整记录与再现的过程,便称为全息术或全息照相。
(一)透射式全息照相
1.物光波波前的记录
物光波波前信息包括它的振幅和相位,而现有的记录介质只对光的强度即振幅的平方产生响应。
因此,在波前记录时必须把相位信息转换为强度信息。
为此,人们借助于参考光与物光的干涉来实现上述转换。
显然,参考光和物光应具有很好的相干性,而且记录物光波波前的光路需按一定的规则布置,以保证获得更佳的干涉效果。
一种常用的静物全息记录光路如图所示。
激光束经分束镜分为两束光,一束经全反射镜反射并扩束后,均匀照明被摄物,再经被摄物漫反射,带有了被摄物的信息,照射在记录介质——干板上,这束光称为物光;
另一光束经全反射镜反射与扩束镜扩束后,直接均匀地照明干板,这束光不带物的信息,称为参考光。
两光波在干板上相遇产生相干叠加形成干涉图样,使感光物质感光记录在干板上。
经暗房操作处理后,成为可永久保存并随时重现光波波前的全息照片。
拍摄全息照片的典型光路
设在干板面上,物光波为
式中,
和
分别表示振幅和与空间相关的相位;
为光波的角频率;
t为时间。
参考光波为
分别代表参考光波的振幅和与空间相关的相位。
两光波在干板面上相干叠加,合成光的强度分布为
由式可见,强度分布不随时间变化,所有的项只与空间有关,其中前两项分别为参考光和物光被记录的强度;
第三项代表两光波之间的干涉,产生干涉条纹。
条纹的可见度
且由两光波的振幅确定。
若
为常量,则它只随物光波的振幅变化。
干涉条纹的形态由相位差
确定。
参考光波的作用正好将物光波前的相位分布转换成了强度分布。
2.物光波波前重现——全息图的衍射
用原参考光束照明全息图片,就可得到清晰的物体的像。
这个过程称为全息图的再现或物光波前重现。
在再现过程中,全息图将再现光衍射而产生表征原物光波波前特性的所有光学现象。
即使原来的物体已经拿走,它仍可以形成原来物体的像。
如果再现波前被一观察者的眼睛截取,则其效果与观察原物一样,能看到原物体的真实的三维像。
当观察者改变观察方向时,景像的配景改变,视差效应是很明显的。
当观察点由景物中的较近物体改变到较远物体时,观察者必须让眼睛重新调整。
如果全息图的记录和再现都用同一单色光源完成,那么,就会不存在原物体与再现像的任何视觉标准所能够辨认的差别。
观察再现像的一种光路如图所示。
当用原参考光照明再现全息图时,通过全息图后的光场分布为
式中,第一项
为零级衍射光,代表与再现光波相同的透射光波场;
第二项
,其中
为常量,E2与原始物光波相同,观察者截取此光波将观察到一个宛如原物的虚像,它是+1级衍射光;
第三项
为-l级衍射光,为物光的共轭光波,观察到的是一个空间倒置的原物体的实像,此实像还受到再现光波R的位置调制,产生相位畸变。
全息图的再现
如果用原参考光波的共轭光波(即与参考光波波前相同反向传播的光波)照明再现全息图时,全息图片后面的光场分布为
为有相位畸变的虚像;
为物光波的共轭光波,显然是一个无畸变的实像。
(二)全息记录介质
记录全息图的介质应该是性能良好的感光材料。
主要性能指标是分辨率、灵敏度和感光敏感波长。
全息记录介质要求具有较高的分辨率。
理论指出,全息干涉条纹的平均间距
取决于物光波和参考光波的平均夹角
,如图所示。
我们得到
条纹的空间频率
定义为条纹平均间距
的倒数,用于表示记录介质记录这样的条纹所需要的最小分辨率,即每毫米长度上能记录的干涉条纹数。
我们有
平均间距
与夹角
的关系
一般全息图的干涉条纹间距很小,故要求记录介质的分辨率
条/毫米。
而普通照相胶片的分辨率极低,仅50~100条/毫米。
因而记录全息图应采用专门的全息干板。
全息干板的暗室处理方法与普通感光胶片的处理方法相似。
其程序为显影——水洗——停显——定影——水洗——漂白——水洗——干燥。
五、实验目的:
1、了解全息照相的基本原理和主要特点;
2、学习由全息图再现物像的原理;
3、学习并掌握全息照相的基本实验技术和技巧。
六、实验容:
1、拍摄制作静物的全息照片;
2、观察全息图片的再现物象。
七、实验器材(设备、元器件):
He-Ne激光器(1—3mW),全息平台及其光学附件【分束板,全反射镜(2个),扩束镜(2个),有关光学元件调整架】,电磁快门,搪瓷盘,全息干板,洗相设备(显影、定影及漂白药水),安全灯。
八、实验步骤及操作:
1.光路调节
光路调节是本实验的重要容,也是拍好全息图的关键。
首先了解各仪器的结构与功能,熟练掌握其使用与调节方法。
并在干板架上插入白屏(用以接收光),然后按图4在全息平台上布置光路。
光路调节要点:
(1)激光器发出的光线及经过全反镜(totalmirror)、分束镜反射后的光线构成的平面应与平台平面平行。
具体作法是,在光具座上插入带有十字刻线的白屏(也可利用扩束镜的通光小孔),首先调节激光器的俯仰,使十字屏在平台上移动到不同位置时,细激光束始终照在十字中心,说明激光器出射的细光束与平台平行(这一步实验室已经调节好)。
然后,按图布置各元件(先不要放置扩束镜,且各元件合理分布在平台的较大围,不要挤在一块。
分束镜反射的光作为参考光,其透射光(transmissionlight)作物光)。
调节分束镜、反射镜的高低、俯仰,使它们反射的细激光束均照在白屏的十字中心,这样,细激光束构成的平面与全息平台平行。
调节物体的高低,使细激光束照在物的中心。
(2)参考光与物光中心线的夹角约为20ο~30ο左右。
物离干板在10~20cm为宜,太远则物光太弱。
M1反射的细激光束尽量照在物的正面,且尽量使干板平面正对物的正面(如同一般照相时,灯光从人的正前方照射,照相机也在人的正面拍摄一样)。
(3)为了保证物光和参考光相干,用分束镜将一束光分为两束光,它们经过不同的路径在干板平面相遇干涉,但必须保证物光光程与参考光光程相等。
物光与参考光的起点是分束镜,终点是干板平面。
实验中用线绳测量判断两束光的光程是否相等。
(4)细激光束直射在物中心和白屏中心,最后加入扩束镜,L1扩束的光把物均匀照亮,L2扩束的光把白屏均匀照亮。
然后去掉白屏,眼睛处于干板位置的后方观察,微微转动物(不可移动,否则改变光程)使看到的物形象最好,且反射的光最强。
(5)物光与参考光光强之比满足要求。
具体做法是,关掉照明灯和电磁快门,在干板架上插好光电池,打开灵敏电流计,调节零点;
再打开电磁快门,挡住物光测量参考光照射时灵敏电流计偏转的格数;
然后挡住参考光测量物光照射时灵敏电流计偏转的格数,格数之比即为光强之比。
如果不满足要求,可以调节L1到物或L2到干板的距离,再次测量。
(注意:
测量时不要碰任何元件,防止光路变化;
测量完毕,把电流计旋置短路。
)
注意:
光路调节中严禁用手触摸所有的光学元件表面,也不允许用擦镜纸、干棉花、手帕擦拭。
发现有污垢或灰尘,请教师处理。
本实验所用分束镜透过率为70%左右,故选用透过光作为物光源,针对实际情况,可先调节物光。
在调节激光器、分束镜、反射镜的高低、俯仰,使它们出射、反射的细激光束均照在白屏的十字中心的基础上,按图4放置分束镜S、全反镜M1、被拍物及白屏。
调节M1反射角度以及物的高低,使反射的点光束射在物体中部,旋转放置物体的底座或白屏的角度,使白屏接收到的被物体反射的光斑最强且在白屏中部,然后在M1及物体之间加入扩束镜L1,以将M1反射的点光束扩束并正好照亮整个物体,此时沿着被物体反射的光线方向在白屏中应看到清晰的物体轮廓像,至此物光调节完毕。
然后按照物光、参考光等光程、夹角合适的要求,调整分束镜S的反射角度以及全反镜M2的位置与反射角度,使参考光入射到白屏中部,再加扩束镜L2将点光束扩束合适。
2.干板曝光
一切准备工作就绪后,关掉电磁快门,在全暗或极暗绿灯下放置干板,乳胶面朝着物体(用干净的手指拿着干板的棱边,用手指在干板一角的两面轻轻一摸,粗糙者即为乳胶面)。
曝光时间与光强大小、显影温度有关,视具体情况而定。
一切准备就绪后,稳定几秒钟再打开电磁快门曝光;
在曝光过程中严防震动,身体不要接触平台,不能说话和来回走动。
3.干板的冲洗
曝光后的干板在暗室冲洗,按显影-水洗-定影-水洗-晾干的程序处理。
显影时间由实验室提供,显影过程中可在暗绿光下观察,防止显影不足和过度。
显影时须注意:
干板不能长时间置于绿灯下,以防干板二次曝光,影响衍射光的透过率。
显影时干板不能长时间置于绿灯下,以防干板二次曝光,影响衍射光的透过率;
显影液和定影液不要搞混;
干板的乳胶面朝上;
不要用手摸乳胶面,防止脱落;
水洗后自然晾干;
保持暗室的卫生整洁。
干板的冲洗详细操作流程是分别在暗室的操作台1和2上完成。
操作台1(暗室进门左前方靠窗户处):
极暗绿灯辅助照明(绿光灯朝向墙壁).
显影(1分钟)水洗定影(3分钟)
操作台2(暗室进门右侧):
漂白(黑色消失,观察到玻璃透明即可)水洗冷风吹干
4.全息图再现
虚像观察:
将晾干的全息图放回原位置,用原参考光照射,去掉物,在全息图的后方观察,即可看到位置、大小与原物一模一样的清晰逼真的三维立体像。
(1)改变参考光到物的距离,可以使再现像放大或缩小,此时,再现像的清晰程度有所改变。
(2)挡掉全息图的一部分,仍然可看到完整的物体像。
实像观察:
去掉扩束镜,用细激光束照射(增大再现光的强度),在全息图的另一边用白屏可以接收到共轭实像。
九、实验数据及结果分析:
本实验无数据记录及处理,对实验结果的分析如下:
1.全息照相是否成功?
为什么?
有哪几条成功的经验?
本实验比较成功,经过拍摄和冲洗后的感光干板可以再现出三维虚像和实像。
成功的经验如下:
首先,调节光路时注意把握物光和参考光的光程差尽量小、夹角介于30度至50度之间、光强比例较接近(在实验室条件下通常参考光要强些);
其次,感光干板注意避光保存,尤其是其他同学拍摄时注意保护自己的干板;
第三,拍摄过程中要保持安静;
第四,冲洗时注意把握显影和定影的时间。
实验虽然获得了成功,但是再现像的效果不佳,原因可能有两个,一是物光较弱,应该适当增加曝光时间,二是拍摄过程中环境不够安静。
2.分析全息照相与普通照相的异同。
普通照相时底片记录的是由被拍摄物体发射或者反射的光的振幅,因而只能获得被拍摄物体的平面图像。
而全息照相时感光干板还记录了相位信息,所以可以获得被拍摄物体的三维图像。
十、实验结论:
了解了全息照相的基本原理和主要特点,并学习了由全息图再现物象的原理,基本掌握了全息照相的实验技术和技巧。
十一、总结及心得体会:
该实验的光路比较复杂,各个器件的摆放都要满足要求,而且拍摄和冲洗过程均在暗室中完成,是有一定难度的光学实验,同学们的成功率不太高。
调节光路时一定要认真、耐心,反复确认物光和参考光