光學(xué)全息照相實(shí)驗(yàn)報(bào)告

實(shí)驗(yàn)II光學(xué)全息照相光學(xué)全息照相是利用光波的干涉現(xiàn)象，以干涉條紋的形式，把被攝物表面光波的振幅和位相信息記錄下來，它是記錄光波全部信息的一種有效手段。這種物理思想早在1948年伽柏（D.Gabor）即就已提出來了，但直到 1960年，隨著激光器的出現(xiàn)，獲得了單色性和相干 性極好的光源時(shí)，才使光學(xué)全息照相技術(shù)的研究和應(yīng)用得到迅速地發(fā)展。光學(xué)全息照相在精 密計(jì)量、無損檢測(cè)、遙感測(cè)控、信息存儲(chǔ)和處理、生物醫(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用日益廣泛，另外還 相應(yīng)出現(xiàn)了微波全息，X光全息和超聲全息等新技術(shù)，全息技術(shù)已發(fā)展成為科學(xué)技術(shù)上的一 個(gè)新領(lǐng)域。本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)三維物體進(jìn)行全息照相并再現(xiàn)其立體圖像，了解全息照相的基本原理及特點(diǎn)，學(xué)習(xí)拍攝方法和操作技術(shù)，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)和開拓應(yīng)用這一技術(shù)奠定基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私夤鈱W(xué)全息照相的基本原理和主要特點(diǎn)；學(xué)習(xí)靜態(tài)光學(xué)全息照相的實(shí)驗(yàn)技術(shù)； 觀察和分析全息全圖的成像特性。儀器用具 全息臺(tái)、He Ne激光器及電源、分束鏡、全反射鏡、擴(kuò)束透鏡、曝光定時(shí)器、全息感光底 版等?；驹砣⒄掌呐臄z全息照相是利用光的干涉原理將光波的振幅和相位信息同時(shí)記錄在感光板上的過程相干光波可以是平面波也可以是球面波，現(xiàn)以平面波為例說明全息照片拍攝的原理。如圖1所示,_ i一列波函數(shù)為 一 ae 、振幅為a、頻率為u、波長(zhǎng)為入的平面單色光波作為參考光垂i2-H r、直入射到感光板上。另一列同頻率、波函數(shù)為y2 =be 丁 二Be?，七的相干平面單色光波從物體出發(fā)，稱為物光，以入射角0同時(shí)入射到感光板上， 物光與參考光產(chǎn)生干涉，在感光板上形成的光強(qiáng)分布為I = a2 b2 2ab cosax由此可見，在感光板上形成了明暗相間的干涉條紋。條紋的間距為d -sin v(2)可見，在感光底板上的光強(qiáng)分布和干涉條紋間距都受光波的振幅和相位所調(diào)制。在實(shí)際情況中，物光是來自于物體上的漫反射光， 其波陣面很復(fù)雜，因此， 感光底板上的干 涉條紋并不是等間距的平行條紋， 而是呈現(xiàn)出非常復(fù)雜的干涉圖樣， 只是在極小的范圍內(nèi)可 近似看作等間距的平行條紋。激光束經(jīng)分束鏡后分成兩束，一束光經(jīng)反射鏡M1反射后又經(jīng)L1擴(kuò)束均勻地照在被攝物 體上，再從物體表面反射到感光底板上，這束光稱為物光。同時(shí)使另一束光通過反射鏡M2反射后又經(jīng)L2擴(kuò)束后直接照在感光底板上，這束光稱為參考光。當(dāng)物光和參考光滿足相干 條件時(shí)，在感光底板上形成干涉圖樣。由于物光的振幅和相位與物體表面各點(diǎn)的分布和漫反 射光的性質(zhì)有關(guān)，所以，干涉圖樣與被攝物體有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，這種把物光波的全部信息都拍攝下來的方法稱為全息照相。2 物體的再現(xiàn)由于全息照相在感光底板上形成的是干涉圖樣，所以，觀察全息照片時(shí)，必須用與原來參考光完全相同的光束去照射，這束光稱為再現(xiàn)光。物體的再現(xiàn)的光路原理如圖3所示。對(duì)于再現(xiàn)光，全息照片相當(dāng)于是一個(gè)透過率不同的復(fù)雜“光柵”，而再現(xiàn)過程實(shí)際上是干涉圖樣的衍射過程。再現(xiàn)光經(jīng)全息照片衍射后的光強(qiáng)分布為I = c(a2 + b2 )+cabe + cabeiax(3)其中c為常數(shù)?？梢?，再現(xiàn)光經(jīng)全息照片衍射后沿三個(gè)方向衍射，第一項(xiàng)為再現(xiàn)光沿原來方向的光波，相當(dāng)于光柵衍射的零級(jí)衍射光波。第二、三項(xiàng)相當(dāng)于光柵衍射的+1、-1級(jí)衍射 光波。第一項(xiàng)光強(qiáng)沒有變化，不儲(chǔ)存信息，所以沒有使用價(jià)值。第二項(xiàng)光波光強(qiáng)與物光的振幅和相位成正比，傳播方向與物光的傳播方向相同，這時(shí)如將被攝物體移開，眼睛迎著物光的傳播方向觀察全息照片，就能夠在被攝物體的原處觀察到被攝物體的虛象。第三項(xiàng)光波光強(qiáng)與第二項(xiàng)光波光強(qiáng)共軛。當(dāng)物光為發(fā)散光時(shí)，共軛光為會(huì)聚光。如果在被攝物體的對(duì)稱位 置上放一接收屏，可再現(xiàn)被攝物體的實(shí)象，此實(shí)象與被攝物體共軛，稱贗象。3.全息照相的特點(diǎn)全息照相是利用光的干涉和衍射原理，而普通照相則是利用光的透鏡成象原理。另外， 全息照片上的每一點(diǎn)都記錄了整個(gè)物體的信息，因此，所以全息照片具有可分割的特點(diǎn)。由于全息照片記錄了物光的全部信息，所以再現(xiàn)出的物體的象是一個(gè)與被攝物體完全相同的三維立體象。實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)環(huán)境1. 相干性好的光源。對(duì)于一般較小的漫射物體，常用He Ne激光器作為相干光源，它輸出激光束的波長(zhǎng)為 632.8nm,功率為1 3 mW這種激光器工作穩(wěn)定、相干性好 ，能獲得較好 的全息圖象。2. 合理的光路。選擇合適的光路是獲得優(yōu)質(zhì)全息圖的關(guān)鍵之一。氦氖激光器相干長(zhǎng)度一般不小于激光器腔長(zhǎng)的1/4 1/2，圖2是拍攝反射全息照片的光路圖。對(duì)光路的一般要求有：盡可能減少物光與參考光的光程差，一般控制在2厘米以內(nèi)；參考光與物光的光強(qiáng)比一般選在2: 1 10: 1范圍內(nèi)，為此需要選取合適的分束鏡或在光路中加入衰減鏡來控制。投射 在感光底版上的參考光與物光之間的夾角一般選取在1545之間，這樣可以使干涉條紋的間距大些，從而降低對(duì)照相底板分辨率和系統(tǒng)防震要求，并避免再現(xiàn)象與零級(jí)衍射重和，而影響對(duì)再現(xiàn)象的觀察。為了減少光的損失和提高抗干擾能力，在設(shè)計(jì)光路系統(tǒng)時(shí)所使用的光學(xué)元件應(yīng)越少越好。3. 高分辨率的記錄介質(zhì)。記錄全息圖象需要采用分辨率、靈敏度等性能良好的感光底版，因?yàn)橐话闳⒏缮鏃l紋是非常密集的，干涉條紋密度為n=sin 0 /入，n是條紋的空間頻率，0是物光和參考光的夾角，入是記錄光波的波長(zhǎng)。對(duì)于0 =45。時(shí)，全息圖上的干涉條紋可達(dá)1200條/毫米，故要采用每毫米大于 1200線的感光底版。分辨率的提高使感光度下 降，所以曝光時(shí)間比普通照片長(zhǎng)，且與激光強(qiáng)度、被攝物大小和反光性能有關(guān)，一般需幾秒、 幾十秒，甚至更長(zhǎng)。用于氦氖激光的全息底版對(duì)紅光最敏感，所以全息照相的全部操作可在暗綠燈下進(jìn)行。曝光后的顯影、定影等化學(xué)處理過程與普通感光底片相同。良好的減震裝置。拍攝全息照片必須在防震性能良好的全息臺(tái)上進(jìn)行，以保證光學(xué)系統(tǒng)各元件有良好的機(jī)械穩(wěn)定性， 拍攝時(shí)每一光學(xué)元件都不能有任何微小移動(dòng)或震動(dòng)。輕微的震動(dòng)或氣流的擾動(dòng)，只要使光程差發(fā)生波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)的變化， 條紋即會(huì)模糊不清，再現(xiàn)像的亮 度和再現(xiàn)視場(chǎng)范圍大小會(huì)受到影響。所以被攝物體、各光學(xué)元件及全息底版必須嚴(yán)格固定。實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容熟悉全息設(shè)備，了解各部件的性能、作用和使用方法。全息照片的拍攝如圖2所示在全息臺(tái)上布置并牢固裝夾各光學(xué)元件，調(diào)節(jié)各光學(xué)元件的中心等高，使激光的光束大致與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)平行。調(diào)整光路元件，不放 L1、L2 ,使經(jīng)過分光鏡的兩束光即物光和參考光都均勻照射到光屏上。調(diào)物光路和參考光路大致等光程，并且兩束光的夾角在1545。范圍內(nèi)。放入L1、L2 ,使激光均勻照亮被攝物，使物光和參考光均勻地照射在光屏的同一區(qū)域內(nèi)，并且避免雜散光的干擾。嚴(yán)格防止擴(kuò)束后的物光束直接照射在感光底板上。 調(diào)節(jié)參考光與物光的光強(qiáng)比在合適范圍。光路圖如下圖所示：2 2 232.613.6 -22.7由余弦定理得cos 0 =2 32.6 13.6=0.8260 34.3安裝感光底板時(shí)需要用遮光板遮住激光，使底版的感光乳膠面面向激光束。靜置數(shù)分鐘后曝光，進(jìn)行曝光，曝光時(shí)間由實(shí)驗(yàn)室給出。底板用D19顯影液顯影后，用清水沖洗干凈，再放入F19定影液中進(jìn)行定影,定影后晾干即可在激光下觀察再現(xiàn)像。2.全息照片的觀察利用原拍攝光路并用與參考光相同的方向照亮全息照片，觀察其再現(xiàn)虛像的位置、大小和亮度，并與原被攝物體進(jìn)行比較。位置、大小、亮度與原像基本相同將開有小孔的遮擋板覆蓋在全息照片上，并改變位置，觀察其再現(xiàn)虛像，記錄觀察結(jié)果?？偨Y(jié)觀察到的全息照片的特點(diǎn)，比較全息照相與普通照相的區(qū)別。答;全息照片利用光的干涉形成底片，得到的像是立體的。常規(guī)照相只是記錄了被攝物體表面光線強(qiáng)弱的變化，即只記錄了光的振幅； 而全息照相則記錄了光波的全部信息， 除振幅外, 還記錄了光波的相位。 這樣就把空間物體光波場(chǎng)的全部信息都貯存記錄了下來。然后利用全息照片對(duì)特定波長(zhǎng)單色照明光的衍射，把原空間景象顯現(xiàn)出來。注意事項(xiàng)勿用手、手帕、紙片等物擦光學(xué)元件。曝光時(shí)切勿觸及全息臺(tái)拍攝時(shí)應(yīng)防止雜散光干擾，以免破壞全息圖不能用眼睛直接觀看未擴(kuò)束的激光束全息底板是玻璃片基，注意輕放，以免弄碎思考題為什么要求光路中物光和參考光的光程盡量相等？答：因?yàn)榧す獾母缮骈L(zhǎng)度有限，所以盡量使光程相等為什么光學(xué)元件安置不牢，將導(dǎo)致拍攝失敗？答：因?yàn)榘仓貌焕螘?huì)引起微小振動(dòng)，光程差改變，使干涉條紋變化，導(dǎo)致拍攝失敗。如何判斷所觀看到的再現(xiàn)物像是虛像還是實(shí)像？答：在玻片后加一光屏，若光屏有像則再現(xiàn)物象是實(shí)像，若無像則為虛像。