全息照相與信息光學(xué)實驗報告.docx

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一 實驗?zāi)康?. 了解全息照相的基本原理，熟悉反射式全息照相和透射式全息照相的基本技術(shù)和方法。2. 掌握在光學(xué)平臺上進(jìn)行光路調(diào)整的基本方法和技能。3. 通過全息照片的拍攝和沖洗，了解有關(guān)照相的一些基本知識，拍攝合格的全息圖。二 實驗原理1. 反射式全息照相反射式全息照相也稱為白光重現(xiàn)全息照相，這種全息照相用相干光記錄全息圖，而用“白光”照明得到重現(xiàn)像。由于重現(xiàn)時眼睛接收的是白光在底片上的反射光，故稱為反射式全息照相。這方法的關(guān)鍵在于利用了布拉格條件來選擇波長。2. 透射式全息照相所謂透射式全息照相是指重現(xiàn)時所觀察和研究的是全息圖透射光的成像。這里將重點討論以平行光作為參考光，對物光和參考光夾角較小的平面全息圖的記錄及再現(xiàn)過程。最后再簡單介紹球面波作參考光的全息照相以及體積全息照相。1) 全息記錄2) 物光波前的重現(xiàn)全息圖右側(cè)空間并無光源，因而光場就唯一地決定于z0處波前。因而0級和1級三束光從傳播方向上是分離的。0級衍射近似于一束平面波，其傳播方向與全息圖法線成角。+1級衍射則是一束球面發(fā)散波，其源點就是原來物光點源所在位置。由于點源不是在透射光場內(nèi)，因而形成虛像。第三束光則是一束會聚的球面波，其會聚點就是實像的位置，由于波前有一項附加相位因子 相當(dāng)于這束球面波傳播方向有一附加角度變化，很小時，這角度近似于2。三 實驗儀器光學(xué)平臺，半導(dǎo)體激光器及電源，快門及定時曝光器，擴(kuò)束透鏡，反射鏡，光功率計，全息干板，三枚硬幣。四 實驗條件為了照好一張全息圖必須具備下列幾個基本條件：（1） 一個很好的相干光源。全息原理是在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與時間相干性。本實驗用650半導(dǎo)體激光器，其相干長度約為20cm。為了保證物光和參考光之間良好的相干性，應(yīng)盡可能使兩束光光程相等。（2） 保證全息照相所用系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于全息底片上所記錄的干涉條紋很細(xì)，相當(dāng)于波長量級，在照相過程中極小的干擾都會引起干涉條紋的模糊，甚至使干涉條紋完全無法記錄。例如記錄過程中若底片位移了1um，則條紋就看不清。因此，所有的光學(xué)元件都用磁性材料或其他方法固定在一個全息臺上，這個臺又放在一個隔震系統(tǒng)上，以防止地面振動的干擾。此外氣流通過光路，聲波干擾以及溫度變化都會引起空氣密度的變化，導(dǎo)致光程的不穩(wěn)定，所以曝光時應(yīng)避免大聲喧嘩、敲門、吹風(fēng)等。（3） 高分辨率的感光底片。普通照相用的感光底片由于銀化合物的顆粒較粗，每毫米只能記錄50100個條紋，不能用來記錄全息照相中細(xì)密條紋。全息照相必須用特制的高分辨率感光底片。我們實驗室用的是RSP-型紅敏光致聚合物全息干版。其極限分辨率為4000條/mm。（4） 了解和使用顯影、定影、沖洗等有關(guān)技術(shù)。五 實驗光路圖1. 反射式2. 折射式六 實驗步驟反射式（白光再現(xiàn)）全息圖（1） 打開激光器，使激光器預(yù)熱穩(wěn)定，按反射全息光路擺放好各元件的位置。（2） 先不放入擴(kuò)束鏡L，調(diào)節(jié)上圖中的4個元件大致共軸，物體高度與擴(kuò)束鏡等高。（3） 將物體中心與激光通過擴(kuò)束鏡之后的光斑的圓心重合。（4） 調(diào)節(jié)物體的前后距離，使擴(kuò)束后的光到達(dá)物體的光的光強(qiáng)約為550W。 （5） 放入擴(kuò)束鏡，經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)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)得到較均勻照明且光強(qiáng)適中。（6） 用光功率計測量感光板處參考光束和物光光束的強(qiáng)度，檢驗發(fā)光強(qiáng)度是否符合要求。 （7） 根據(jù)光強(qiáng)計算確定曝光時間。調(diào)好定時曝光器?？梢韵染毩?xí)一下快門的使用。（8） 關(guān)上照明燈，將干板裝在底片夾上，使乳膠面對著光入射方向。按下按鈕進(jìn)行曝光。（9） 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。按下按鈕進(jìn)行曝光。曝光過程中絕對不準(zhǔn)觸及防震臺，并保持室內(nèi)安靜。（10） 對曝光后的底片作化學(xué)處理。步驟：1) 蒸餾水內(nèi)靜置1015秒；2) 在濃度為40%的異丙醇中脫水1分鐘；3) 在濃度為60%的異丙醇中脫水1分鐘；4) 在濃度為80%的異丙醇中脫水15秒； 5) 在濃度為100%的異丙醇中脫水3分鐘；6) 取出干版，迅速用吹風(fēng)機(jī)熱風(fēng)快速吹干直到全息圖重現(xiàn)象變?yōu)榻瘘S色清晰、明亮圖象為止。直接觀察即可。透射式全息圖（11） 按透射式全息光路調(diào)節(jié)電路使光路系統(tǒng)滿足下列要求：1) 物光和參考光的光程大致相等，不要超過2cm；2) 經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)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) 兩束光夾角要在3060之間，45為宜；4) 在底片處物光和參考光的光強(qiáng)比約為1:2 1:6，具體要視情況而定。（12） 用光功率計測量感光板處參考光束和物光光束的強(qiáng)度，檢驗發(fā)光強(qiáng)度是否符合要求。 （13） 根據(jù)光強(qiáng)計算確定曝光時間。調(diào)好定時曝光器?？梢韵染毩?xí)一下快門的使用。（14） 關(guān)上照明燈，將干板裝在底片夾上，使乳膠面對著光入射方向。按下按鈕進(jìn)行曝光。（15） 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。按下按鈕進(jìn)行曝光。曝光過程中絕對不準(zhǔn)觸及防震臺，并保持室內(nèi)安靜。（16） 對曝光后的底片作化學(xué)處理。步驟：1) 蒸餾水內(nèi)靜置1015秒；2) 在濃度為40%的異丙醇中脫水1分鐘；3) 在濃度為60%的異丙醇中脫水1分鐘；4) 在濃度為80%的異丙醇中脫水15秒； 5) 在濃度為100%的異丙醇中脫水3分鐘；6) 取出干版，迅速用吹風(fēng)機(jī)熱風(fēng)快速吹干。（17） 將干板放回原光路，撤去物體，打開激光，透過干板觀察影像。七 實驗數(shù)據(jù)與計算結(jié)果反射式：600W，計算曝光時間27.5s投射式：225W，計算曝光時間42.6s八 實驗觀察結(jié)果1. 反射式全息圖：1) 實驗結(jié)果：可以明顯觀察到三枚硬幣，“1”字輪廓較為明顯，左右擺動能夠觀察到硬幣中影像的左右變化，呈現(xiàn)立體效果，紋理清楚，但文字難以辨認(rèn)。干板邊上有指紋印。2) 影響拍攝效果的因素：a) 各光學(xué)元件沒有調(diào)節(jié)共軸，導(dǎo)致影像出現(xiàn)輕重不一，色彩不一致的情況。b) 光功率計讀數(shù)一直變化，使曝光時間的確定不準(zhǔn)確。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(dāng)然像也就無法再現(xiàn)。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)突然的噪聲和振動會使拍攝失敗。c) 拍攝過程中的微小干擾（包括振動、呼吸等）都會影響最終拍攝影像的清晰程度。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(xì), 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清, 甚至使干涉條紋完全不能記錄下來。d) 后期浸泡過程如果超時或時間不足，有可能導(dǎo)致其效果不佳。e) 異丙醇溶液由于多次使用，質(zhì)量分?jǐn)?shù)會有一定量的下降，并且實驗是將顯影液放在透明燒杯中使用，對顯影液損害較大。2. 折射式全息圖：1) 實驗結(jié)果：效果較差，只能看到硬幣的輪廓，數(shù)字“1”和其他的細(xì)節(jié)文字模糊不清。2) 影響拍攝效果的因素：a) 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, 理論上應(yīng)小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。b) 參考光和物光的夾角不合適。角愈大, 所記錄的干涉條紋就越細(xì), 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)時的觀察窗(視角) 也有影響, 夾角大, 可在較大范圍內(nèi)從不同角度觀察物象, 反之, 觀察窗則小, 因此夾角也不能太小。c) 參考光和物光的光強(qiáng)比不理想。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, 如果兩束光的光強(qiáng)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，產(chǎn)生較高階的衍射光,使衍射效率降低。另一方面, 當(dāng)物光比參考光強(qiáng), 斑紋比較顯著, 產(chǎn)生較大量的暈輪光圍繞零級衍射光, 降低了成像的光通量, 致使效率降低。d) 光功率計讀數(shù)一直變化，使曝光時間的確定不準(zhǔn)確。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(dāng)然像也就無法再現(xiàn)。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)突然的噪聲和振動會使拍攝失敗。e) 異丙醇溶液由于多次使用，質(zhì)量分?jǐn)?shù)會有一定量的下降，并且實驗是將顯影液放在透明燒杯中使用，對顯影液損害較大。f) 拍攝過程中的微小干擾（包括振動、呼吸等）都會影響最終拍攝影像的清晰程度。g) 擴(kuò)束鏡、平面鏡的鏡面可能沾有微小的灰塵、污漬，從而影響參考光的傳輸和照射的均勻性。九 實驗思考題（1） 用透鏡將激光擴(kuò)束后照明全息圖，盡可能使光照方向沿原參考光方向觀察虛像當(dāng)改變觀察角度時虛像有什么不同？為什么從全息圖能看到立體像而普通照片只能看到平面像？答：改變觀察角度的時候可以看到先前看不到的地方，全息圖看到的是三維立體的影像。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的全部信息都貯存記錄了下來。利用全息照片對特定波長單色照明光的衍射，把原空間景象顯現(xiàn)出來。它可將一個“凍結(jié)”了的景物重新“復(fù)活”后顯現(xiàn)在人們眼前。（2） 平移全息底片，使其向光源靠近或遠(yuǎn)離，觀察像的變化。答：離光源越遠(yuǎn)，像越大；離光源越近，像越小。（3） 用一張有小孔的黑紙貼近全息底片，人眼通過小孔觀察全息虛像，你看到的是再現(xiàn)像的全部還是局部？移動小孔的位置，看到虛像有何不同？答：依然可以看到像的全部,只不過亮度沒先前的亮，分辨率沒有之前高。移動小孔的位置,可以看到不同角度的像。（4） 將底片繞鉛垂軸轉(zhuǎn)180用會聚光（即參考光的共軛光）或未擴(kuò)束平行光照明底片，用毛玻璃找實像，記錄底片和實像相對于激光的位置。答：得到倒轉(zhuǎn)的實像，相對激光在原物的同一方向。（5） 將全息圖放在生物顯微鏡下觀察其干涉條紋。根據(jù)顯微鏡的放大倍數(shù)估算干涉條紋間距，此條紋間距和之間夾角有什么關(guān)系？答：夾角越大，條紋間距越小。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=2sin2, 而干板分辨率 與d 有關(guān)n=1d=2sin2/?？梢钥闯? 角愈大, 所記錄的干涉條紋就越細(xì)，對干板的分辨率要求越高。十 實驗感想與總結(jié)這次實驗沒有數(shù)據(jù)處理，而且反射式全息圖的光路調(diào)節(jié)較為簡單。實驗操作的難點在于如何調(diào)整好折射式全息圖的光路，使其滿足嚴(yán)格的實驗要求（包括光程差、光的夾角、光強(qiáng)等），否則效果會很差。本次實驗反射式全息圖較為簡單，做得十分順利，得到的照片效果很好，但折射式全息圖并沒有達(dá)到預(yù)定的效果，圖像很模糊。光路可能一開始就沒有調(diào)得很理想，調(diào)好光路后光強(qiáng)達(dá)不到預(yù)定范圍就開始重調(diào)光路，反復(fù)了很多次；光強(qiáng)計在光屏的不同位置測得的光強(qiáng)有很大的差異，從而針對各位置應(yīng)設(shè)置的曝光時間是不同的，自己沒有選到最好的位置。此外，光程差的測量和判斷、光強(qiáng)比的設(shè)定，可能都影響了最終的實驗效果，導(dǎo)致實驗不理想。全息照相是一門神奇的技術(shù)。D.伽柏能夠跳出普通平面照相的約束，為全息圖加入“相位”，而不只是“光強(qiáng)”，從而使照片包含了更多的“信息”；從簡單的點對點的折射，到光的干涉，好像是一小步，卻是思維的一大步。而且全息圖任何一小部分都包含整個物體的信息，只利用拍攝的全息底片的一小部分也能再現(xiàn)整個物像，可謂是“窺一斑而知全豹”。感謝岳老師的耐心講解和悉心指導(dǎo)。