實驗報告-靜物全息照片的攝制與觀察.docx

實 驗 報 告姓 名： 班 級：學(xué) 號：實驗成績：同組姓名： 實驗日期：2008-3-10指導(dǎo)老師：助教08批閱日期：靜物全息照片的攝制與觀察【實驗?zāi)康摹?學(xué)習(xí)全息照相的拍攝方法和觀察要領(lǐng)；2通過對靜物全息照片的攝制與觀察，了解全息照片的主要特點?！緦嶒炘怼?1全息照相與全息照相技術(shù) 照相是將物體上各點發(fā)出或反射的光記錄在感光材料上，由光的波動理論知，光波是電磁波，一列單色波可表示為式中A為振幅，w 為圓頻率,為波長，j 為波源的初相位。一個實際物體發(fā)射或反射的光波比較復(fù)雜，但是一般可以看成是由許多不同頻率的單色光波的疊加 因此任何一定頻率的光波都包含著振幅A和相位兩類信息。光在傳播過程中，借助于它們的頻率、振幅和相位來區(qū)別物體的顏色（頻率）、明暗（振幅平方）、形狀和遠(yuǎn)近（相位）。 普通照相是通過成像系統(tǒng)（照相機鏡頭）使物體成像在感光材料上，材料上的感光強度只與物體表面光強分布有關(guān)，因為光強與振幅平方成正比，所以它只記錄了光波的振幅信息，無法記錄物體光波的相位差別。因此普通照相記錄的只能是物體的一個二維平面像，缺乏立體感。全息照相不僅記錄了物體發(fā)出或反射的光波的振幅信息，而且把光波的相位信息也記錄下來，所以全息照相技術(shù)所記錄的并不是普通幾何光學(xué)方法形成的物體像，而是物光光波本身。它記錄了光波的全部信息，并且在一定條件下，能將所記錄的全部信息完全再現(xiàn)出來，因而再現(xiàn)的物像是一個逼真的三維立體像。全息照相包括二個過程，第一，把物體光波的全部信息記錄在感光材料上，稱為記錄（拍攝）過程。第二，照明已被記錄下全部信息的感光材料，使其再現(xiàn)原始物體的光波，稱為再現(xiàn)過程。全息照相的基本原理是以波的干涉為基礎(chǔ)，所以除光波外，對其他的波動過程如聲波、超聲波等也都適用。2全息照相的基本過程記錄和再現(xiàn)（1）全息照相記錄過程的原理光的干涉怎樣才能把物光的全部信息同時記錄下來呢？由物理光學(xué)可知，利用干涉的方法，以干涉條紋的形式就可以記錄物光的全部信息。圖一 靜物全息照片的攝制光路圖 圖是記錄過程中使用的光路。相干性極好的氦氖激光器發(fā)出激光束，通過分束鏡分成二束。其中一束經(jīng)反射鏡1反射，再由擴束鏡1將光束擴大后均勻地照射到被攝物體上，經(jīng)物體表面反射（或透射）后再照射到感光材料（實驗中用全息感光膠片）上，一般稱這束光為物光。另一束經(jīng)反射鏡2反射，2擴束后，直接均勻地照射到上，一般稱這束光為參考光。這二束光在膠片上疊加干涉，出現(xiàn)了許多明暗不同的條紋、小環(huán)和斑點等干涉圖樣，被膠片記錄下來，再經(jīng)過顯影，定影等處理，成了一張有干涉條紋的“全息照片”（或稱全息圖）。干涉圖樣的形狀反映了物光和參考光之間的相位關(guān)系。干涉條紋明暗對比程度（稱為反差）反映了光的強度，干涉條紋的疏密則反映了物光和參考光的夾角情況。（2）全息照相再現(xiàn)過程的原理光的衍射我們知道人之所以看到物體，是因為從物體發(fā)出或反射的光波被人的眼睛所接收。所以，如果想要從全息圖上看原來物體的像，直接觀察是看不到的，而只能看到復(fù)雜的干涉條紋。要看到原來物體的像，必須使全息圖再現(xiàn)原來物體發(fā)出的光波，這個過程就稱為全息圖的再現(xiàn)過程，它所利用的是光柵衍射原理。再現(xiàn)過程的觀察光路如圖2所示。一束從特定的方向或與原來參考光方向相同的激光束（通常稱為再現(xiàn)光）照射全息圖。全息圖上每一組干涉條紋相當(dāng)于一個復(fù)雜的光柵，它使再現(xiàn)光產(chǎn)生衍射。我們沿著衍射方向透過全息圖朝原來被攝物的方位觀察時，就可以看到一個完全逼真的三維立體圖像。為討論方便起見，取全息圖上某一小區(qū)域ab為例，同時把再現(xiàn)光看成是一束平行光，且垂直照射于全息圖上。如圖3所示，按光柵衍射原理，再現(xiàn)光將發(fā)生衍射，其+1級衍射光是發(fā)散光；與物體在原來位置時發(fā)出的光波完全一樣，將形成一個虛像，與原物體完全相同，稱為真像。1級衍射光是會聚光，將形成一個共軛實像，稱為膺像。 全息圖再現(xiàn)的被攝物體是一幅完全逼真的三維立體圖像。因此，當(dāng)我們移動眼睛從不同角度去觀察時，就好象面對原物體一樣，可看到原來被遮住的側(cè)面，圖4就是從不同角度去觀察同一張全息圖時的立體效果。（2）全息圖的可分割性全息圖上的任一小區(qū)域都分別記錄了從同一物點發(fā)出的不同傾角的物光信息。因此，通過全息圖的任一碎片仍能再現(xiàn)出完整的物像。（3）全息圖的多重記錄性在一次全息照相拍攝曝光后，只要稍微改變感光膠片的方位，如轉(zhuǎn)過一定角度，或改變參考光的入射方向，就可以在同一張感光膠片上進(jìn)行第二次、第三次的重疊記錄。再現(xiàn)時，只要適當(dāng)轉(zhuǎn)動全息圖即可獲得各自獨立互不干涉的圖像。由于全息照相技術(shù)具有上述獨特的特點。所以，在各個領(lǐng)域中已得到較廣泛的應(yīng)用。如利用全息圖的立體視覺特性，可作三維顯示、立體廣告、立體電影等。利用全息圖的可分割性和多重記錄特性，可作信息存儲、全息干涉計量、振動頻譜分析、無損檢測和測量位移、應(yīng)力、應(yīng)變等。4拍攝系統(tǒng)的技術(shù)要求為了拍攝合乎要求的全息圖，對拍攝系統(tǒng)有一定的技術(shù)要求。（1）對全息照相的光學(xué)系統(tǒng)，要求有特別高的機械穩(wěn)定性。如果物光和參考光的光程稍有不規(guī)則的變化，就會使干涉圖樣模糊不清。而且地面振動而引起工作臺面的振動，光學(xué)元件及物體夾得不牢固而引起的抖動，強烈聲波振動而引起空氣密度的變化等，都會引起干涉條紋的不規(guī)則漂移而使圖像模糊。因此，拍攝系統(tǒng)必須安裝在具有防振裝置的平臺上，系統(tǒng)中光學(xué)元件和各種支架都要用磁鋼牢固地吸在全息平臺上。在曝光過程中，人們不要走動，不要高聲說話，以保證干涉條紋無漂移。 （2）要有好的相干光源。一般實驗中常采用氦氖激光器作為光源。同時物光和參考光的光程差要符合相干條件。一般常使兩者光程差小于1 cm。 （3）物光和參考光的光強比要合適。一般以1：4到1：6為宜。兩者間的夾角小于45，因為夾角越大，干涉條紋間距越小，條紋越密，對感光材料分辨率的要求也越高?！緦嶒灁?shù)據(jù)記錄、實驗結(jié)果計算】1. 光程及光程差：物光光程（cm） 參考光光程（cm） 光程差（cm） 1 83.2 83.5 0.3 2 82.6 83.3 0.7 3 82.7 83.2 0.5 平均值 82.8 83.3 0.5 通過不斷調(diào)整光路,使光程差達(dá)到理想的數(shù)值。調(diào)整時要保持整個光路的舒暢，即各個元件之間的距離，以方便下面的實驗。2光強：物光光強（mV）參考光光強（mV）總光強（mV）光強比曝光時間（s） 3.4 19.1 22.5 1:5.6 1.11 通過調(diào)節(jié)擴束鏡的位置使光強比達(dá)到要求，同時要保證曝光時間合適，就要先大致確定總光強，再在物光光強與參考光光強之間調(diào)整。3顯影時間: 1分鐘 定影時間： 3分鐘4實驗效果：照片洗出后，通過觀察照片虛像，可以清晰地看到一個立體的硬幣和一只雞。硬幣較清晰，可惜看到上面的圖案，而且立體感很強。圖像的大小比真實的物體稍大些，位置保持一致，同時自行驗證了可分割性?！痉治鲇懻摗?1 關(guān)于操作的“精度” 其實這是一個極其需要精度的實驗。拍一張全息照片，各個環(huán)節(jié)都是有精確的計算的。光，本來就是一種很敏感，很細(xì)小的事物，我們利用光的性質(zhì)來達(dá)到照全息相的目的，要達(dá)到很好的效果，必然每一個環(huán)節(jié)的操作要十分精細(xì)。這也是鍛煉一個人的好時候。當(dāng)我們在移動每一個儀器，測量每一個距離的時候都要做到心中有數(shù)，鎮(zhèn)定自若，這樣才能達(dá)到一個最準(zhǔn)確的效果，每一步都要要求自己使參數(shù)盡量接近完美，反復(fù)操作有時也是必須的。同時，保持平靜，是試驗本身的需要，也是一位試驗操作者必備的條件。所謂態(tài)度決定一切，我們就要以一個科學(xué)工作者的態(tài)度來對待一個試驗，精益求精，才能達(dá)到一個實驗的至高點。才能更近地和自然接觸，和真理接觸?！舅伎碱}】1答：要獲得一張優(yōu)質(zhì)的全息照片，以下幾點是需要注意的：1 調(diào)整光路等高，準(zhǔn)確測量光程，這是必備的條件。2 要使物光和參考光充分干涉，這樣才能產(chǎn)生較好的拍攝效果。3 調(diào)整光強比，調(diào)整一個合適的曝光時間。因為在實驗中我們使用了秒表計時，所以曝光時間在1秒至5秒之間都是比較合理的。4 曝光時保持安靜，曝光后迅速將底片用黑紙包好，然后送至沖洗處。5 照相暗室中顯影，水洗，定影的條件和順序應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)定進(jìn)行。2答：因為夾角越大，對感光材料分辨率的要求越高，而實際中沒有這么好的感光材料，所以夾角應(yīng)盡量小些。調(diào)整光強比的方法就是移動擴束鏡，可以單獨移動一個擴束鏡，但兩個擴束鏡同時做移動可以很快調(diào)整光強比。3答：這關(guān)系到光源的相干性。如果光源相干性不好的話，光程相差太大的時候其相干性就會很差，這樣就不能形成較好的干涉，導(dǎo)致照片效果差。所以如果保持光程差很小，就能保證一個良好的相干性。4列表總結(jié)全息照相與一般照相的區(qū)別 一般照相 全息照相 拍攝方式用照相機等設(shè)備，較方便較復(fù)雜，拍攝條件要求較高 拍攝技術(shù) 拍攝效果要求不高，人人都能拍好平面圖需要一定的拍攝技術(shù)立體圖，分割性，全息性 拍攝成本較低較高 應(yīng)用情況已經(jīng)基本普及正在廣泛應(yīng)用于各個科學(xué)領(lǐng)域 發(fā)展前景局限于幾點，不廣闊廣闊，可與各項技術(shù)結(jié)合 潛在價值似乎快發(fā)掘完了不可估量5答：對于我們攝得的全息照片，從效果上看，一部分比較清晰，另一部分效果則不是很好。從拍攝技術(shù)來看，我們顯然不專業(yè)，所以在拍攝的各個環(huán)節(jié)都有一定的不足，所以拍攝效果必然會有所遜色。而從參數(shù)方面看，由于時間與經(jīng)驗原因，我們調(diào)整的總光強與光強比還不是特別合適，曝光時間等幾個參數(shù)的值不是很理想，所以導(dǎo)致拍攝效果上的損失。而對于實驗條件，總體上說已經(jīng)很不錯了，但個別方面有些不足，比如顯影，定影時人比較多，會導(dǎo)致個別操作的不及時。不過總體而言，拍攝出的照片還是讓我們很滿意。 【個人想法】 當(dāng)初我看到本學(xué)期物理試驗列表的時候，這個實驗就吸引了我。我原先對這項技術(shù)略有所知，也一直很感興趣，這次試驗我更詳細(xì)地了解了全息照片的拍攝過程及原理，同時學(xué)習(xí)了許多相關(guān)知識，也產(chǎn)生了許多想法。 我看到了全息照片有著廣闊的發(fā)展前景。一張全息照片的意義，遠(yuǎn)不是一般照片所及，它在工業(yè)，農(nóng)業(yè)，科研等領(lǐng)域具有廣泛的使用價值。可以用全息照片代替真實的物品而達(dá)到同樣的效果?？梢园岩恍├缯滟F文物，古跡，重要事物等用全息照片記錄下來，當(dāng)它們損毀時可以通過看全息照片來原樣復(fù)原。 受全息照片啟發(fā)，我們可以發(fā)明，全息電影，全息電視，全息電腦等，使我們的生活更上一層樓。同樣全息錄像能幫助我們完整地記錄一段時間的世界，無論在留念方面，還是在偵探方面都有著非凡的意義。說到這里，全息這項技術(shù)在各個科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的意義非凡，全息就似乎擁有火眼金睛，我們可以用它檢測物體是否發(fā)生微小改變，還有用全息元件做成的玻璃可以不影響視線卻能反射大量陽光，起到窗簾的作用