全息照相實驗實驗報告(全面)

曲涼信息z飪/孚物理與光電工程學院光電信息技術(shù)實驗報告姓名：學號：班級：光信息科學與技術(shù)專業(yè)2011級2班實驗名稱：全息照相實驗任課教師：實驗目的1．了解光學全息照相的基本原理及其主要特點。2．學習全息照相的拍攝方法和實驗技術(shù)。3．了解全息照相再現(xiàn)物像的性質(zhì)、觀察方法。二、實驗儀器序號名稱數(shù)量1全息實驗臺12He-Ne激光器13分束鏡14反射鏡25擴束鏡26載物臺17底片夾18被攝物體19全息干板110顯影及定影器材1三、 實驗裝置示意圖4被攝物1分束器3擴束鏡~77777777?777777777777775底片圖1全息照相光路四、 實驗原理全息照相是一種二步成像的照相技術(shù)。第一步采用相干光照明，利用干涉原理，把物體

在感光材料（全息干版）處的光波波前紀錄下來，稱為全息圖。第二步利用衍射原理，按一定條件用光照射全息圖，原先被紀錄的物體光波的波前，就會重新激活出來在全息圖后繼續(xù)傳播，就像原物仍在原位發(fā)出的一樣。需要注意的是我們看到的“物”并不是實際物體，而是與原物完全相同的一個三維像。1．全息照相的紀錄——光的干涉由光的波動理論知道，光波是電磁波。一列單色波可表示為：1）式中，A為振幅，3為圓頻率，入為波長，?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：x=2x=2i=1Acos（①t+Q-i）ii九i2）因此，任何一定頻率的光波都包含著振幅（A）和位相（3t+?-2nr/入）兩大信息。全息照相的一種實驗裝置的光路如圖（1）所示。激光器射出的激光束通過分光板分成兩束，一束經(jīng)透鏡擴束后照射到被攝物體上，再經(jīng)物體表面反射（或透射）后照射到感光底片（全息干版）上，這部分光叫物光。另一束經(jīng)反射鏡改變光路，再由透鏡擴大后直接投射到全息干版上，這部分光稱為參考光。由于激光是相干光，物光和參考光在全息底片上疊加，形成干涉條紋。因為從被攝物體上各點反射出來的物光，在振幅上和相位上都不相同，所以底片上各處的干涉條紋也不相同。強度不同使條紋明暗程度不同，相位不同使條紋的密度、形狀不同。因此，被攝物體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條紋形式記錄下來，經(jīng)顯影、定影等處理后，就得到一張全息照片。這種全息照片和普通照片截然不同，一般在全息照片上只有通過高倍顯微鏡才能看到明暗程度不同、疏密程度不同的干涉條紋。由于干涉條紋密度很高，所以要求記錄介質(zhì)有較高的分辨率，通常達1000條線／毫米以上，故不能用普通照相底片拍攝全息圖。2．全息照相的再現(xiàn)——光的衍射由于全息照相在感光板上紀錄的不是被攝物的直接形象，而是復雜的干涉條紋，因此全息照片實際上相當于一個衍射光柵，物象再現(xiàn)的過程實際是光的衍射現(xiàn)象。要看到被攝物體的像，必須用一束同參考光的波長和傳播方向完全相同的光束照射全息照片，這束光叫再現(xiàn)光。這樣在原先拍攝時放置物體的方向上就能看到與原物形象完全一樣的立體虛像。如圖2所示把拍攝好的全息底片放回原光路中，用參考光波照射全息片時，經(jīng)過底片衍射后有三部分光波射出。0級衍射光——它是入射再現(xiàn)光波的衰減。+1級衍射光——它是發(fā)散光，將形成一個虛像。如果此光波被觀察者的眼睛接收，就等于接收了原被攝物發(fā)出的光波，因而能看到原物體的再現(xiàn)像。-1級衍射光-1級衍射光觀察方向參考光虛像頭像圖23．全息照相原理的數(shù)學描述下面對全息照相原理作一簡單的數(shù)學描述。設全息底片所在平面為xy平面，物光在底片上的振動表達式為Eo(x，y)二Ao觀察方向參考光虛像頭像圖23．全息照相原理的數(shù)學描述下面對全息照相原理作一簡單的數(shù)學描述。設全息底片所在平面為xy平面，物光在底片上的振動表達式為Eo(x，y)二Ao(x，y)cos[①t+%(“)]3)介切、［/■、/參考光為E(x,y)二A(x,y)cos［①t+Q(x,y)］RRR為方便起見，采用復數(shù)形式表示，寫成4)E(x,y)=A(x,y)ed0(x,y)e；?t000E(x,y)=A(x,y)e叫(x,y)e；?tRR對于相干波的疊加，真正起作用的是振幅和相位，常用復振幅來表示，即省去時間相位因子ei3t,剩下的部分既含振幅，又含隨空間變化的相位，把它稱為復振幅。于是，在底片上任一點物光和參考光復振幅分別為O(x,y)=A(x,y)e^Xy)05)R(x,y)二A(x,y)ei%x,y)R相干疊加后的合成光場為H(x,y)=R(x,y)+O(x,y)(6)7)干涉條紋的光強為I=HH*=[O+R][O*+R*](8)式中為H*為H的共軛復數(shù)。為使關(guān)系式簡潔，各量中的x,y均省略。將上式展開得I—A2+A2+AAei(%—?r)+AAe-i(%―和)TOC\o"1-5"\h\z0R0R 0R經(jīng)簡化后上式可簡寫為I—A2+A2+2AAcos?—甲) (9)0R0R 0R這正是干涉條紋光強的表達式。上式表明，光強I(x,y)包含了物光波的全部信息(振幅和相位)。采用適當?shù)膬晒獠◤姸缺?，感光底片?jīng)曝光并進行線性沖洗后，就得到一張全息照片。假定用照明光尺(x，y)照射全息圖，設再現(xiàn)光在全息圖上的復振幅為R'(x,y)—A(x,y)ei^R'(x,y)R'如把全息照片看作衍射屏，則透過全息照片后衍射波的復振幅為U(x,y)—R'(x,y)t(x,y) (10)式中t(x，y)為全息照片的復振幅透射率，對于經(jīng)線性處理的全息照片，復振幅透射率與曝光時的光強成線性關(guān)系，即t(x,y)—t+0I(x,y) (11)0于是，透過全息照片后衍射波的復振幅U(x,y)—R'(x,y)[t+01(x,y)]0將I(x,y)值代入得U—U+U+U (12)0+1 -1式中第一項U0除了系數(shù)(to+0Ao2+0AR2)外，與再現(xiàn)光相同，為零級衍射波，代表照明光的透射波，形成一個背景象，從物光重現(xiàn)的角度來看，可以不予考慮。第二項U+1為+1級衍射波，當再現(xiàn)光和參考光完全相同時，即Ar=Ar=Ar,五十，則+1級衍射波在全息照片上的復振幅為U—0R'R*O—0AAei叭-pr)O—0A2O+1 R'R與原物光只差一個常數(shù)因子，實現(xiàn)了原物光的再現(xiàn)。觀察者將在原物體所在位置上看到逼真的立體虛像，在不同的角度看到物體不同的側(cè)面。第三項U_]為-1級衍射波，當再現(xiàn)光是參考光時，則-1級衍射波在全息照片上的復振幅為U—0R'R*O—0AAei(申R,+?R)O—0A2ei2R?O*-1 RR與原物光的共軛波O*(x，y)除相差一個常數(shù)因子外，還多一個位相因％i2加，表示衍射波會聚于以全息照片為對稱面的原物體的對稱位置上，觀察者將在此位置上看到一個實像，在實像中的那些細節(jié)與虛像是相反的。4．全息照相的特點⑴全息照相應用了光的干涉、衍射原理，記錄了光波的全部信息，因此全息照片再現(xiàn)的被攝物形象是完全逼真的三維立體形象。⑵全息照片可以分割。因為全息照片上每一點紀錄的干涉圖像是由物體所有點漫射來的光與參考光相干涉而成的，所以打碎的全息照片仍能再現(xiàn)出原被攝物的全部形象。⑶一張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參考光束，也可以改變底片的角度拍攝多次，在全息照片的不同角度就會出現(xiàn)不同圖像。再現(xiàn)時只要適當轉(zhuǎn)動全息照片即可。⑷全息照片沒有正負之分，因此易于復制。復制照片再現(xiàn)出來的像仍然和原來照片的再現(xiàn)像一樣。⑸全息照片的再現(xiàn)像可放大或縮小。當用不同波長的激光照射全息照片時，由于拍攝時所用的激光波長不同，再現(xiàn)像就會放大或縮小。5．全息照相的實驗要求⑴要有足夠穩(wěn)定的系統(tǒng)即全息實驗臺的防震性能要好。在全息照相時，物光和參考光相干涉形成的干涉條紋密度達每毫米近千條或更高，如果物光波和參考光波稍有抖動，就會造成干涉圖樣模糊不清。因此要求全息平臺有很好的抗震性能，同時采取一些必要的減震措施，如在平臺支座上加減振器、充氣輪胎、沙箱等。對全息臺上的光學元件需進行仔細檢查，看是否牢固。在曝光過程中身體任何部位都不要觸及全息臺，避免高聲談話，更不要在室內(nèi)隨意走動、開關(guān)門、窗等，以確保干涉條紋無漂移。⑵要有好的相干光源。一般采用He-Ne激光器作為光源，同時要求物光波和參考光波的光程盡量相等，光程差盡量小，以保證物光波和參考光波具有良好的相干性。⑶物光和參考光的光強比要合適。一般選擇Io/1=1/4?1/10為宜；兩者間的夾角30°左右，不宜超過40°，因為夾角越大，干涉條紋間距越小，條紋越密，對全息底片分辨率的要求也越高。五、 實驗步驟1．全息照相光路調(diào)整按圖1所示光路安排各光學元件，并作如下調(diào)整：①使各元件基本等高；②在底片架上夾一塊白屏，使參考光均勻照在白屏上、入射光均勻照亮被攝物體，且其漫反射光能照射到白屏上，調(diào)節(jié)兩束光夾角約為30°；③使物光和參考光的光程大致相等，可分別擋住物光和參考光調(diào)節(jié)其光強比約1：4?1：10,兩光束有足夠大的重疊區(qū)；④所有光學元件必須通過磁鋼與平臺保持穩(wěn)定。2．全息照片的記錄拿下白屏，關(guān)掉激光器（或在輸出鏡前用一擋光板擋住光束），在底片夾上裝夾全息干版，注意使底片的藥膜面對著物光和參考光，稍等片刻（約1?2min），待系統(tǒng)穩(wěn)定后，根據(jù)實驗室提供的參考曝光時間，打開激光器（或移開擋光板）進行曝光。然后關(guān)閉激光器，取下底片待處理（注意切勿再使底片曝光）。3．照相底片的沖洗取下曝光后的底片，用清水打濕，放入顯影液一分鐘左右，取出在暗綠燈下觀察，發(fā)現(xiàn)有顯影時，用清水沖洗，再放入定影液中，定影5?15分鐘，取出用流水沖洗3?5分鐘，使多余的銀粒沖去。再用電吹風吹干，在白熾燈下觀察是否有彩帶，如有彩帶說明拍攝成功。4．全息照片的再現(xiàn)觀察用經(jīng)擴束后的激光