光學(xué)全息照相實驗報告

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1、實驗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，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 密計量、無損檢測、遙感測控、信息存儲和處理、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 個新領(lǐng)域。 本實驗通過對三維物體進行全息照相并再現(xiàn)其立體圖像

2、， 了解全息照相的基本原理及特 點，學(xué)習(xí)拍攝方法和操作技術(shù)，為進一步學(xué)習(xí)和開拓應(yīng)用這一技術(shù)奠定基礎(chǔ)。 實驗?zāi)康? 了解光學(xué)全息照相的基本原理和主要特點； 學(xué)習(xí)靜態(tài)光學(xué)全息照相的實驗技術(shù)； 觀察和分析全息全圖的成像特性。 儀器用具 全息臺、He— Ne激光器及電源、分束鏡、全反射鏡、擴束透鏡、曝光定時器、全息感光底 版等。 基本原理 全息照片的拍攝 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

3、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 光板上形成的光強分布為 I = a2 b2 2ab cosax ⑴ 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，

4、 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。同時使另一束光通過反射鏡 M2 反射后又經(jīng)L2擴束后直接照在感光底板上，這束光稱為參考光。當物光和參考光滿足相干 條件時，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，

5、所以，觀察全息照片時，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。對于再 現(xiàn)光，全息照片相當于是一個透過率不同的復(fù)雜“光柵” ，而再現(xiàn)過程實際上是干涉圖樣的 衍射過程。再現(xiàn)光經(jīng)全息照片衍射后的光強分布為 I = c(a2 + b2 )+cabe + cabeiax (3) 其中c為常數(shù)?？梢姡佻F(xiàn)光經(jīng)全息照片衍射后沿三個方向衍射， 第一項為再現(xiàn)光沿原來方 向的光波，相當于光柵衍射的零級衍射光波。第二、三項相當于光柵衍射的 +1、-1級衍射 光波。第一項光強沒有變化，不儲存信息，所以沒有使用價值。第二項光波光強與物光的振 幅和相

6、位成正比，傳播方向與物光的傳播方向相同， 這時如將被攝物體移開，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。 第三項光波光 強與第二項光波光強共軛。當物光為發(fā)散光時，共軛光為會聚光。如果在被攝物體的對稱位 置上放一接收屏，可再現(xiàn)被攝物體的實象，此實象與被攝物體共軛，稱贗象。 3.全息照相的特點 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都記錄了整個物體的信息， 因此，所以全息照片具有可分割的特點。 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與被攝物體完全相同的三 維立體

7、象。 實驗裝置與實驗環(huán)境 1. 相干性好的光源。對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。 氦氖激光器相干長度一般不 小于激光器腔長的1/4 —1/2，圖2是拍攝反射全息照片的光路圖。對光路的一般要求有： 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

8、底版上的參考光與物光之間的夾角一般選取在 15?45之間，這樣可以使干涉條 紋的間距大些，從而降低對照相底板分辨率和系統(tǒng)防震要求， 并避免再現(xiàn)象與零級衍射重和， 而影響對再現(xiàn)象的觀察。為了減少光的損失和提高抗干擾能力， 在設(shè)計光路系統(tǒng)時所使用的 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，因為一般全息干涉條紋是非常密集的，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。對于 0 =45。時，全息圖上的干涉條 紋可達1200條/毫米，故要采用每毫米大于 1200線

9、的感光底版。分辨率的提高使感光度下 降，所以曝光時間比普通照片長，且與激光強度、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。用于氦氖激光的全息底版對紅光最敏感， 所以全息照相的全部操作可在 暗綠燈下進行。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上進行，以保證光學(xué) 系統(tǒng)各元件有良好的機械穩(wěn)定性， 拍攝時每一光學(xué)元件都不能有任何微小移動或震動。 輕微 的震動或氣流的擾動，只要使光程差發(fā)生波長數(shù)量級的變化， 條紋即會模糊不清，再現(xiàn)像的亮 度和再現(xiàn)視場范圍大小會受到影響。所以被攝物體、各光學(xué)元件及全息底版必須嚴格

10、固定。 實驗的內(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驗平臺平行。 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 15?45。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。嚴格防止擴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比在合適范圍。 光路圖如下圖所示： 

11、 2 2 2 32.6 13.6 -22.7 由余弦定理得 cos 0 = 2 32.6 13.6 =0.826 0 ?34.3 安裝感光底板時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，進行曝光，曝光時間由實驗室給出。 底板用D—19顯影液顯影后，用清水沖洗干凈，再放入 F—19定影液中進行定影, 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，并與原被攝物體進行比較。 位置

12、、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。 總結(jié)觀察到的全息照片的特點，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。 然后利用全 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。 注意事項 勿用手、手帕、紙片等物擦光學(xué)元件。 曝光時切勿觸及全息臺 拍攝時應(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：因為激光的干涉長度有限，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?。? 答：因為安置不牢會引起微小振動，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)物像是虛像還是實像？ 答：在玻片后加一光屏，若光屏有像則再現(xiàn)物象是實像，若無像則為虛像。