全息照相實(shí)驗(yàn)報(bào)告.docx

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全息照相實(shí)驗(yàn)報(bào)告 　　全息照相實(shí)驗(yàn)報(bào)告 　　【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 　　1.了解全息照相的基本原理。 　　2.掌握全息照相以及底片的沖洗方法。 　　3.觀察物象再現(xiàn)。 　　【實(shí)驗(yàn)儀器】 　　防震光學(xué)平臺(tái)、氦氖激光器、高頻濾波器)、擴(kuò)束透鏡(兩個(gè))、分束器、反射鏡(兩個(gè))、全息Ⅰ型干版、顯影液和定影液及暗房設(shè)備。 　　【實(shí)驗(yàn)原理】 　　全息照相與普通照相無(wú)論是在遠(yuǎn)離上還是在方發(fā)生都有本質(zhì)的區(qū)別。普通照相是用幾何光學(xué)的方法記錄物體上各點(diǎn)的發(fā)光強(qiáng)度分部，得到的是二維平面像，像上各點(diǎn)的照度與物體上的各點(diǎn)發(fā)光強(qiáng)度一一對(duì)應(yīng)。而全息照相的記錄對(duì)象是整個(gè)物體發(fā)出的光波(即物體上各點(diǎn)發(fā)出的光波的疊加)，借助于參考光用干涉的方法記錄這個(gè)物光波的振幅和位相(周相)分布，即記錄下物光波與參考光波相干后的全部信息。此時(shí)，記錄信息底片上得到的不是物體的像，而是細(xì)密的干涉條紋，就好像一個(gè)復(fù)雜無(wú)比的衍射光柵，必須經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)脑僬彰鳎拍苤亟ㄔ瓉?lái)的無(wú)廣播，從而再現(xiàn)物體的三維立體像。由于底片上任何一小部分都包含整個(gè)物體的信息，因此，只利用拍攝的全息底片的一小部分也能再現(xiàn)整個(gè)物像。 　　1.全息記錄 　　全息照相的光路圖如下圖所示： 　　感光底板 　　用激光光源照射物體，物體因漫反射發(fā)出物光波。波場(chǎng)上沒(méi)一點(diǎn)的振幅和相位都是空間坐標(biāo)的函數(shù)。我們用O表示物光波沒(méi)一點(diǎn)的復(fù)振幅與相位。用同一激光管員經(jīng)分光板分出的另一部分光直接照射到地板上，這個(gè)光波稱(chēng)為參考光波，它的振幅和相位也是空間坐標(biāo)的函數(shù)，其復(fù)振幅和位相用R表示，草考光通常為平面或球面波。這樣在記錄信息的底板上的總光場(chǎng)是物光與參考光的疊加。疊加后的復(fù)振幅為O+R，如圖從而底板上各點(diǎn)的發(fā)光強(qiáng)度分布為 　　I(OR)(O*R*)OO*RR*OR*O*RIOIROR*O*R 　　(式1) 　　式子中，O*與R*分別是O和R的共軛量;I。，IR分別為物光波和參考光波獨(dú)立照射底版時(shí)的放光強(qiáng)度。 　　2.物相再現(xiàn) 　　3.底板經(jīng)過(guò)曝光沖洗后，形成各處透光率不同的全息照片，它相當(dāng)于一個(gè)復(fù)雜的光柵。一般來(lái)說(shuō)，光透過(guò)這樣的全息照片時(shí)，振幅以及位相都要發(fā)生變化。如果令 　　t=透過(guò)光的復(fù)振幅/入射光的復(fù)振幅 (式2) 　　則復(fù)振幅透過(guò)率t一般為復(fù)數(shù)。但對(duì)于平面吸收型全息照片t為實(shí)數(shù)。如果曝光及沖洗合適，可使得 　　tt0KI (式3) 　　物象再現(xiàn)是用光照射已經(jīng)攝制好的全息照片并觀察透過(guò)光。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為波前重現(xiàn)，通常再照光與拍攝全息照片的參考光束R相同，因此，透過(guò)的光波的復(fù)振幅與位相用W表示，則： 　　(式4) Wt0RKR(I0IROR*O*R)[t0K(I0IR)]RKIROKRO*R 　　第一項(xiàng)與參考波R成正比，是按一定比例重建的參考波，或者說(shuō)是直接透過(guò)再找光相當(dāng)于零級(jí)衍射波。 　　第二項(xiàng)與原來(lái)的物光成正比，是按一定比例重建的物光波，相當(dāng)于一級(jí)衍射波。這個(gè)光波根據(jù)惠更斯原理繼續(xù)傳播，與原來(lái)物體在原來(lái)位臵發(fā)出的光波相同，僅僅是振幅按一定比例改變，位相改變180度。因此全息照片后面的觀察者對(duì)這個(gè)光波方向觀察時(shí)，可以看到原來(lái)物體的三維立體像。如圖所示： 　　全息照片 　　一級(jí)衍射波人眼觀察 　　第三項(xiàng)與物光波的公軛光波O*有關(guān)。它是因衍射而產(chǎn)生的另一個(gè)一級(jí)衍射波，稱(chēng)為孿生波。這意味著在須向的相反一側(cè)會(huì)聚稱(chēng)一個(gè)共軛的實(shí)像。 　　【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與測(cè)量】 　　1.全息照相 　　(1)設(shè)計(jì)光路系統(tǒng)如下圖，打開(kāi)激光光源預(yù)熱，激光器的電流指示為6～7mA，光路系統(tǒng)應(yīng)該滿(mǎn)足下列條件： 　?、傥锕馐蛥⒖脊馐煞止獍逯粮泄獍嬷g的光程大致相等 　?、谟猛哥R將物光束擴(kuò)展到保證整個(gè)被攝物都能受到光照，參考光束也應(yīng)擴(kuò)展使感光板有均勻光照 　?、壅赵诟泄獍迳系奈锕馐蛥⒖脊馐g的夾角在30～50之間為宜 　　④參考光束應(yīng)強(qiáng)于物光束，在放感光板的地方她們的強(qiáng)度比約為3：至5：1 　　(2)關(guān)閉室內(nèi)照明燈，用光電池測(cè)量放感光板處參考光束和物光光束的強(qiáng)度，以檢驗(yàn)發(fā)光強(qiáng)度比是否符合要求。曝光時(shí)間應(yīng)該控制在20～60s之間。 　　(3)上快門(mén)，調(diào)好曝光定時(shí)器的曝光時(shí)間，裝感光板。使乳膠面向著入射光，靜臵幾分鐘使防震臺(tái)不振動(dòng)后曝光。 　　(4)顯影和定影。顯影液用D-19顯影液，顯影時(shí)間為2min。取出感光板后用自來(lái)水沖洗。然后放在定影液中……再水洗2～3min即可觀察物象再現(xiàn)。 　　2.物象再現(xiàn) 　　1)用激光照射全息照片的正面。盡可能使光照方向與原來(lái)參考光束方向一致，從照片反面觀察物象。 　　2)用1)的方法觀察到正立的三維圖象后，旋轉(zhuǎn)全息照片180度，使其反面被激光照射。 　　3)用自己所想的方法觀察全息照片。 　　【實(shí)驗(yàn)心得】 　　光學(xué)實(shí)驗(yàn)中光路調(diào)節(jié)注意事項(xiàng) 。 　　整個(gè)調(diào)試光路的過(guò)程中是分別依次加入光學(xué)元件 　　遵循的原則:每?jī)蓚€(gè)光學(xué)元件始終保持等高,共軸 　　在這次光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于再現(xiàn)像的觀察我們沒(méi)有得到再現(xiàn)像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)此我覺(jué)得我們必然在某處有錯(cuò)誤，或者是由于實(shí)驗(yàn)儀器造成，因此我展開(kāi)分析，下面是一些分析結(jié)果。 　　實(shí)驗(yàn)中決定成功的因素： 　　一、系統(tǒng)穩(wěn)定性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響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(guò)程中, 極小的振動(dòng)和位移都會(huì)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(lái)。 　　二、光路對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響 　　(1) 參考光和物光的光程差的影響。參考光和物光的光程差[ 1 ]不能太大, 不能大于所用激光的相 　　 　　干長(zhǎng)度, 否則兩者不能相干, 無(wú)法在全息干板上獲得干涉條紋。 　　(2) 參考光和物光的夾角的影響。假如全息干板上干涉條紋的間距為d, 光源波長(zhǎng)為λ。根據(jù)干涉原理, d 與參考光和物光之間的夾角θ有關(guān), 而干板分辨率η 與d 有關(guān) 　　?？梢钥闯? θ角愈大, 所記錄的干涉條紋就越細(xì), 對(duì)干板的分辨率要求越高, 　　故夾角θ不能太大。而夾角θ對(duì)全息圖再現(xiàn)象時(shí)的觀察窗(視角) 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θ也不能太小。 　　(3) 參考光和物光的光強(qiáng)比的影響。全息照相是物光與參考光的雙光束干涉. 對(duì)于一般雙光束干涉來(lái)說(shuō), 如果2束光的光強(qiáng)相同, 干涉條紋可得到最大的對(duì)比度, 這對(duì)一般線性接受元件是合適的。而對(duì)全息照相的記錄介質(zhì)來(lái)說(shuō), 曝光量( T) 和振幅(H) 透過(guò)率的特性曲線是非線性的, 在曲線兩端發(fā)生奇變, 如圖3所示, 產(chǎn)生較高階的衍射光,使衍射效率降低。 　　干板的曝光特性 　　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(jí)衍射光, 降低了成象的光通量, 致使效率降低。 　　(4) 全息干板固定不牢或夾持位臵偏差大, 以及把有藥面的一面與玻璃面放反, 都會(huì)造成實(shí)驗(yàn)的失敗。 　　三、曝光與顯影對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響 　　(1) 曝光時(shí)間的影響。如果曝光時(shí)間太短, 底板上條紋太淺甚至沒(méi)有, 復(fù)雜的衍射光柵無(wú)法形成, 當(dāng)然也就無(wú)法再現(xiàn)像。若曝光時(shí)間太長(zhǎng), 底板可能太黑, 光線的透過(guò)率降低。另外, 曝光時(shí)間越長(zhǎng), 保持系統(tǒng)穩(wěn)定性越難, 曝光時(shí)間內(nèi)突然的躁聲和振動(dòng)會(huì)使拍攝失敗[。 　　(2) 顯影時(shí)間的影響。顯影的程度是否適當(dāng)對(duì)全息圖質(zhì)量影響很大。若顯影時(shí)間太長(zhǎng), 全息干板發(fā)黑, 光線的透射率降低, 無(wú)法再現(xiàn)像; 而顯影時(shí)間太短, 干板上條紋不能出現(xiàn), 無(wú)法形成復(fù)雜的衍射光柵, 甚至是一塊透明玻璃片, 也無(wú)法再現(xiàn)像。 　　改進(jìn)方法： 　　光路的選擇 　　(1)單物光束反射、透射全息照相光路 　　實(shí)驗(yàn)裝臵如圖1、圖2所示[2]，從激光器S發(fā)出的光波被分束鏡T分成2束，一束經(jīng)M1反射和凸透鏡擴(kuò)束后照射在被攝物體上，經(jīng)物體反射( 圖1 ) 或透射( 圖2 ) 的光再照射到全息干板P上，這束光為物光波。另一束經(jīng)M2反射和擴(kuò)束后直接照射在全息干板P上，這束光為參考光波。由于這2束光是相干的，所以在全息干板上就形成明暗相間的干涉條紋并被記錄。條紋的形狀和疏密反映了物光的位相分布情況，而條紋明暗的反差反映了物光的振幅。感光底片上將物光的信息都記錄下來(lái)，經(jīng)過(guò)顯影、定影處理后，便形成與光柵相似結(jié)構(gòu)的全息圖，即全息照片。優(yōu)點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)裝臵簡(jiǎn)單，照射到物體上的光較強(qiáng)，容易控制物光和參考光的光比，再現(xiàn)照片反差大，輪廓分明。缺點(diǎn)：由于被攝物體不是平面物體，而光又是沿線傳播的，所以物體不能被全部照亮，干板上記錄的影像信息只是物光束能照射到的部分，其他部分的像是暗的，照片層次較差。 　　(2)雙物光束漫反射全息照相光路 　　為了克服單物光束拍攝全息照片的缺點(diǎn)，可以用2束光照射物體，照亮原單束光照不到的地方[3]，并在想突出表現(xiàn)的部位打上較強(qiáng)的光，從而使全息片層次更豐富，表現(xiàn)力更強(qiáng)。從全息照相的原理考慮，物光束和參考光束必須是相干光，因此，它們必須來(lái)自同一光源，從同一光束中分離出來(lái)。在單光束光路中又增加一個(gè)分束器T1，將原來(lái)的物光束一分為二，再經(jīng)過(guò)反射鏡1 M′ 、1 M′′從2個(gè)不同方向照射到被攝物體。 　　光路如圖3所示，其中T1為**%的分束器， 1 M′ 和1 M′′為新增加的反射鏡， 1 L′′為第二束光的擴(kuò)束器。優(yōu)點(diǎn)：克服了單光束光路在光線不能到達(dá)的地方產(chǎn)生暗區(qū)的缺點(diǎn)，使全息照片影像更清晰，層次更豐富。缺點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)裝臵較復(fù)雜，光路調(diào)整耗時(shí)較多。 　　(3)多物光束漫反射全息照相光路 用普通照相機(jī)拍攝物體時(shí)，為了使照片層次豐富，或?yàn)橥怀霰憩F(xiàn)某種特殊效果時(shí)，攝影師往往用多束光來(lái)照射被攝物體。全息照相也可以借鑒該方法，例如用透射全息照相光路，給物體一個(gè)背景光，光路如圖4所示，使全息照片出現(xiàn)很強(qiáng)的立體感。優(yōu)點(diǎn)：全息照片影像層次更加豐富，并有很強(qiáng)的立體感。缺點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)裝臵更為復(fù)雜，光路和每個(gè)光束的光比調(diào)整較為困難。 　　另外的具體做法有： 　　一、保證拍攝系統(tǒng)的穩(wěn)定 　　對(duì)于我們所用的激光波長(zhǎng)為632. 18 nm的HJ 2Ⅱ型氦氖激光器, 在曝光過(guò)程中, 必須保證拍攝系統(tǒng)的移動(dòng)不得超過(guò)干涉條紋間距的1 /4。我們實(shí)驗(yàn)室用的是GSZ 2 Ⅱ型光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái), 全息臺(tái)上的所有光學(xué)器件都用磁性材料牢固地吸在工作臺(tái)鋼板上。將各光學(xué)元件夾持穩(wěn)定, 將被照物體粘牢在載物臺(tái)上或夾緊在架上, 將曝光定時(shí)器離開(kāi)全息臺(tái)放臵。由于氣流通過(guò)光路, 聲波干擾以及溫度變化都會(huì)引起周?chē)諝饷芏鹊淖兓? 因此, 在準(zhǔn)備拍攝前必須遠(yuǎn)離全息臺(tái), 保持安靜, 靜止2 min以上再啟動(dòng)曝光定時(shí)器, 并且在曝光期間不能講話(huà)、走動(dòng)和發(fā)出任何聲響, 保證環(huán)境穩(wěn)定, 曝光后再靜等20s[ 4 ]以上, 才能取下干板, 用黑紙包好。 　　二 安排和調(diào)整光路的具體做法 　　(1) 光路擺放。按圖1所示光路將, 各元件大致擺放到各自的相應(yīng)位臵上, 調(diào)整各元件, 使各光束都與臺(tái)面平行且與各元件中心重合, 開(kāi)始時(shí)不要加擴(kuò)束鏡。 　　(2) 測(cè)量光程。測(cè)量物光與參考光的光程, 從分束鏡開(kāi)始, 沿著光束的前進(jìn)方向量至全息干板為止, 按等光程按排光路為好, 光程差不得大于1 cm。 　　(3) 夾角選擇。根據(jù)上面的分析, 本實(shí)驗(yàn)中選擇參考光和物光的夾角取20°～30°[ 5 ]為宜。 　　(4) 調(diào)節(jié)光強(qiáng)比。由上所述可知, 要達(dá)到較好的效果, 應(yīng)使參考光增強(qiáng), 以避開(kāi)非線性區(qū), 減少斑紋效應(yīng)。但盡管用一束強(qiáng)光做物光, 物光照到物體上經(jīng)物體吸收后再反射到干板上的光已比參考光弱得多了, 對(duì)于我們功率只有5 mW的激光器, 參考光和物光的光強(qiáng)比太大, 會(huì)造成對(duì)比度差、象不清楚, 所以又必須使物光增強(qiáng)。多次實(shí)驗(yàn)研究表明: 被攝物如果是瓷器, 應(yīng)與全息干板距離較近(3～5 cm) , 若拍攝硬幣可與全息干板距離遠(yuǎn)一些(可達(dá)10 cm) 。放入擴(kuò)束鏡后, 調(diào)節(jié)物體方位, 使物體漫反射光的最強(qiáng)部分均勻地落在全息干板上,參考光應(yīng)均勻照明并覆蓋整個(gè)全息干板, 兩光光強(qiáng)比為3∶1～5 ∶1較為合適。 　　三、拍攝全息圖及再現(xiàn)觀察 　　(1) 拍攝底片。關(guān)閉室內(nèi)所有光源, 在全暗條件下學(xué)會(huì)判斷全息干板藥膜面的方法, 即用兩手指同時(shí)摸全息干板兩面, 較澀的一面為藥膜面, 光滑的一面為玻璃面。取下白屏, 將全息干板藥膜面面向被攝物體固定在干板架上。 　　(2) 設(shè)臵曝光時(shí)間。曝光時(shí)間的長(zhǎng)短與光源的功率有關(guān), 對(duì)于功率較大的光源, 曝光時(shí)間可適當(dāng)短些, 若光源功率小, 則曝光時(shí)間可適當(dāng)長(zhǎng)些。一般文獻(xiàn)上要求曝光時(shí)間為3 ～4 min, 實(shí)際上, 曝光時(shí)間長(zhǎng)很難保證拍攝過(guò)程中周?chē)h(huán)境絕對(duì)安靜, 對(duì)于我們使用的功率為5 mW的HJ 2Ⅱ型氦氖激光器和天津感光膠片廠生產(chǎn)的Ⅰ型全息干板來(lái)說(shuō), 曝光時(shí)間選擇在30 s左右就可以了, 但也要看被攝物體的反光程度, 對(duì)于反光較強(qiáng)的物體, 曝光時(shí)間可適當(dāng)縮短, 反之, 則適當(dāng)加長(zhǎng)。 　　(3) 設(shè)臵顯影時(shí)間。選擇顯影時(shí)間應(yīng)與曝光量、顯影液的濃度及溫度等情況加以綜合考慮。在曝光量正常的情況下, 用D 2 19顯影液, 其溫度在20 ℃ ±015 ℃時(shí), 顯影時(shí)間一般十幾秒即可, 但在溫度較高、且新配的藥水的情況下, 可能幾秒鐘干板就變黑, 顯影時(shí)間應(yīng)視實(shí)際情況而定(但不要超過(guò)3 min) 。應(yīng)將干板放在顯影液中并輕輕攪動(dòng)液體, 幾秒鐘后將干板對(duì)著暗綠燈觀察, 看到微黑時(shí)即可用清水沖洗, 沖洗干凈放入定影液中2 ～4min, 定影過(guò)程中也應(yīng)不斷攪動(dòng)定影液, 之后放入清水中沖洗5～15 min[ 6 ] , 再進(jìn)行干燥。另外, 配臵好的藥水應(yīng)放在茶色玻璃瓶中避光保存, 學(xué)生操作時(shí)要避免將一種藥水帶入另一種藥水中。萬(wàn)一顯影或曝光過(guò)度, 可放入漂白液中進(jìn)行減薄處理, 減薄處理可在白光下進(jìn)行, 不停地拿出觀察, 減薄程度適可而止, 不可太過(guò), 否則全息圖消失。 　　(4) 再現(xiàn)觀察。將處理好的全息底片放在圖2光路中觀察全息圖, 再現(xiàn)時(shí)也可用強(qiáng)光照射全息圖, 以增加其亮度。 　　結(jié) 論：綜上所述，不同光路拍出的全息照片的效果有所不同。單物光束反射、透射全息照相光路，照射到物體上的光較強(qiáng)，容易控制物光和參考光的光比，再現(xiàn)照片反差大，輪廓分明，一般的全息照相實(shí)驗(yàn)大多選用該光路。但該方法拍攝的照片清晰度不高，層次較差。雙物光束漫反射和多物光束漫反射2種全息照相光路，盡管整個(gè)光路和每個(gè)光束的光比調(diào)整過(guò)程較為復(fù)雜，但拍攝的全息照片影像層次更加豐富，并有很強(qiáng)的立體感。因此，它在信息存貯和處理、遙感技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)等方面有著廣泛的應(yīng)用。應(yīng)根據(jù)不同的被攝物體，選擇不同的光路，以達(dá)到最佳的拍攝效果。另外，能否成功拍攝好全息照片，不僅要根據(jù)需求選擇光路，而且光路的調(diào)整也是至關(guān)重要的。一個(gè)好的光路，既要使物光和參考光能夠發(fā)生干涉，還要保證干涉條紋間隔清晰，反差合適。所以要首先調(diào)整好物光和參考光的光程，以保證干涉能夠發(fā)生，然后再調(diào)整物光與參考光束之間的夾角及物光和參考光的光強(qiáng)比，保證全息照片的清晰度和反差