全息照相大学物理实验总结 7页

全息照相大学物理实验总结 全息照相大学物理实验总结 全息照相大学物理实验总结 篇一：物理实验-全息照相-实验报告物理 实 验 报 告 班 级__信工C班___组 别______D______ 姓 名____李铃______学 号_1111000048_ 日 期___2013.3.6___指导教师___张波____ 【实验题目】_________全息照相 【实验目的】 1.了解全息摄影的基本原理、实验装置以及实验方法； 2.掌握激光全息摄影和激光再现的实验技术； 3.通过观察全息图像的再现，弄清全息照片和普通照片的本质区别 【实验仪器】 防震全息台，氦—氖激光器，扩束透镜，分束棱镜（或分束板），反射镜，毛玻璃屏，调节支架，米尺，计时器，照相冲洗设备等。 【实验原理】 全息摄影采用激光作为照明光源，并将光源发出的光分为两束，一束直接射向感光片，另一束经被摄物的反射后再射向感光片。两束光在感光片上叠加产生干涉，感光底片上各点的感光程度不仅随强度也随两束光的位相关系而不同。所以全息摄影不仅记录了物体上的反光强度，也记录了位相信息。人眼直接去看这种感光的底片，只能看到像指纹一样的干涉条纹，但如果用激光去照射它，人眼透过底片就能看到原来被拍摄物体完全相同的三维立体像。 全息图种类很多，有菲涅耳图、夫琅和费图、傅立叶变换全息图、彩虹全息图、像全息图、体积全息图等。不管哪种全息图都要分成两步来完成，即用干涉法记录光波全息图，称波前记录；用衍射原理使原光波波前再现，称波前再现。 1.全息照相的过程 物体发出的包含振幅和位相信息的光可以用下式表示： 其中： 信息，而位相信息 为振幅， 为位相。普通摄影只能记录物体光波的振幅全部丢失，因此照片没有立体感。数学表达式为：实际上没有任何一种感光材料可以直接记录光波的位相，在全息摄影中我们利用光的干涉原理来记录光波的振幅和位相信息。如右图 所示，激光器L发出的激光由分束镜BS将光线一 分为二，透射光线经反射镜M2反射再经过扩束后 照射在被摄物体上，这束光线称为物光(O光)；反 射光线经反射镜M1反射再经过扩束后直接照射在 感光材料上，因而称为参考光(R光)；两束光线在 P处相干并形成干涉条纹，这些条纹记录了物光的 所有振幅和位相信息。数学表达式如下： 物光为： 参考光为： 两光相干后总光强为： 两光相干后总光强的表达式说明全息图中包念着物光的振幅和位相信息，它们全部被记录在感光材料上，并以干涉条纹的形式表现出来。感光材料（全息干板或胶片）经过曝光、显影和定影后，即可得到一张菲涅耳全息图。 2.全息相片的再现过程： 将制作好的全息图放回原处，遮挡住物光( 则透过这张全息图的光强为：)并取走被摄物体，用原参考光照明， 上式中的第二项与原物光光波只相差一个系数R，这说明通过全息图的出射光包含原物光的全部信息。所以我们透过全息图可以看到在原来放置物体的地方有物体的虚像，就像物体没有被取走一样。如右图所示。物体的虚像具 有明显的视差效应，当人们通过全息图观察物体的虚像时， 就像通过一个“窗口”观察真实物体一样，具有强烈的三维 立体感。当人眼在全息图前面左右移动或上下移动时，我们 可以看到物体的不同部位。即使全息干板破损、变小，但原 物光的信息还保存在干涉条纹之中，所以我们通过参考光的 照射同样可以看到物体的虚像，只是大小发生了变化。 【实验内容】（1）在全息干板支架上固定白屏或毛玻璃，调节扩束镜C1使物光均匀地照射在被摄物体上，调节物体的方位使物体漫反射光的最强部分均匀地照射在白屏上。调节扩束镜C2使参考光均匀地照射在整个白屏上。这时物光和参考光在白屏上完全重叠。 （2）完全挡住光源。拿掉全息干板支架上的白屏，换上全息干板，并将药膜面（手感发涩）朝着光的方向安装在全息干板支架上。稳定1 ~ 2min后开始曝光，曝光60秒。 （3）将曝光后的全息干板在暗室内进行常规的显影、停显、定影、水洗、干燥等处理，即可得到一张漫反射的三维全息图。 （4）将冲洗好的全息图放回到干板支架上，拿去被摄物体，挡住物光，用原参考光照明全息图，在其后面观察重现的虚像。我们可以看到在原来放置被摄物体的地方有一虚像，人眼上下左右缓慢地移动，可以看到物体的各个部位。将全息图挡去一部分，观察虚像有何变化。 注意事项：曝光时注意不要碰台面；不要坐着进行实验，以免眼睛灼伤。 【原始数据】 【数据处理】 【实验数据分析】 【思考题】 1. 普通照相与全息照相的区别是什么？ 答：普通的照相利用透镜成像原理，在感光胶片/器件上记录反映被摄物体表面光强变化的表面像，从照片中看到的拍摄物是平面的。 而全息摄影采用激光作为照明光源，并将光源发出的光分为两束，一束直接射向感光片，另一束经被摄物的反射后再射向感光片。两束光在感光片上叠加产生干涉，感光底片上各点的感光程度不仅随强度也随两束光的位相关系而不同，因而全息照相不仅记录了被摄物体的反射光波强度(振幅)，还记录了反射光波的相位信息。用激光照射，人眼透过底片就能看到原来被拍摄物体完全相同的三维立体像。 2. 为什么每一个碎片都能产生完整的像？ 答：全息照相是由单色光（一般用激光）的衍射条纹组成的，每个面积上都记录有“全部信息”。篇二：全息照相实验报告 全息照相实验报告 程子豪 2010035012 少年班01 一、实验目的： 1． 了解全息照相记录和再现的基本原理和主要特点； 2． 学习全息照相的操作技术； 3． 观察和分析全息图的成像特性。 二、实验原理： 2.1全息照相原理的文字表述： 普通照相底片上所记录的图像只反映了物体上各点发光（辐射光或反射光）的强弱变化，显示的只是物体的二维平面像，丧失了物体的三维特征。全息照相则不同，它是借助于相干的参考光束和物光束相互干涉来记录物光振幅和相位的全部信息。这样的照相把物光束的振幅和相位两种信息全部记录下来，因而称为全息照相。 全息照相的基本原理早在1948年就由伽伯（D. Gabor）发现，但是由于受光源的限制（全息照相要求光源有很好的时间相干性和空间相干性），在激光出现以前，对全息技术的研究进展缓慢，在60年代激光出现以后，全息技术得到了迅速的发展。目前，全息技术在干涉计量、信息存储、光学滤波以及光学模拟计算等方面得到了越来越广泛的应用。伽伯也因此而获得了1971年度的诺贝尔物理学奖。 全息照相在记录物光的相位和强度分布时，利用了光的干涉。从光的干涉原理可知：当两束相干光波相遇，发生干涉叠加时，其合强度不仅依赖于每一束光各自的强度，同时也依赖于这两束光波之间的相位差。在全息照相中就是引进了一束与物光相干的参考光，使这两束光在感光底片处发生干涉叠加，感光底片将与物光有关的振幅和位相分别以干涉条纹的反差和条纹的间隔形式记录下来，经过适当的处理，便得到一张全息照片。 具体来说，全息照相包括以下两个过程： 1、波前的全息记录 利用干涉的方法记录物体散射的光波在某一个波前平面上的复振幅分布，这就是波前的全息记录。通过干涉方法能够把物体光波在某波前的位相分布转换成光强分布，从而被照相底片记录下来，因为我们知道，两个干涉光波的振幅比和位相差决定着干涉条纹的强度分布，所以在干涉条纹中就包含了物光波的振幅和位相信息。典型的全息记录过程是这样的：从激光器发出的相干光波被分束镜分成两束，一束经反射、扩束后照在被摄物体上，经物体的反射或透射的光再射到感光底片上，这束光称为物光波；另一束经反射、扩束后直接照射在感光底片上，这束光称为参考光波。由于这两束光是相干的，所以在感光底片上就形成并记录了明暗相间的干涉条纹。干涉条纹的形状和疏密反映了物光的位相分布的情况，而条纹明暗的反差反映了物光的振幅，感光底片上将物光的信息都记录下来了，经过显影、定影处理后，便形成与光栅相似结构的全息图—全息照片。所以全息图不是别的，正是参考光波和物光波干涉图样的记录。显然，全息照片本身和原来物体没有任何相似之处。 2、衍射再现 物光波前的再现利用了光波的衍射。用一束参考光（在大多数情况下是与记录全息图时用的参考光波完全相同）照射在全息图上，就好像在一块复杂光栅上发生衍射，在衍射光波中将包含有原来的物光波，因此当观察者迎着物光波方向观察时，便可看到物体的再现像。这是一个虚像，它具有原始物体的一切特征。此外还有一个实像，称为共轭像。应该指出，共轭波所形成的实像的三维结构与原物并不完全相似。 2.2双曝光全息技术用于微小位移（形变）的测量：图一 双曝光法光路图 （上述文字节选自《利用双曝光全息干涉场测物体微小位移》的） 2.3、像面全息的实验原理： 将物体靠近全息记录介质，或利用成像系统将物体成像在记录介质附近，再引入一束与之相干的参考光束，即可制作像全息图。当物体紧贴记录介质或物体的像跨立在记录介质表面上时，得到的全息图称为像面全息图。因此，像面全息图是像全息图的一种特例。 像面全息图的特点是可以用宽光源和白光再现。对于普通的全息图，当用点光源再现时，物上的一个点的再现像仍是一个像点。若照明光源的线度增大，像的线度也随之增大，从而 产生线模糊。计算表明，记录时物体愈靠近全息图平面，对再现光源的线度要求就愈低。当物体或物体的像位于全息图平面上时。再现光源的线度将不受限制。这就是像面全息图可以 用宽光源再现的原因。全息图可以看成是很多基元全息图的叠加，具有光栅结构。当用白光照明时，再现光的方向因波长而异，故再现像点的位置也随波长而变化，其变化量取决于物体到全息图平面的距离。可见，各波长的再现像将相互错开又交叠在一起，从而使像变得模糊不清，产生色模糊。当全息干板处于离焦位置(即不在成像面上)时，再现像的清晰度将下降。离焦量越大，再现像就越模糊不清。然而，像面全息图的特征，是物体或物体的像位于全息图平面上，因而再现像也位于全息图平面上。此时，即使再现照明光的方向改变，像的位置也不发生变化，只是看起来颜色有所变化罢了。这就是像面全息图可以用白光照明再现的原因所在。 2.4、实验基本条件： 1、一个好的相干光源。全息原理在1948年就已提出，但由于没有合适的光源而难以实现。激光的出现为全息照相提供了一个理想的光源，这是因为激光具有很好的空间相干性和时间相干性。，应尽可能使两光束的光程接近，以使光程差在激光的相干长度内。 2、一个稳定性较好的防震台。由于全息底片上所记录的干涉条纹很细，相 当于波长量级，在照相过程中极小的干扰都会引起干涉条纹的模糊，不能形成全息图，因此要求整个光学系统的稳定性良好。从布拉格法则可知：条纹宽度d????2sin???2?，由此 公式可以估计一下条纹的宽度。当物光与参考光之间的夹角??60?时，??632.8nm， ?m。可见，在记录时条纹或底片移动1 ?m，将不能成功地得到全息图。因则d?0.6328 此在记录过程中，光路中各个光学元件（包括光源和被摄物体）都必须牢牢固定在防震台上。从公式可知，当?角减小时，d增加，抗干扰性增强。但考虑到再现时使衍射光和零级衍射 00光能分得开一些，?角要大于30，一般取45左右。还有适当缩短曝光时间，保持环境安 静都是有利于记录的。 3、高分辨率的感光底片。普通感光底片由于银化合物的颗粒较粗，每毫米只能记录几十至几百条，不能用来记录全息照相的细密干涉条纹，必须采用高分辨率的感光底片 要获得最终的全息图，充分了解和学习感光底片的显影、定影、冲洗等有关摄影的暗室技术知识也是不可缺少的。 三、实验步骤： 3.1、同轴全息照相实验： 1、调节防震台，调节各光学元件的中心等高，，使激光光束大致与实验台平行。 2． 打开He-Ne激光器，摆好光路，使光路系统满足下列要求： （1）物光和参考光的光程大致相等； （2）经扩束镜扩展后的参考光应均匀照在整个底片上，被摄物体各部分也应得到较均匀照明。 （3）使两光束在底片处重叠时之间的夹角范围为15到45度为宜。 （4）在底片处物光和参考光的光强比在合适的范围之内。 3． 关上照明灯（可开暗绿灯），确定曝光时间，调好定时曝光器。可以先练习一下快门的使用。4． 关闭快门挡住激光，将底片从暗室中取出装在底片架上，应注意使乳胶面对着光的入射方向。静置后进行曝光。曝光过程中绝对不准触及防震台，并保持室内安静。 5． 显影及定影。显影液与定影液由实验室提供。显影定影温度以20摄氏度最为适宜。显影时间0.5到1分钟，定影时间3～5分钟。定影后的底片应放在清水中冲洗5～10分钟，晾干。 ‎ ‎ 图2 3.2、双曝光全息术测微小位移： 过程与3.1类似，只是将物体替换为小铁片，将它处于竖直位置及加应力之后偏离竖直位置时的全息图都记录在一块底版上，观察干涉条纹以获取数据。 3.3、像面全息图（白光再现）： 1．选择元件：根据光路图选择合适的光学元件及镜架。 2．调整光路：选择其中一条光路按照光路图拼搭和调整光路。通过移动反射镜调整参 考光的光程，使参考光与物光的光程差接近于零。物光与参考光的夹角不要太大，一般在15到45度之间。全息干板应位于物体的共轭面(即成像面)上。物体像的大小可通过调整物体和全息干板的位置来控制。最好将物体置于两倍焦距处，使之1:1成像。以防止像的失真。 3．调整光束比:根据物体的反射性能，通过调节分束镜，使参考光与物光的光束比为处于一个合适的范围。 4．曝光记录：在暗室中稳定后进行曝光。显影时间0.5到1分钟，定影时间3～5分钟。定影后的底片应放在清水中冲洗5～10分钟，，即得到吸收型像面全息图。 5．漂白处理：为了提高衍射效率，用漂白液进行漂白处理，把黑色部分消除后再稍做浸泡，水洗数分钟后晾干，即得到相位型像面全息图。 图3 四、实验记录与数据分析： 4.1 数据记录 表一 D-19显影液配方注：溶解后加水至1000ml。 注：溶解后加水至1000ml。 篇三：全息照相实验实验 物理与光电工程学院 光电信息技术实验报告 姓名：张皓景 学号：20111359069 班级：光信息科学与技术专业2011级2班实验名称：全息照相实验 任课教师：裴世鑫一、 实验目的 1．了解光学全息照相的基本原理及其主要特点。 2．学习全息照相的拍摄方法和实验技术。 3．了解全息照相再现物像的性质、观察方法。 二、 实验仪器三、 实验装置示意图 45底片 图1 全息照相光路 四、 实验原理 全息照相是一种二步成像的照相技术。第一步采用相干光照明，利用干涉原理，把物体在感光材料（全息干版）处的光波波前纪录下来，称为全息图。第二步利用衍射原理，按一定条件用光照射全息图，原先被纪录的物体光波的波前，就会重新激活出来在全息图后继续传播，就像原物仍在原位发出的一样。需要注意的是我们看到的“物”并不是实际物体，而是与原物完全相同的一个三维像。 1．全息照相的纪录——光的干涉 由光的波动理论知道，光波是电磁波。一列单色波可表示为： x?Acos(?t??? 2?r ? ) （1） 式中，A 为振幅，ω 为圆频率，λ 为波长，φ 为波源的初相位。 ‎ ‎ 一个实际物体发射或反射的光波比较复杂，但是一般可以看成是由许多不同频率的单色光波的叠加： x??Acos(?it??i? i?1 n 2?ri ?i ) （2） 因此，任何一定频率的光波都包含着振幅（A）和位相（ωt+φ-2πr/λ）两大信息。 全息照相的一种实验装置的光路如图（1）所示。激光器射出的激光束通过分光板分成两束，一束经透镜扩束后照射到被摄物体上，再经物体表面反射(或透射)后照射到感光底片(全息干版)上，这部分光叫物光。另一束经反射镜改变光路，再由透镜扩大后直接投射到全息干版上，这部分光称为参考光。由于激光是相干光，物光和参考光在全息底片上叠加，形成干涉条纹。因为从被摄物体上各点反射出来的物光，在振幅上和相位上都不相同，所以底片上各处的干涉条纹也不相同。强度不同使条纹明暗程度不同，相位不同使条纹的密度、形状不同。因此，被摄物体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条纹形式记录下来，经显影、定影等处理后，就得到一张全息照片。这种全息照片和普通照片截然不同，一般在全息照片上只有通过高倍显微镜才能看到明暗程度不同、疏密程度不同的干涉条纹。由于干涉条纹密度很高，所以要求记录介质有较高的分辨率，通常达1000 条线／毫米以上，故不能用普通照相底片拍摄全息图。 2．全息照相的再现——光的衍射 由于全息照相在感光板上纪录的不是被摄物的直接形象，而是复杂的干涉条纹，因此全息照片实际上相当于一个衍射光栅，物象再现的过程实际是光的衍射现象。要看到被摄物体的像，必须用一束同参考光的波长和传播方向完全相同的光束照射全息照片，这束光叫再现光。这样在原先拍摄时放置物体的方向上就能看到与原物形象完全一样的立体虚像。如图2 所示把拍摄好的全息底片放回原光路中，用参考光波照射全息片时，经过底片衍射后有三部分光波射出。 0 级衍射光——它是入射再现光波的衰减。 +1 级衍射光——它是发散光，将形成一个虚像。如果此光波被观察者的眼睛接收，就等于接收了原被摄物发出的光波，因而能看到原物体的再现像。-1级衍射光——它是会聚光，将在与原物点对称的位置上形成物体的再现虚像的共轭实像。3．全息照相原理的数学描述 下面对全息照相原理作一简单的数学描述。设全息底片所在平面为xy 平面，物光在底片上的振动表达式为 图2 E0(x,y)?A0(x,y)cos[?t??0(x,y)] （3） 参考光为 ER(x,y)?AR(x,y)cos[?t??R(x,y)] （4） 为方便起见，采用复数形式表示，写成 E0(x,y)?A0(x,y)ei?0(x,y)ei?t ER(x,y)?AR(x,y)ei?R(x,y)ei?t 对于相干波的叠加，真正起作用的是振幅和相位，常用复振幅来表示，即省去时间相位因 子eiωt，剩下的部分既含振幅，又含随空间变化的相位，把它称为复振幅。于是，在底片 上任一点物光和参考光复振幅分别为 O(x,y)?A0(x,y)ei?0(x,y)（5） R(x,y)?AR(x,y)ei?R(x,y) (6) 相干叠加后的合成光场为 H(x,y)?R(x,y)?O(x,y)‎ ‎ （7） 干涉条纹的光强为 I?HH??[O?R][O??R?](8) 式中为H为H的共轭复数。为使关系式简洁，各量中的x，y 均省略。将上式展开得 ?22 I?A0?AR?A0ARei(?0??R)?A0ARe?i(?0??R) 经简化后上式可简写为 22I?A0?AR?2A0ARcos(?0??R)（9） 这正是干涉条纹光强的表达式。上式表明，光强I（x，y）包含了物光波的全部信息(振幅和相位)。采用适当的两光波强度比，感光底片经曝光并进行线性冲洗后，就得到一张全息照片。 假定用照明光R′（x，y）照射全息图，设再现光在全息图上的复振幅为 R?(x,y)?AR?(x,y)ei?R?(x,y) 如把全息照片看作衍射屏，则透过全息照片后衍射波的复振幅为 U(x,y)?R?(x,y)t(x,y) （10） 式中t（x，y）为全息照片的复振幅透射率，对于经线性处理的全息照片，复振幅透射率与 曝光时的光强成线性关系，即 t(x,y)?t0??I(x,y)（11） 于是，透过全息照片后衍射波的复振幅 U(x,y)?R?(x,y)[t0??I(x,y)] 将I（x，y）值代入得 U?U0?U?1?U?1(12) 式中第一项U0 除了系数（t0+βAo2+βAR2）外，与再现光相同，为零级衍射波，代表照明光的透射波，形成一个背景象，从物光重现的角度来看，可以不予考虑。 第二项U+1 为+1 级衍射波，当再现光和参考光完全相同时，即AR′=AR=AR，φR′=φR， 则+1 级衍射波在全息照片上的复振幅为 U?1??R?R?O??AR?ARe i(?R???R) O??A2O 与原物光只差一个常数因子，实现了原物光的再现。观察者将在原物体所在位置上看到逼真的立体虚像，在不同的角度看到物体不同的侧面。 第三项U-1 为-1 级衍射波，当再现光是参考光时，则-1 级衍射波在全息照片上的复振幅为 U?1??R?R?O??AR?ARei(?R???R)O??A2ei2R?O? 与原物光的共轭波O﹡（x，y）除相差一个常数因子外，还多一个位相因子ei2φR，表示衍射波会聚于以全息照片为对称面的原物体的对称位置上，观察者将在此位置上看到一个实像，在实像中的那些细节与虚像是相反的。《》 全息照相大学物理实验总结