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》的论文）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2sin2d，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，nm8.632，则md6328.0。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光能分得开一些，角要大于300，一般取450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23.2、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显影液配方成分用量作用温水（50℃）800ml米吐尔2g显影剂（快速还原，显像较软）无水亚硫酸钠90g保护剂（防止药液氧化）对苯二酚8g显影剂（慢速显影，显影较硬）无水硫酸钠48g促进剂溴化钾5g抑制剂（防止产生灰雾）注：溶解后加水至1000ml。表二F-5定影液配方成分用量作用温水（60℃-70℃）600ml硫代硫酸钠240g定影（溶去未感光的溴化银）无水亚硫酸钠15g保护剂（使硫代硫酸钠遇酸不分解）醋酸45ml停显剂（中和显影液，以停止显影）硼酸8g坚膜剂（使乳剂药膜坚固）硫酸铝钾矾15g抑制剂（防止亚硫酸铝沉淀产生）注：溶解后加水至1000ml。表三漂白剂配方成分重铬酸铵浓硫酸溴化钾水用量20g14ml92g1000ml表四全息照相（及双曝光全息测微小位移）实验数据（请结合图2）分束镜全反镜M179.0cm物光光程113.6cm全反镜M1物体23.1cm物体感光底版11.5cm分束镜全反镜M238.0cm参考光光程113.6cm全反镜M2感光底版75.6cm室温20.2℃显影时间1min定影时间3min曝光时间2sHe-Ne激光器波长632.8nm表五白光再现像面全息实验数据（请结合图3）分束镜全反镜M117.2cm物光光程136.1cm全反镜M1物体74.1cm物体感光底版44.8cm分束镜全反镜M276.1cm参考光光程136.1cm全反镜M2感光底版60.0cm室温23.6℃显影时间30s定影时间3min曝光时间2sHe-Ne激光器波长632.8nm4.2实验掠影按照图2搭建的光路全息照相双曝光全息法测微小位移白光再现像面全息4.3实验结果分析：4.3.1对全息照相实验的分析：一、系统稳定性对实验结果的影响：由于全息图上所记录的是参考光和物光的干涉条纹,而这些条纹非常细,在曝光过程中,极小的振动和位移都会引起干涉条纹的模糊不清,甚至使干涉条纹完全不能记录下来。二、光路对实验结果的影响：(1)参考光和物光的光程差的影响。参考光和物光的光程差不能太大,不能大于所用激光的相干长度,否则两者不能相干,无法在全息干板上获得干涉条纹。(2)参考光和物光的夹角的影响。假如全息干板上干涉条纹的间距为d,光源波长为λ。根据干涉原理,d与参考光和物光之间的夹角θ有关d=λ/2sin(θ/2),而干板分辨率η与d有关η=1/d=2sin(θ/2)/λ。可以看出,θ角愈大,所记录的干涉条纹就越细,对干板的分辨率要求越高,故夹角θ不能太大。而夹角θ对全息图再现象时的观察窗(视角)有影响,夹角大,可在较大范围内从不同角度观察物象,反之,观察窗则小,因此夹角θ也不能太小。(3)参考光和物光的光强比的影响。全息照相是物光与参考光的双光束干涉.对于一般双光束干涉来说,如果2束光的光强相同,干涉条纹可得到最大的对比度,这对一般线性接受元件是合适的。而对全息照相的记录介质来说,曝光量(T)和振幅(H)透过率的特性曲线是非线性的,在曲线两端发生奇变,如下图所示,产生较高阶的衍射光,使衍射效率降低。干板的曝光特性另一方面,当物光比参考光强,斑纹比较显著,产生较大量的晕轮光围绕零级衍射光,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夹持位置偏差大,以及把有药面的一面与玻璃面放反,都会造成实验的失败。三、曝光与显影对实验结果的影响(1)曝光时间的影响。如果曝光时间太短,底板上条纹太浅甚至没有,复杂的衍射光栅无法形成,当然也就无法再现像。若曝光时间太长,底板可能太黑,光线的透过率降低。另外,曝光时间越长,保持系统稳定性越难,曝光时间内突然的躁声和振动会使拍摄失败[。(2)显影时间的影响。显影的程度是否适当对全息图质量影响很大。若显影时间太长,全息干板发黑,光线的透射率降低,无法再现像;而显影时间太短,干板上条纹不能出现,无法形成复杂的衍