全息照相实验实验报告(全面)

物理与光电工程学院物理与光电工程学院 光电信息技术实验报告光电信息技术实验报告 姓名 张皓景 学号 班级 光信息科学与技术专业 2011 级 2 班 实验名称 全息照相实验全息照相实验 任课教师 裴世鑫 一 一 实验目的实验目的 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 二 实验仪器实验仪器 序号名称数量 1 全息实验台 1 2 He Ne 激光器 1 3 分束镜 1 4 反射镜 2 5 扩束镜 2 6 载物台 1 7 底片夹 1 8 被摄物体 1 9 全息干板 1 10 显影及定影器材 1 三 三 实验装置示意图实验装置示意图 8光开关 激 光 器 6全反镜 2全反镜 1分束器 7扩束镜 3扩束镜 5底片 4被摄物 图 1 全息照相光路 四 四 实验原理实验原理 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 全息照相的纪录 光的干涉光的干涉 由光的波动理论知道 光波是电磁波 一列单色波可表示为 1 2 cos t r xA 式中 A 为振幅 为圆频率 为波长 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 2 1 2 cos t n i ii i i r xA 因此 任何一定频率的光波都包含着振幅 A 和位相 t 2 r 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 2 全息照相的再现 全息照相的再现 光的衍射光的衍射 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 底片 参考光 实像 虚像 观察方向 图 2 3 全息照相原理的数学描述 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 3 000 x y x y cos t x y EA 参考光为 4 x y x y cos t x y RRR EA 为方便起见 采用复数形式表示 写成 0 x y 00 x y x y ei i t EAe x y x y x y e R ii t RR EAe 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ei t 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 5 0 x y 0 x y A x y eiO 6 x y R x y A x y e R i R 相干叠加后的合成光场为 7 H x y x y O x y R 干涉条纹的光强为 8 O R OR IHH 式中为为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H 00 22 000 RR ii RRR IAAA A eA A e 经简化后上式可简写为 9 22 000 2cos RRR IAAA A 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 x y x y A x y ei R R R 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 x y R x y t x y U 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 0 x y t x y tI 11 于是 透过全息照片后衍射波的复振幅 0 x y R x y t x y UI 将I x y 值代入得 12 011 UUUU 式中第一项U0 除了系数 t0 Ao2 AR2 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 R R 则 1 级衍射波在全息照片上的复振幅为 2 1 RR i RR UR R OA A eOA O 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 22 1 RR ii R RR UR R OA A eOA eO 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ei2 R 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 4 全息照相的特点 全息照相的特点 全息照相应用了光的干涉 衍射原理 记录了光波的全部信息 因此全息照片再现 的被摄物形象是完全逼真的三维立体形象 全息照片可以分割 因为全息照片上每一点纪录的干涉图像是由物体所有点漫射来 的光与参考光相干涉而成的 所以打碎的全息照片仍能再现出原被摄物的全部形象 一张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参考光束 也可以 改变底片的角度拍摄多次 在全息照片的不同角度就会出现不同图像 再现时只要适当转 动全息照片即可 全息照片没有正负之分 因此易于复制 复制照片再现出来的像仍然和原来照片的 再现像一样 全息照片的再现像可放大或缩小 当用不同波长的激光照射全息照片时 由于拍摄 时所用的激光波长不同 再现像就会放大或缩小 5 全息照相的实验要求 要有足够稳定的系统即全息实验台的防震性能要好 在全息照相时 物光和参考光 相干涉形成的干涉条纹密度达每毫米近千条或更高 如果物光波和参考光波稍有抖动 就 会造成干涉图样模糊不清 因此要求全息平台有很好的抗震性能 同时采取一些必要的减 震措施 如在平台支座上加减振器 充气轮胎 沙箱等 对全息台上的光学元件需进行仔 细检查 看是否牢固 在曝光过程中身体任何部位都不要触及全息台 避免高声谈话 更 不要在室内随意走动 开关门 窗等 以确保干涉条纹无漂移 要有好的相干光源 一般采用He Ne 激光器作为光源 同时要求物光波和参考光波 的光程尽量相等 光程差尽量小 以保证物光波和参考光波具有良好的相干性 物光和参考光的光强比要合适 一般选择Io IR 1 4 1 10 为宜 两者间的夹角30 左右 不宜超过40 因为夹角越大 干涉条纹间距越小 条纹越密 对全息底片分辨率的 要求也越高 五 五 实验步骤实验步骤 1 全息照相光路调整 按图 1 所示光路安排各光学元件 并作如下调整 使各元件基本等高 在底片架 上夹一块白屏 使参考光均匀照在白屏上 入射光均匀照亮被摄物体 且其漫反射光能照 射到白屏上 调节两束光夹角约为 30 使物光和参考光的光程大致相等 可分别挡住 物光和参考光调节其光强比约 1 4 1 10 两光束有足够大的重叠区 所有光学元件 必须通过磁钢与平台保持稳定 2 全息照片的记录 拿下白屏 关掉激光器 或在输出镜前用一挡光板挡住光束 在底片夹上装夹全息干版 注意使底片的药膜面对着物光和参考光 稍等片刻 约 1 2 min 待系统稳定后 根据实 验室提供的参考曝光时间 打开激光器 或移开挡光板 进行曝光 然后关闭激光器 取下 底片待处理 注意切勿再使底片曝光 3 照相底片的冲洗 取下曝光后的底片 用清水打湿 放入显影液一分钟左右 取出在暗绿灯下观察 发现 有显影时 用清水冲洗 再放入定影液中 定影 5 15 分钟 取出用流水冲洗 3 5 分钟 使多余的银粒冲去 再用电吹风吹干 在白炽灯下观察是否有彩带 如有彩带说明拍摄成 功 4 全息照片的再现观察 用经扩束后的激光沿原参考光入射方向照明全息图