激光全息照相实验-2

激光全息照相实验教学目的：1．了解全息照相的发展过程及应用,比较全息照相与普通照相的区别；2．掌握全息照相的原理和特点；3．学习全息照相的拍摄方法和观察再现全息图。重难点：1．漫反射-体积全息的实验光路调试；2．全息干板的正确冲洗。教学方法：讲授、讨论、实验演示相结合。3个学时一、前言全息照相的基本原理是以光波的干涉和衍射为基础的,1948年物理学家伽伯(D1Gabor)首先提出一种无透镜两步成像法,称做波前再现或全息术,1964年利思(Lefth)等成功地获得三维图象的全息照片。1960年激光器的问世促进了全息术的发展,成为科学技术上一个崭新的领域。激光全息摄影技术正飞速发展,并在干涉计量学、无损检测、信息处理、遥感技术、生物医学、国防工程等科技领域获得广泛的应用,有着广阔的发展前景。目前全息技术的应用已涉及到各个领域：军事上模拟真实目标，进行驾驶训练；艺术上可以复制历史文物，制作全息首饰、全息肖像、全息风景；工业上制作防伪商标；科学上用于全息干涉计量、测量诊断技术等。全息图记录了物光波的全部信息,再现时可看到一个逼真的三维图象,立体感强。全息图上的每一点都携带有被摄物的全部信息,全息摄影图具有可分割性,分割后的每一小块干板都可再现完整的物体象。一张全息干板可重叠摄制多个全息图。二、实验仪器全息平台及其光学附件，He-Ne激光器，曝光定时器，Ⅰ型全息干板，暗室设备。三、实验原理(1)人眼视物的简单机理光是电磁波,在光波中产生感光作用和生理作用的是电场强度E0.一列单色光波可表示为E=E0cos(ωt-2πrΠλ+φ0)物体上的每一点都向空间各个方向发出光波:透射波、反射波、散射波等,统称为物波.物波携带着物体的信息,如颜色、明暗、凹凸等.这些信息在物波的函数中用频率f(ω=2πf)、振幅E0、相位(ωt-2πΠλ+φ0)表示.人眼之所以能看到物体,是因为人眼接受到物体各部分所发出的物波.物波所能到达的任一点,都包含有物体上各部分所有的信息,所以尽管眼睛的瞳孔直径很小,却仍能观察到物体的全貌.如果能将物波保存下来,即使物体不存在了,只要物波还在,人们仍能看到物体.用照相的办法就可以保存物波.但普通照相只能存储物波中振幅的信息,丢失了相位的信息.全息照相则能把物波的全部信息存储起来.(2)普通照相及其缺陷光可以引起照相底片(感光材料)上乳胶层的化学变化,而且这化学变化的深度随入射光的强度增大而增大.因而照相底片可以“感受”(记录)光强的分布,不同的光强在底片上反映为不同的浓淡;但是底片不能“感受”相位的分布,不同的相位在底片上并无区别.基于几何光学成像原理的普通照相,是通过照相机镜头使物体成像于底片上,底片只记录了光强(振幅)分布,反映了物体各部分的明暗.而对相位的差别则不能分辨,也就无法反映物体表面的凹凸和距底片的远近,从而失去了立体感.(3)全息照相的物理思想普通照相所不能记录的相位分布在全息照相中是如何被记录的?它的创造性的思想就是:把感光材料所不能“感受”的相位分布,利用光的干涉现象,使之转化为底片能记录的光强分布.具体地说,把来自物体的光波称为物光(O光),再引入一束与之相干的参考光(R光),让参考光和物光同时照在底片上.在底片上的各点处,R光相位都相同,而O光的相位不相同,从而O光与R光在各处的相位差也不同,经干涉后各处的条纹亮暗程度就不同.这样底片就可以在记录下物光振幅分布的同时,也记录下了其相位分布,即记录下了物光的全部信息,这就是全息照相的重要物理思想.本实验就是从实践上实现这一物理思想的.(4)全息照相的实验过程全息照相包含两个过程：1．全息照相的记录——光的干涉拍摄全息照片的光路如图2所示，相干性极好的氦氖激光器发出激光束，经分束镜被分成两束光，透射的一束光经反射镜(2)和扩束镜射向被摄物体上。再经物体表面漫反射后到达全息干版上，这束光称为物光；反射的一束光经反射镜(6)和扩束镜直接均匀地射向全息干版上，这束光称为参考光。参考光和物光在全息干版上叠加便产生了干涉现象，在这种干涉场中的全息干版经曝光、显影和定影等处理，就将被摄物体的全部信息——振幅和相位的分布状况以干涉条纹的形式全部记录下来。所得到的全息图显然是一组复杂而不规则的干涉图样。2．全息照相的再现——光的衍射由于全息干版上记录的并不是物体的几何图样，因而直接观察只能看到许多明暗不同的条纹、小环和斑点等干涉图样，要看到原来物体的像，必须使全息图再现原来物体发出的光波，这个过程就称全息图的再现过程，它所利用的是光栅衍射原理。图1全息图的再现再现过程的观察光路如图1所示，一束从特定方向或与原来参考光方向相同的激光束(通常称为再现光)照射全息图，全息图上每一组干涉条纹相当于一个复杂的光栅，按光栅衍射原理，再现光将发生衍射，其+1级衍射光是发散光，与物体在原来位置时发出的光波完全一样，将形成一个虚像，与原物体完全相同，称为真像；-1级衍射光是会聚光，将形成一个共轭实像；称为膺像。当沿着衍射方向透过全息图朝原来被摄物的方位观察时，就可以看到那个逼真的三维立体图像(虚像)。四、实验内容与步骤1．检查全息平台的稳定性因为全息底板上记录的干涉条纹间距很小，如果全息底片在曝光过程中条纹移动超过半个条纹的宽度，就不能形成全息图；条纹移动小于半个条纹宽度，全息图像虽然可以形成，但清晰度会受到影响。物光与参考光夹角份越大，条纹的间距就越小，曝光过程中所受到的限制也就越大。可搭一个迈克尔逊干涉仪光路，如获得稳定的干涉条纹，说明工作台已处于稳定的可拍摄全息照片的状态。2．调整光路按图2所示光路布置各光学元件，调节时要注意；(1)调整光学元件支架，使光路中各光学元件的光学中心共轴。(2)沿光路前后移动扩束镜的位置，使扩束后的光均匀照亮被摄物体和全息干版，光斑不能太大，以免浪费能量。(3)物光和参考光的光程差要尽量小，一般常使两者光程大致相等。注意：被摄物体离全息干版的距离不能太远(约10cm)。（4）物光和参考光束间的夹角在30°—45°之间为宜。(5)物光和参考光的光强比要合适．一般取1：2到1：5的光强比。图2全息照相光路图3．曝光调好光路后，选择预定的曝光时间(由实验条件来定)，然后关闭光开关，在暗绿灯下将全息干版安装在照相框架上，药膜面向着被摄物体，放好底片后稍等1分钟，待整个系统稳定后开始曝光(在曝光过程中，切勿走动，保持安静，以保证干涉条纹无漂移)。4．冲洗将曝光后的全息干版取下，在显影液中显影。在1min左右显出曝光区和未曝光区的黑白界限较佳。显影时只能在暗绿灯下观看。停止显影后经水洗，再放入定影液中定影5~10min，然后用水漂洗，晾干后即成为全息照片。5．全息图的再现观察（观察方法见教材）虚像观察：判别再现虚象的视角范围大小与观察者离全息照相距离和全息照相尺寸的关系。（注意感光药膜面应向着再现光束）。五、注意事项1．各种光学镜面严禁用手触摸；2．实验过程中切忌用眼睛直视激光束，以免损伤视网膜；3．各组应在相同时间统一暴光，以避免相互干扰，暴光时不能走动，说话及任何振动，以提高拍摄成功率；4.冲洗干板时应严格遵守暗房操作规程六、教学后记1．影响本实