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1、 全息照相大學物理實驗總結撰寫人：_部 門：_全息照相大學物理實驗總結篇一：物理實驗-全息照相-實驗報告物理 實 驗 報 告班 級_信工C班_組 別_D_姓 名_李鈴_學 號_1111000048_日 期_xx.3.6_指導教師_張波_【實驗題目】_全息照相【實驗目的】1.了解全息攝影的基本原理、實驗裝置以及實驗方法； 2.掌握激光全息攝影和激光再現(xiàn)的實驗技術； 3.通過觀察全息圖像的再現(xiàn)，弄清全息照片和普通照片的本質區(qū)別【實驗儀器】防震全息臺，氦氖激光器，擴束透鏡，分束棱鏡（或分束板），反射鏡，毛玻璃屏，調節(jié)支架，米尺，計時器，照相沖洗設備等?！緦嶒炘怼咳z影采用激光作為照明光源，并將光

2、源發(fā)出的光分為兩束，一束直接射向感光片，另一束經被攝物的反射后再射向感光片。兩束光在感光片上疊加產生干涉，感光底片上各點的感光程度不僅隨強度也隨兩束光的位相關系而不同。所以全息攝影不僅記錄了物體上的反光強度，也記錄了位相信息。人眼直接去看這種感光的底片，只能看到像指紋一樣的干涉條紋，但如果用激光去照射它，人眼透過底片就能看到原來被拍攝物體完全相同的三維立體像。全息圖種類很多，有菲涅耳圖、夫瑯和費圖、傅立葉變換全息圖、彩虹全息圖、像全息圖、體積全息圖等。不管哪種全息圖都要分成兩步來完成，即用干涉法記錄光波全息圖，稱波前記錄；用衍射原理使原光波波前再現(xiàn)，稱波前再現(xiàn)。1.全息照相的過程物體發(fā)出的包含

3、振幅和位相信息的光可以用下式表示：其中：信息，而位相信息為振幅， 為位相。普通攝影只能記錄物體光波的振幅全部丟失，因此照片沒有立體感。數(shù)學表達式為：實際上沒有任何一種感光材料可以直接記錄光波的位相，在全息攝影中我們利用光的干涉原理來記錄光波的振幅和位相信息。如右圖所示，激光器L發(fā)出的激光由分束鏡BS將光線一分為二，透射光線經反射鏡M2反射再經過擴束后照射在被攝物體上，這束光線稱為物光(O光)；反射光線經反射鏡M1反射再經過擴束后直接照射在感光材料上，因而稱為參考光(R光)；兩束光線在P處相干并形成干涉條紋，這些條紋記錄了物光的所有振幅和位相信息。數(shù)學表達式如下：物光為：參考光為：兩光相干后總光

4、強為：兩光相干后總光強的表達式說明全息圖中包念著物光的振幅和位相信息，它們全部被記錄在感光材料上，并以干涉條紋的形式表現(xiàn)出來。感光材料（全息干板或膠片）經過曝光、顯影和定影后，即可得到一張菲涅耳全息圖。2.全息相片的再現(xiàn)過程：將制作好的全息圖放回原處，遮擋住物光(則透過這張全息圖的光強為：)并取走被攝物體，用原參考光照明，上式中的第二項與原物光光波只相差一個系數(shù)R，這說明通過全息圖的出射光包含原物光的全部信息。所以我們透過全息圖可以看到在原來放置物體的地方有物體的虛像，就像物體沒有被取走一樣。如右圖所示。物體的虛像具有明顯的視差效應，當人們通過全息圖觀察物體的虛像時，就像通過一個“窗口”觀察真

5、實物體一樣，具有強烈的三維立體感。當人眼在全息圖前面左右移動或上下移動時，我們可以看到物體的不同部位。即使全息干板破損、變小，但原物光的信息還保存在干涉條紋之中，所以我們通過參考光的照射同樣可以看到物體的虛像，只是大小發(fā)生了變化?！緦嶒瀮热荨浚?）在全息干板支架上固定白屏或毛玻璃，調節(jié)擴束鏡C1使物光均勻地照射在被攝物體上，調節(jié)物體的方位使物體漫反射光的最強部分均勻地照射在白屏上。調節(jié)擴束鏡C2使參考光均勻地照射在整個白屏上。這時物光和參考光在白屏上完全重疊。（2）完全擋住光源。拿掉全息干板支架上的白屏，換上全息干板，并將藥膜面（手感發(fā)澀）朝著光的方向安裝在全息干板支架上。穩(wěn)定1 2min后開

6、始曝光，曝光60秒。（3）將曝光后的全息干板在暗室內進行常規(guī)的顯影、停顯、定影、水洗、干燥等處理，即可得到一張漫反射的三維全息圖。（4）將沖洗好的全息圖放回到干板支架上，拿去被攝物體，擋住物光，用原參考光照明全息圖，在其后面觀察重現(xiàn)的虛像。我們可以看到在原來放置被攝物體的地方有一虛像，人眼上下左右緩慢地移動，可以看到物體的各個部位。將全息圖擋去一部分，觀察虛像有何變化。注意事項：曝光時注意不要碰臺面；不要坐著進行實驗，以免眼睛灼傷?！驹紨?shù)據(jù)】【數(shù)據(jù)處理】【實驗數(shù)據(jù)分析】【思考題】1. 普通照相與全息照相的區(qū)別是什么？答：普通的照相利用透鏡成像原理，在感光膠片/器件上記錄反映被攝物體表面光強變

7、化的表面像，從照片中看到的拍攝物是平面的。而全息攝影采用激光作為照明光源，并將光源發(fā)出的光分為兩束，一束直接射向感光片，另一束經被攝物的反射后再射向感光片。兩束光在感光片上疊加產生干涉，感光底片上各點的感光程度不僅隨強度也隨兩束光的位相關系而不同，因而全息照相不僅記錄了被攝物體的反射光波強度(振幅)，還記錄了反射光波的相位信息。用激光照射，人眼透過底片就能看到原來被拍攝物體完全相同的三維立體像。2. 為什么每一個碎片都能產生完整的像？答：全息照相是由單色光（一般用激光）的衍射條紋組成的，每個面積上都記錄有“全部信息”。篇二：全息照相實驗報告全息照相實驗報告程子豪 xx035012 少年班01一

8、、實驗目的：1 了解全息照相記錄和再現(xiàn)的基本原理和主要特點；2 學習全息照相的操作技術；3 觀察和分析全息圖的成像特性。二、實驗原理：2.1全息照相原理的文字表述：普通照相底片上所記錄的圖像只反映了物體上各點發(fā)光（輻射光或反射光）的強弱變化，顯示的只是物體的二維平面像，喪失了物體的三維特征。全息照相則不同，它是借助于相干的參考光束和物光束相互干涉來記錄物光振幅和相位的全部信息。這樣的照相把物光束的振幅和相位兩種信息全部記錄下來，因而稱為全息照相。全息照相的基本原理早在1948年就由伽伯（D. Gabor）發(fā)現(xiàn)，但是由于受光源的限制（全息照相要求光源有很好的時間相干性和空間相干性），在激光出現(xiàn)以

9、前，對全息技術的研究進展緩慢，在60年代激光出現(xiàn)以后，全息技術得到了迅速的發(fā)展。目前，全息技術在干涉計量、信息存儲、光學濾波以及光學模擬計算等方面得到了越來越廣泛的應用。伽伯也因此而獲得了1971年度的諾貝爾物理學獎。全息照相在記錄物光的相位和強度分布時，利用了光的干涉。從光的干涉原理可知：當兩束相干光波相遇，發(fā)生干涉疊加時，其合強度不僅依賴于每一束光各自的強度，同時也依賴于這兩束光波之間的相位差。在全息照相中就是引進了一束與物光相干的參考光，使這兩束光在感光底片處發(fā)生干涉疊加，感光底片將與物光有關的振幅和位相分別以干涉條紋的反差和條紋的間隔形式記錄下來，經過適當?shù)奶幚?，便得到一張全息照片?

10、具體來說，全息照相包括以下兩個過程：1、波前的全息記錄利用干涉的方法記錄物體散射的光波在某一個波前平面上的復振幅分布，這就是波前的全息記錄。通過干涉方法能夠把物體光波在某波前的位相分布轉換成光強分布，從而被照相底片記錄下來，因為我們知道，兩個干涉光波的振幅比和位相差決定著干涉條紋的強度分布，所以在干涉條紋中就包含了物光波的振幅和位相信息。典型的全息記錄過程是這樣的：從激光器發(fā)出的相干光波被分束鏡分成兩束，一束經反射、擴束后照在被攝物體上，經物體的反射或透射的光再射到感光底片上，這束光稱為物光波；另一束經反射、擴束后直接照射在感光底片上，這束光稱為參考光波。由于這兩束光是相干的，所以在感光底片上

11、就形成并記錄了明暗相間的干涉條紋。干涉條紋的形狀和疏密反映了物光的位相分布的情況，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了，經過顯影、定影處理后，便形成與光柵相似結構的全息圖全息照片。所以全息圖不是別的，正是參考光波和物光波干涉圖樣的記錄。顯然，全息照片本身和原來物體沒有任何相似之處。2、衍射再現(xiàn)物光波前的再現(xiàn)利用了光波的衍射。用一束參考光（在大多數(shù)情況下是與記錄全息圖時用的參考光波完全相同）照射在全息圖上，就好像在一塊復雜光柵上發(fā)生衍射，在衍射光波中將包含有原來的物光波，因此當觀察者迎著物光波方向觀察時，便可看到物體的再現(xiàn)像。這是一個虛像，它具有原始物體的一切特征

12、。此外還有一個實像，稱為共軛像。應該指出，共軛波所形成的實像的三維結構與原物并不完全相似。2.2雙曝光全息技術用于微小位移（形變）的測量：圖一 雙曝光法光路圖（上述文字節(jié)選自利用雙曝光全息干涉場測物體微小位移的）2.3、像面全息的實驗原理：將物體靠近全息記錄介質，或利用成像系統(tǒng)將物體成像在記錄介質附近，再引入一束與之相干的參考光束，即可制作像全息圖。當物體緊貼記錄介質或物體的像跨立在記錄介質表面上時，得到的全息圖稱為像面全息圖。因此，像面全息圖是像全息圖的一種特例。像面全息圖的特點是可以用寬光源和白光再現(xiàn)。對于普通的全息圖，當用點光源再現(xiàn)時，物上的一個點的再現(xiàn)像仍是一個像點。若照明光源的線度增

13、大，像的線度也隨之增大，從而產生線模糊。計算表明，記錄時物體愈靠近全息圖平面，對再現(xiàn)光源的線度要求就愈低。當物體或物體的像位于全息圖平面上時。再現(xiàn)光源的線度將不受限制。這就是像面全息圖可以用寬光源再現(xiàn)的原因。全息圖可以看成是很多基元全息圖的疊加，具有光柵結構。當用白光照明時，再現(xiàn)光的方向因波長而異，故再現(xiàn)像點的位置也隨波長而變化，其變化量取決于物體到全息圖平面的距離?？梢?，各波長的再現(xiàn)像將相互錯開又交疊在一起，從而使像變得模糊不清，產生色模糊。當全息干板處于離焦位置(即不在成像面上)時，再現(xiàn)像的清晰度將下降。離焦量越大，再現(xiàn)像就越模糊不清。然而，像面全息圖的特征，是物體或物體的像位于全息圖平面

14、上，因而再現(xiàn)像也位于全息圖平面上。此時，即使再現(xiàn)照明光的方向改變，像的位置也不發(fā)生變化，只是看起來顏色有所變化罷了。這就是像面全息圖可以用白光照明再現(xiàn)的原因所在。2.4、實驗基本條件：1、一個好的相干光源。全息原理在1948年就已提出，但由于沒有合適的光源而難以實現(xiàn)。激光的出現(xiàn)為全息照相提供了一個理想的光源，這是因為激光具有很好的空間相干性和時間相干性。，應盡可能使兩光束的光程接近，以使光程差在激光的相干長度內。2、一個穩(wěn)定性較好的防震臺。由于全息底片上所記錄的干涉條紋很細，相當于波長量級，在照相過程中極小的干擾都會引起干涉條紋的模糊，不能形成全息圖，因此要求整個光學系統(tǒng)的穩(wěn)定性良好。從布拉格

15、法則可知：條紋寬度d2sin2，由此公式可以估計一下條紋的寬度。當物光與參考光之間的夾角60時，632.8nm，m?？梢姡谟涗洉r條紋或底片移動1 m，將不能成功地得到全息圖。因則d0.6328此在記錄過程中，光路中各個光學元件（包括光源和被攝物體）都必須牢牢固定在防震臺上。從公式可知，當角減小時，d增加，抗干擾性增強。但考慮到再現(xiàn)時使衍射光和零級衍射00光能分得開一些，角要大于30，一般取45左右。還有適當縮短曝光時間，保持環(huán)境安靜都是有利于記錄的。3、高分辨率的感光底片。普通感光底片由于銀化合物的顆粒較粗，每毫米只能記錄幾十至幾百條，不能用來記錄全息照相的細密干涉條紋，必須采用高分辨率的感

16、光底片要獲得最終的全息圖，充分了解和學習感光底片的顯影、定影、沖洗等有關攝影的暗室技術知識也是不可缺少的。三、實驗步驟：3.1、同軸全息照相實驗：1、調節(jié)防震臺，調節(jié)各光學元件的中心等高，使激光光束大致與實驗臺平行。2 打開He-Ne激光器，擺好光路，使光路系統(tǒng)滿足下列要求：（1）物光和參考光的光程大致相等；（2）經擴束鏡擴展后的參考光應均勻照在整個底片上，被攝物體各部分也應得到較均勻照明。（3）使兩光束在底片處重疊時之間的夾角范圍為15到45度為宜。（4）在底片處物光和參考光的光強比在合適的范圍之內。3 關上照明燈（可開暗綠燈），確定曝光時間，調好定時曝光器。可以先練習一下快門的使用。4 關

17、閉快門擋住激光，將底片從暗室中取出裝在底片架上，應注意使乳膠面對著光的入射方向。靜置后進行曝光。曝光過程中絕對不準觸及防震臺，并保持室內安靜。5 顯影及定影。顯影液與定影液由實驗室提供。顯影定影溫度以20攝氏度最為適宜。顯影時間0.5到1分鐘，定影時間35分鐘。定影后的底片應放在清水中沖洗510分鐘，晾干。圖23.2、雙曝光全息術測微小位移：過程與3.1類似，只是將物體替換為小鐵片，將它處于豎直位置及加應力之后偏離豎直位置時的全息圖都記錄在一塊底版上，觀察干涉條紋以獲取數(shù)據(jù)。3.3、像面全息圖（白光再現(xiàn)）：1選擇元件：根據(jù)光路圖選擇合適的光學元件及鏡架。2調整光路：選擇其中一條光路按照光路圖拼

18、搭和調整光路。通過移動反射鏡調整參 考光的光程，使參考光與物光的光程差接近于零。物光與參考光的夾角不要太大，一般在15到45度之間。全息干板應位于物體的共軛面(即成像面)上。物體像的大小可通過調整物體和全息干板的位置來控制。最好將物體置于兩倍焦距處，使之1:1成像。以防止像的失真。3調整光束比:根據(jù)物體的反射性能，通過調節(jié)分束鏡，使參考光與物光的光束比為處于一個合適的范圍。4曝光記錄：在暗室中穩(wěn)定后進行曝光。顯影時間0.5到1分鐘，定影時間35分鐘。定影后的底片應放在清水中沖洗510分鐘，即得到吸收型像面全息圖。5漂白處理：為了提高衍射效率，用漂白液進行漂白處理，把黑色部分消除后再稍做浸泡，水

19、洗數(shù)分鐘后晾干，即得到相位型像面全息圖。圖3四、實驗記錄與數(shù)據(jù)分析：4.1 數(shù)據(jù)記錄表一 D-19顯影液配方注：溶解后加水至1000ml。注：溶解后加水至1000ml。篇三：全息照相實驗實驗物理與光電工程學院光電信息技術實驗報告姓名：張皓景 學號：xx1359069班級：光信息科學與技術專業(yè)xx級2班實驗名稱：全息照相實驗 任課教師：裴世鑫一、 實驗目的1了解光學全息照相的基本原理及其主要特點。 2學習全息照相的拍攝方法和實驗技術。 3了解全息照相再現(xiàn)物像的性質、觀察方法。二、 實驗儀器三、 實驗裝置示意圖45底片圖1 全息照相光路四、 實驗原理全息照相是一種二步成像的照相技術。第一步采用相干

20、光照明，利用干涉原理，把物體在感光材料（全息干版）處的光波波前紀錄下來，稱為全息圖。第二步利用衍射原理，按一定條件用光照射全息圖，原先被紀錄的物體光波的波前，就會重新激活出來在全息圖后繼續(xù)傳播，就像原物仍在原位發(fā)出的一樣。需要注意的是我們看到的“物”并不是實際物體，而是與原物完全相同的一個三維像。 1全息照相的紀錄光的干涉由光的波動理論知道，光波是電磁波。一列單色波可表示為：xAcos(t2r) （1）式中，A 為振幅， 為圓頻率， 為波長， 為波源的初相位。一個實際物體發(fā)射或反射的光波比較復雜，但是一般可以看成是由許多不同頻率的單色光波的疊加：xAcos(itii1n2rii) （2）因此，

21、任何一定頻率的光波都包含著振幅（A）和位相（t+-2r/）兩大信息。 全息照相的一種實驗裝置的光路如圖（1）所示。激光器射出的激光束通過分光板分成兩束，一束經透鏡擴束后照射到被攝物體上，再經物體表面反射(或透射)后照射到感光底片(全息干版)上，這部分光叫物光。另一束經反射鏡改變光路，再由透鏡擴大后直接投射到全息干版上，這部分光稱為參考光。由于激光是相干光，物光和參考光在全息底片上疊加，形成干涉條紋。因為從被攝物體上各點反射出來的物光，在振幅上和相位上都不相同，所以底片上各處的干涉條紋也不相同。強度不同使條紋明暗程度不同，相位不同使條紋的密度、形狀不同。因此，被攝物體反射光中的全部信息都以不同明

22、暗程度和不同疏密分布的干涉條紋形式記錄下來，經顯影、定影等處理后，就得到一張全息照片。這種全息照片和普通照片截然不同，一般在全息照片上只有通過高倍顯微鏡才能看到明暗程度不同、疏密程度不同的干涉條紋。由于干涉條紋密度很高，所以要求記錄介質有較高的分辨率，通常達1000 條線毫米以上，故不能用普通照相底片拍攝全息圖。 2全息照相的再現(xiàn)光的衍射由于全息照相在感光板上紀錄的不是被攝物的直接形象，而是復雜的干涉條紋，因此全息照片實際上相當于一個衍射光柵，物象再現(xiàn)的過程實際是光的衍射現(xiàn)象。要看到被攝物體的像，必須用一束同參考光的波長和傳播方向完全相同的光束照射全息照片，這束光叫再現(xiàn)光。這樣在原先拍攝時放置

23、物體的方向上就能看到與原物形象完全一樣的立體虛像。如圖2 所示把拍攝好的全息底片放回原光路中，用參考光波照射全息片時，經過底片衍射后有三部分光波射出。0 級衍射光它是入射再現(xiàn)光波的衰減。+1 級衍射光它是發(fā)散光，將形成一個虛像。如果此光波被觀察者的眼睛接收，就等于接收了原被攝物發(fā)出的光波，因而能看到原物體的再現(xiàn)像。-1級衍射光它是會聚光，將在與原物點對稱的位置上形成物體的再現(xiàn)虛像的共軛實像。3全息照相原理的數(shù)學描述下面對全息照相原理作一簡單的數(shù)學描述。設全息底片所在平面為xy 平面，物光在底片上的振動表達式為圖2E0(x,y)A0(x,y)cost0(x,y) （3）參考光為ER(x,y)AR

24、(x,y)costR(x,y) （4）為方便起見，采用復數(shù)形式表示，寫成E0(x,y)A0(x,y)ei0(x,y)eit ER(x,y)AR(x,y)eiR(x,y)eit對于相干波的疊加，真正起作用的是振幅和相位，常用復振幅來表示，即省去時間相位因 子eit，剩下的部分既含振幅，又含隨空間變化的相位，把它稱為復振幅。于是，在底片 上任一點物光和參考光復振幅分別為O(x,y)A0(x,y)ei0(x,y)（5） R(x,y)AR(x,y)eiR(x,y) (6)相干疊加后的合成光場為H(x,y)R(x,y)O(x,y) （7）干涉條紋的光強為IHHOROR(8)式中為H為H的共軛復數(shù)。為使關

25、系式簡潔，各量中的x，y 均省略。將上式展開得22IA0ARA0ARei(0R)A0ARei(0R)經簡化后上式可簡寫為22IA0AR2A0ARcos(0R)（9）這正是干涉條紋光強的表達式。上式表明，光強I（x，y）包含了物光波的全部信息(振幅和相位)。采用適當?shù)膬晒獠◤姸缺龋泄獾灼浧毓獠⑦M行線性沖洗后，就得到一張全息照片。假定用照明光R（x，y）照射全息圖，設再現(xiàn)光在全息圖上的復振幅為R(x,y)AR(x,y)eiR(x,y)如把全息照片看作衍射屏，則透過全息照片后衍射波的復振幅為U(x,y)R(x,y)t(x,y) （10）式中t（x，y）為全息照片的復振幅透射率，對于經線性處理的全

26、息照片，復振幅透射率與 曝光時的光強成線性關系，即t(x,y)t0I(x,y)（11）于是，透過全息照片后衍射波的復振幅U(x,y)R(x,y)t0I(x,y)將I（x，y）值代入得UU0U1U1(12)式中第一項U0 除了系數(shù)（t0+Ao2+AR2）外，與再現(xiàn)光相同，為零級衍射波，代表照明光的透射波，形成一個背景象，從物光重現(xiàn)的角度來看，可以不予考慮。第二項U+1 為+1 級衍射波，當再現(xiàn)光和參考光完全相同時，即AR=AR=AR，R=R， 則+1 級衍射波在全息照片上的復振幅為 U1RROARARei(RR)OA2O與原物光只差一個常數(shù)因子，實現(xiàn)了原物光的再現(xiàn)。觀察者將在原物體所在位置上看到逼真的立體虛像，在不同的角度看到物體不同的側面。第三項U-1 為-1 級衍射波，當再現(xiàn)光是參考光時，則-1 級衍射波在全息照片上的復振幅為U1RROARARei(RR)OA2ei2RO與原物光的共軛波O（x，y）除相差一個常數(shù)因子外，還多一個位相因子ei2R，表示衍射波會聚于以全息照片為對稱面的原物體的對稱位置上，觀察者將在此位置上看到一個實像，在實像中的那些細節(jié)與虛像是相反的。第 20 頁 共 20 頁