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全息照相實驗報告 　　全息照相實驗報告 　　【實驗?zāi)康摹? 　　1.了解全息照相的基本原理。 　　2.掌握全息照相以及底片的沖洗方法。 　　3.觀察物象再現(xiàn)。 　　【實驗儀器】 　　防震光學(xué)平臺、氦氖激光器、高頻濾波器)、擴束透鏡(兩個)、分束器、反射鏡(兩個)、全息Ⅰ型干版、顯影液和定影液及暗房設(shè)備。 　　【實驗原理】 　　全息照相與普通照相無論是在遠(yuǎn)離上還是在方發(fā)生都有本質(zhì)的區(qū)別。普通照相是用幾何光學(xué)的方法記錄物體上各點的發(fā)光強度分部，得到的是二維平面像，像上各點的照度與物體上的各點發(fā)光強度一一對應(yīng)。而全息照相的記錄對象是整個物體發(fā)出的光波(即物體上各點發(fā)出的光波的疊加)，借助于參考光用干涉的方法記錄這個物光波的振幅和位相(周相)分布，即記錄下物光波與參考光波相干后的全部信息。此時，記錄信息底片上得到的不是物體的像，而是細(xì)密的干涉條紋，就好像一個復(fù)雜無比的衍射光柵，必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)脑僬彰?，才能重建原來的無廣播，從而再現(xiàn)物體的三維立體像。由于底片上任何一小部分都包含整個物體的信息，因此，只利用拍攝的全息底片的一小部分也能再現(xiàn)整個物像。 　　1.全息記錄 　　全息照相的光路圖如下圖所示： 　　感光底板 　　用激光光源照射物體，物體因漫反射發(fā)出物光波。波場上沒一點的振幅和相位都是空間坐標(biāo)的函數(shù)。我們用O表示物光波沒一點的復(fù)振幅與相位。用同一激光管員經(jīng)分光板分出的另一部分光直接照射到地板上，這個光波稱為參考光波，它的振幅和相位也是空間坐標(biāo)的函數(shù)，其復(fù)振幅和位相用R表示，草考光通常為平面或球面波。這樣在記錄信息的底板上的總光場是物光與參考光的疊加。疊加后的復(fù)振幅為O+R，如圖從而底板上各點的發(fā)光強度分布為 　　I(OR)(O*R*)OO*RR*OR*O*RIOIROR*O*R 　　(式1) 　　式子中，O*與R*分別是O和R的共軛量;I。，IR分別為物光波和參考光波獨立照射底版時的放光強度。 　　2.物相再現(xiàn) 　　3.底板經(jīng)過曝光沖洗后，形成各處透光率不同的全息照片，它相當(dāng)于一個復(fù)雜的光柵。一般來說，光透過這樣的全息照片時，振幅以及位相都要發(fā)生變化。如果令 　　t=透過光的復(fù)振幅/入射光的復(fù)振幅 (式2) 　　則復(fù)振幅透過率t一般為復(fù)數(shù)。但對于平面吸收型全息照片t為實數(shù)。如果曝光及沖洗合適，可使得 　　tt0KI (式3) 　　物象再現(xiàn)是用光照射已經(jīng)攝制好的全息照片并觀察透過光。這個過程稱為波前重現(xiàn)，通常再照光與拍攝全息照片的參考光束R相同，因此，透過的光波的復(fù)振幅與位相用W表示，則： 　　(式4) Wt0RKR(I0IROR*O*R)[t0K(I0IR)]RKIROKRO*R 　　第一項與參考波R成正比，是按一定比例重建的參考波，或者說是直接透過再找光相當(dāng)于零級衍射波。 　　第二項與原來的物光成正比，是按一定比例重建的物光波，相當(dāng)于一級衍射波。這個光波根據(jù)惠更斯原理繼續(xù)傳播，與原來物體在原來位臵發(fā)出的光波相同，僅僅是振幅按一定比例改變，位相改變180度。因此全息照片后面的觀察者對這個光波方向觀察時，可以看到原來物體的三維立體像。如圖所示： 　　全息照片 　　一級衍射波人眼觀察 　　第三項與物光波的公軛光波O*有關(guān)。它是因衍射而產(chǎn)生的另一個一級衍射波，稱為孿生波。這意味著在須向的相反一側(cè)會聚稱一個共軛的實像。 　　【實驗內(nèi)容與測量】 　　1.全息照相 　　(1)設(shè)計光路系統(tǒng)如下圖，打開激光光源預(yù)熱，激光器的電流指示為6～7mA，光路系統(tǒng)應(yīng)該滿足下列條件： 　?、傥锕馐蛥⒖脊馐煞止獍逯粮泄獍嬷g的光程大致相等 　?、谟猛哥R將物光束擴展到保證整個被攝物都能受到光照，參考光束也應(yīng)擴展使感光板有均勻光照 　?、壅赵诟泄獍迳系奈锕馐蛥⒖脊馐g的夾角在30～50之間為宜 　?、軈⒖脊馐鴳?yīng)強于物光束，在放感光板的地方她們的強度比約為3：至5：1 　　(2)關(guān)閉室內(nèi)照明燈，用光電池測量放感光板處參考光束和物光光束的強度，以檢驗發(fā)光強度比是否符合要求。曝光時間應(yīng)該控制在20～60s之間。 　　(3)上快門，調(diào)好曝光定時器的曝光時間，裝感光板。使乳膠面向著入射光，靜臵幾分鐘使防震臺不振動后曝光。 　　(4)顯影和定影。顯影液用D-19顯影液，顯影時間為2min。取出感光板后用自來水沖洗。然后放在定影液中……再水洗2～3min即可觀察物象再現(xiàn)。 　　2.物象再現(xiàn) 　　1)用激光照射全息照片的正面。盡可能使光照方向與原來參考光束方向一致，從照片反面觀察物象。 　　2)用1)的方法觀察到正立的三維圖象后，旋轉(zhuǎn)全息照片180度，使其反面被激光照射。 　　3)用自己所想的方法觀察全息照片。 　　【實驗心得】 　　光學(xué)實驗中光路調(diào)節(jié)注意事項 。 　　整個調(diào)試光路的過程中是分別依次加入光學(xué)元件 　　遵循的原則:每兩個光學(xué)元件始終保持等高,共軸 　　在這次光學(xué)實驗中，對于再現(xiàn)像的觀察我們沒有得到再現(xiàn)像的實驗結(jié)果，對此我覺得我們必然在某處有錯誤，或者是由于實驗儀器造成，因此我展開分析，下面是一些分析結(jié)果。 　　實驗中決定成功的因素： 　　一、系統(tǒng)穩(wěn)定性對實驗結(jié)果的影響由于全息圖上所記錄的是參考光和物光的干涉條紋, 而這些條紋非常細(xì), 在曝光過程中, 極小的振動和位移都會引起干涉條紋的模糊不清, 甚至使干涉條紋完全不能記錄下來。 　　二、光路對實驗結(jié)果的影響 　　(1) 參考光和物光的光程差的影響。參考光和物光的光程差[ 1 ]不能太大, 不能大于所用激光的相 　　 　　干長度, 否則兩者不能相干, 無法在全息干板上獲得干涉條紋。 　　(2) 參考光和物光的夾角的影響。假如全息干板上干涉條紋的間距為d, 光源波長為λ。根據(jù)干涉原理, d 與參考光和物光之間的夾角θ有關(guān), 而干板分辨率η 與d 有關(guān) 　　?？梢钥闯? θ角愈大, 所記錄的干涉條紋就越細(xì), 對干板的分辨率要求越高, 　　故夾角θ不能太大。而夾角θ對全息圖再現(xiàn)象時的觀察窗(視角) 有影響, 夾角大, 可在較大范圍內(nèi)從不同角度觀察物象, 反之, 觀察窗則小, 因此夾角θ也不能太小。 　　(3) 參考光和物光的光強比的影響。全息照相是物光與參考光的雙光束干涉. 對于一般雙光束干涉來說, 如果2束光的光強相同, 干涉條紋可得到最大的對比度, 這對一般線性接受元件是合適的。而對全息照相的記錄介質(zhì)來說, 曝光量( T) 和振幅(H) 透過率的特性曲線是非線性的, 在曲線兩端發(fā)生奇變, 如圖3所示, 產(chǎn)生較高階的衍射光,使衍射效率降低。 　　干板的曝光特性 　　另一方面, 當(dāng)物光比參考光強, 斑紋比較顯著, 產(chǎn)生較大量的暈輪光圍繞零級衍射光, 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夾持位臵偏差大, 以及把有藥面的一面與玻璃面放反, 都會造成實驗的失敗。 　　三、曝光與顯影對實驗結(jié)果的影響 　　(1) 曝光時間的影響。如果曝光時間太短, 底板上條紋太淺甚至沒有, 復(fù)雜的衍射光柵無法形成, 當(dāng)然也就無法再現(xiàn)像。若曝光時間太長, 底板可能太黑, 光線的透過率降低。另外, 曝光時間越長, 保持系統(tǒng)穩(wěn)定性越難, 曝光時間內(nèi)突然的躁聲和振動會使拍攝失敗[。 　　(2) 顯影時間的影響。顯影的程度是否適當(dāng)對全息圖質(zhì)量影響很大。若顯影時間太長, 全息干板發(fā)黑, 光線的透射率降低, 無法再現(xiàn)像; 而顯影時間太短, 干板上條紋不能出現(xiàn), 無法形成復(fù)雜的衍射光柵, 甚至是一塊透明玻璃片, 也無法再現(xiàn)像。 　　改進(jìn)方法： 　　光路的選擇 　　(1)單物光束反射、透射全息照相光路 　　實驗裝臵如圖1、圖2所示[2]，從激光器S發(fā)出的光波被分束鏡T分成2束，一束經(jīng)M1反射和凸透鏡擴束后照射在被攝物體上，經(jīng)物體反射( 圖1 ) 或透射( 圖2 ) 的光再照射到全息干板P上，這束光為物光波。另一束經(jīng)M2反射和擴束后直接照射在全息干板P上，這束光為參考光波。由于這2束光是相干的，所以在全息干板上就形成明暗相間的干涉條紋并被記錄。條紋的形狀和疏密反映了物光的位相分布情況，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，經(jīng)過顯影、定影處理后，便形成與光柵相似結(jié)構(gòu)的全息圖，即全息照片。優(yōu)點：實驗裝臵簡單，照射到物體上的光較強，容易控制物光和參考光的光比，再現(xiàn)照片反差大，輪廓分明。缺點：由于被攝物體不是平面物體，而光又是沿線傳播的，所以物體不能被全部照亮，干板上記錄的影像信息只是物光束能照射到的部分，其他部分的像是暗的，照片層次較差。 　　(2)雙物光束漫反射全息照相光路 　　為了克服單物光束拍攝全息照片的缺點，可以用2束光照射物體，照亮原單束光照不到的地方[3]，并在想突出表現(xiàn)的部位打上較強的光，從而使全息片層次更豐富，表現(xiàn)力更強。從全息照相的原理考慮，物光束和參考光束必須是相干光，因此，它們必須來自同一光源，從同一光束中分離出來。在單光束光路中又增加一個分束器T1，將原來的物光束一分為二，再經(jīng)過反射鏡1 M′ 、1 M′′從2個不同方向照射到被攝物體。 　　光路如圖3所示，其中T1為**%的分束器， 1 M′ 和1 M′′為新增加的反射鏡， 1 L′′為第二束光的擴束器。優(yōu)點：克服了單光束光路在光線不能到達(dá)的地方產(chǎn)生暗區(qū)的缺點，使全息照片影像更清晰，層次更豐富。缺點：實驗裝臵較復(fù)雜，光路調(diào)整耗時較多。 　　(3)多物光束漫反射全息照相光路 用普通照相機拍攝物體時，為了使照片層次豐富，或為突出表現(xiàn)某種特殊效果時，攝影師往往用多束光來照射被攝物體。全息照相也可以借鑒該方法，例如用透射全息照相光路，給物體一個背景光，光路如圖4所示，使全息照片出現(xiàn)很強的立體感。優(yōu)點：全息照片影像層次更加豐富，并有很強的立體感。缺點：實驗裝臵更為復(fù)雜，光路和每個光束的光比調(diào)整較為困難。 　　另外的具體做法有： 　　一、保證拍攝系統(tǒng)的穩(wěn)定 　　對于我們所用的激光波長為632. 18 nm的HJ 2Ⅱ型氦氖激光器, 在曝光過程中, 必須保證拍攝系統(tǒng)的移動不得超過干涉條紋間距的1 /4。我們實驗室用的是GSZ 2 Ⅱ型光學(xué)實驗平臺, 全息臺上的所有光學(xué)器件都用磁性材料牢固地吸在工作臺鋼板上。將各光學(xué)元件夾持穩(wěn)定, 將被照物體粘牢在載物臺上或夾緊在架上, 將曝光定時器離開全息臺放臵。由于氣流通過光路, 聲波干擾以及溫度變化都會引起周圍空氣密度的變化, 因此, 在準(zhǔn)備拍攝前必須遠(yuǎn)離全息臺, 保持安靜, 靜止2 min以上再啟動曝光定時器, 并且在曝光期間不能講話、走動和發(fā)出任何聲響, 保證環(huán)境穩(wěn)定, 曝光后再靜等20s[ 4 ]以上, 才能取下干板, 用黑紙包好。 　　二 安排和調(diào)整光路的具體做法 　　(1) 光路擺放。按圖1所示光路將, 各元件大致擺放到各自的相應(yīng)位臵上, 調(diào)整各元件, 使各光束都與臺面平行且與各元件中心重合, 開始時不要加擴束鏡。 　　(2) 測量光程。測量物光與參考光的光程, 從分束鏡開始, 沿著光束的前進(jìn)方向量至全息干板為止, 按等光程按排光路為好, 光程差不得大于1 cm。 　　(3) 夾角選擇。根據(jù)上面的分析, 本實驗中選擇參考光和物光的夾角取20°～30°[ 5 ]為宜。 　　(4) 調(diào)節(jié)光強比。由上所述可知, 要達(dá)到較好的效果, 應(yīng)使參考光增強, 以避開非線性區(qū), 減少斑紋效應(yīng)。但盡管用一束強光做物光, 物光照到物體上經(jīng)物體吸收后再反射到干板上的光已比參考光弱得多了, 對于我們功率只有5 mW的激光器, 參考光和物光的光強比太大, 會造成對比度差、象不清楚, 所以又必須使物光增強。多次實驗研究表明: 被攝物如果是瓷器, 應(yīng)與全息干板距離較近(3～5 cm) , 若拍攝硬幣可與全息干板距離遠(yuǎn)一些(可達(dá)10 cm) 。放入擴束鏡后, 調(diào)節(jié)物體方位, 使物體漫反射光的最強部分均勻地落在全息干板上,參考光應(yīng)均勻照明并覆蓋整個全息干板, 兩光光強比為3∶1～5 ∶1較為合適。 　　三、拍攝全息圖及再現(xiàn)觀察 　　(1) 拍攝底片。關(guān)閉室內(nèi)所有光源, 在全暗條件下學(xué)會判斷全息干板藥膜面的方法, 即用兩手指同時摸全息干板兩面, 較澀的一面為藥膜面, 光滑的一面為玻璃面。取下白屏, 將全息干板藥膜面面向被攝物體固定在干板架上。 　　(2) 設(shè)臵曝光時間。曝光時間的長短與光源的功率有關(guān), 對于功率較大的光源, 曝光時間可適當(dāng)短些, 若光源功率小, 則曝光時間可適當(dāng)長些。一般文獻(xiàn)上要求曝光時間為3 ～4 min, 實際上, 曝光時間長很難保證拍攝過程中周圍環(huán)境絕對安靜, 對于我們使用的功率為5 mW的HJ 2Ⅱ型氦氖激光器和天津感光膠片廠生產(chǎn)的Ⅰ型全息干板來說, 曝光時間選擇在30 s左右就可以了, 但也要看被攝物體的反光程度, 對于反光較強的物體, 曝光時間可適當(dāng)縮短, 反之, 則適當(dāng)加長。 　　(3) 設(shè)臵顯影時間。選擇顯影時間應(yīng)與曝光量、顯影液的濃度及溫度等情況加以綜合考慮。在曝光量正常的情況下, 用D 2 19顯影液, 其溫度在20 ℃ ±015 ℃時, 顯影時間一般十幾秒即可, 但在溫度較高、且新配的藥水的情況下, 可能幾秒鐘干板就變黑, 顯影時間應(yīng)視實際情況而定(但不要超過3 min) 。應(yīng)將干板放在顯影液中并輕輕攪動液體, 幾秒鐘后將干板對著暗綠燈觀察, 看到微黑時即可用清水沖洗, 沖洗干凈放入定影液中2 ～4min, 定影過程中也應(yīng)不斷攪動定影液, 之后放入清水中沖洗5～15 min[ 6 ] , 再進(jìn)行干燥。另外, 配臵好的藥水應(yīng)放在茶色玻璃瓶中避光保存, 學(xué)生操作時要避免將一種藥水帶入另一種藥水中。萬一顯影或曝光過度, 可放入漂白液中進(jìn)行減薄處理, 減薄處理可在白光下進(jìn)行, 不停地拿出觀察, 減薄程度適可而止, 不可太過, 否則全息圖消失。 　　(4) 再現(xiàn)觀察。將處理好的全息底片放在圖2光路中觀察全息圖, 再現(xiàn)時也可用強光照射全息圖, 以增加其亮度。 　　結(jié) 論：綜上所述，不同光路拍出的全息照片的效果有所不同。單物光束反射、透射全息照相光路，照射到物體上的光較強，容易控制物光和參考光的光比，再現(xiàn)照片反差大，輪廓分明，一般的全息照相實驗大多選用該光路。但該方法拍攝的照片清晰度不高，層次較差。雙物光束漫反射和多物光束漫反射2種全息照相光路，盡管整個光路和每個光束的光比調(diào)整過程較為復(fù)雜，但拍攝的全息照片影像層次更加豐富，并有很強的立體感。因此，它在信息存貯和處理、遙感技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)等方面有著廣泛的應(yīng)用。應(yīng)根據(jù)不同的被攝物體，選擇不同的光路，以達(dá)到最佳的拍攝效果。另外，能否成功拍攝好全息照片，不僅要根據(jù)需求選擇光路，而且光路的調(diào)整也是至關(guān)重要的。一個好的光路，既要使物光和參考光能夠發(fā)生干涉，還要保證干涉條紋間隔清晰，反差合適。所以要首先調(diào)整好物光和參考光的光程，以保證干涉能夠發(fā)生，然后再調(diào)整物光與參考光束之間的夾角及物光和參考光的光強比，保證全息照片的清晰度和反差