1、实验 24 激光全息照片拍摄及观察实验 32 激光全息照相物理实验报告（版 2009-03-07 03:09:34 阅读 830 评论 2 字号：大中小 订阅 【实验目的】1学习全息照相的基本原理和方法2了解全息照相的主要特点3. 学习观察全息照片的方法【仪器设备】全息照相的整套装置（PHYWE） ，如图 1 所示：图 1 全息照相实验装置【光路原理图】图 2 方法一实验光路原理 图 3 方法二实验光路原理 【实验原理】总的来说，全息照相和普通照相的原理完全不同。普通照相通常是通过照相机物镜成像，在感光底片平面上将物体发出的或它散射的光波（通常称为物光）的强度分布（即振幅分布）记录下来，由于底
2、片上的感光物质只对光的强度有响应，对相位分布不起作用，所以在照相过程中把光波的位相分布这个重要的信息丢失了。因而，在所得到的照片中，物体的三维特征消失了，不再存在视差，改变观察角度时，并不能看到像的不同侧面。全息技术则完全不同，由全息术所产生的像是完全逼真的立体像（因为同时记录下了物光的强度分布和位相分布，即全部信息） ，当以不同的角度观察时，就象观察一个真实的物体一样，能够看到像的不同侧面，也能在不同的距离聚焦。 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
3、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。【实验内容】1调整光路方法一：制作漫反射物体的全息片的典型光路如图 2 所示，这是一种典型的利思一厄帕特尼克斯(离轴型) 全息照相的光路图。He-Ne 激光器发出的激光由分束镜分为两束，两束光强的比例，要视被摄物的漫反射能力以及参、物两光束在底片上的比例来决定。参考光束和物光束都经过扩束镜扩束，移动扩束镜的位置(或改变扩束镜的倍率)，放大或缩小光斑，在一定面积上的光强就会增大或减小。在底片位置处参
4、考光束强度和物光束强度的比值可用光电池配以检流计在底片架上进行测量。开始实验前，激光器要预热大约一个小时，以免发生波长振动，实验时必须确保机械的稳定性。按图 2 光路搭建好仪器，调节各器件使观察屏上出现干涉条纹，准备进行曝光。方法二：实验光路如图 3 所示，激光直接经过扩束器扩大，一部分光直接打在干板上，另一部分光透过干板打在被摄物上经漫反射照射回干板与前面的光发生干涉。按图 3 调整好光路仪器，注意被摄物应尽量靠近干板。2拍摄调好光路后，选择曝光时间为 10 分钟，然后关闭光开关，将全息干版安装在照相框架上，药膜面向着激光，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
5、勿走动，保持安静，以保证干涉条纹无漂移。3底片处理将曝光后的全息干版取下，放在约 35的温水中浸泡 20 秒，然后在在显影液中显影。在 1 分钟左右显出曝光区和未曝光区的黑白界限较佳。停止显影后经水洗，再放入定影液中定影 5 至 10 分钟，然后用水漂洗，晾干后即成为全息照片。【实验过程与结果】方法一：实验中，按图 2 光路，通过调节各仪器的高低，相对位置及角度，初步将物光与参光调节至打在观察屏上，且光斑已调节至近圆均匀，但在观察屏幕上未观察到干涉条纹，于是开始考虑调节两光的夹角，按要求调节至 30 到 45 度角，仍未发现干涉条纹，开始调节光程，使两光光程近乎相等，但首次仅以直尺大概估量距离
6、，调节后仍未观察到干涉条纹，而后考虑调节光强比，按要求以光电池、检流计将物、参光的光强比调节控制在 1：10 到 1：4 之间，但仍未出现干涉条纹，最后以细绳精确调节两光光程使得光程近乎相等，但还是无法观察到干涉条纹。在无干涉条纹出现情况下曝光 10 分钟（中途有人开关门） ，经过底片处理后，无法观察到全息图象，只在显影液中观察到一小片白色。此后进行第二次曝光（中途有人敲门） ，仍得不到全息图象。方法二：实验中，按图 3 光路，仔细调节扩束器使得经扩束后的激光呈足够大的均匀圆斑，此后调节物体位置使其尽可能靠近干板，按实验要求进行曝光 1 分钟处理，经底片处理未得到全息图象。此后按老师要求进行
7、10 分钟曝光处理，仍得不到全息图象。最后采用现切的新干板进行曝光拍摄，经处理观察到全息图象，被摄物为纪念徽章，反光能力强，所得全息图上可清晰看出徽章中的门柱，改变观察视角可看出徽章中的凹凸部分，像和原物大小一样, 是细节精美、形态逼真的三维像, 整个画面层次清楚。【实验成败分析】经实验总结出实验中的基本注意条件与影响因素如下：1一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。在记录时条纹或底片移动 1 mm，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（
8、包括光源和被摄物体）都必须牢牢固定在防震台上。2. 一个好的相干光源。激光具有很好的空间相干性和时间相干性。本实验用 He-Ne 激光器，其波长为 632.8 nm，其相干长度约为 20 cm。为了保证物光和参考光之间良好的相干性，应尽可能使两光束的光程接近，一般要求光程差不超过 4cm，以使光程差在激光的相干长度内。3. 调节光路时，应使光束等高，减小光束间在竖直方向产生夹角影响两光的相干。4. 为保证两光较好的相干，应使物光与参考光成 30 至 45 度角度。5. 应尽量使得被摄物靠近干板，使得经物体漫反射的光强足以与参考光光强比维持在 1：10 到1： 4 之间。6. 在调节光路过程中，
9、应尽量使光成一均匀圆斑，并使其均匀照射底片和物体。7. 由于曝光时间为 10 分钟，时间较长，因此在此期间要保证实验平台的稳定性，因尽量避免大声说话，走动，触碰实验平台，并要减小外界的干扰。8. 为减少光损失及干扰, 选用的光学元件数越少越好。9. 一般全息图的记录介质是采用感光乳胶, 它通过受光乳胶的黑度来记录光强的强弱, 故要采用性能良好的感光材料作记录介质，此外还需注意所用干板是否因为空气湿度过大，受潮影响了材料的性能，最好采用新拆封的干板为宜。【思考题】1. 与普通照相比较，全息照相有哪些特点？答：全息照相过程分记录、再现两步，它是以干涉衍射等波动光学的规律为基础的。而普通照相过程是以
10、几何光学的规律为基础的。全息图所记录的是物体各点的全部光信息，包括振幅和位相。而普通照相底片记录的仅是物体各点的光强（或振幅） 。全息照相过程中物体与底片之间是点面对应的关系，即每个物点所发射的光束直接落在记录介质整个平面上。反过来说，全息图中每一个局部都包含了物体各点的光信息。而普通照相过程中物像之间是点点对应的关系，即一个物点对应像平面中的一个像点。全息图能完全再现原物的波前，因而能观察到一幅非常逼真的立体图像。而普通照相得到的只能是二维的平面图像。全息照相是干涉记录，要求参考光束与各个物点的物光束彼此都是相干的。而普通照相只是像的强度记录，并不要求光源的相干性，用普通光源就可以了。全息照
11、片在适当的照明下重建物光波与原来的物光波具有相同的深度和视差。改变观察的位置，就可以看到景物被遮拦的物体，观察近距离的物体，眼睛必须重新调焦。全息照片可以用接触法复制，但无正负片之分，不论是原来的还是复制的都再现被摄物体的正像。而且无论照明乳剂的反差特性如何，再现影象的反差同原物体的反差都非常接近。全息照片绕垂直轴线转 180 度，引起一个倒转的像，让全息照片绕一水平轴线旋转 180 度，也产生一个倒转的像，但让全息照片绕一个垂直与全息图平面的轴线转 180 度则不引起像的倒转。在同一张底片上用连续曝光方法可以重叠几个影象，而每一张影象又不受其它影象的干扰而单独显现。2. 全息照相是如何把光波
12、的相位记录下来的？答：由于现有的记录介质只对光强有响应，而对位相变化无反应，因此，要记录光波的位相，就需要设法把位相关系转换成光强（即振幅）变化才行。在全息照相中正是巧妙地利用了波的干涉原理达到了同时记录包括光波位相和振幅在内的全部信息的目的。确切地说，全息照相记录下来的是两光波之间位相差的分布，或者用电子技术的术语说，全息图的记录过程是通过物光波对参考光波的调制过程来完成的:参考光相当于载波,而物光则对此载波进行调制,物光的振幅对载波调幅,其位相则对载波调相。3. 观察到再现像后，将全息片旋转或倒置，透过全息照片能否观察到原再现图象？答：若全息照片绕垂直轴线转 180 度，则引起一个倒转的像
13、，若让全息照片绕一水平轴线旋转 180度，也产生一个倒转的像，但让全息照片绕一个垂直与全息图平面的轴线转 180 度（也既倒置）则不引起像的倒转。实 验 目 的 】 了 解 全 息 照 相 基 本 方 法 和 原 理 。 掌 握 拍 摄 全 息 图 的 实 验 方 法 。 像 的 性 质 的 研 究 。【 仪 器 用 具 】防 震 台 、 小 功 率 He e 激 光 器 、 分 束 镜 、 反 射 镜 、 扩 束 镜 、 全 息 干 版 、干 版 架 、 白 屏 、 毛 玻 璃 、 载 物 台 、 被 摄 物 、 曝 光 定 时 器 和 光 开 关 、 暗 室 器 材（ 显 影 液 、 定
14、影 液 、 安 全 灯 、 水 盘 、 软 夹 、 流 水 冲 洗 设 施 等 ） 。【 实 验 原 理 】1 全 息 照 相 的 特 点无 论 从 基 本 原 理 上 ， 还 是 从 拍 摄 和 观 察 方 法 上 ， 全 息 照 相 与 普 通 照 相 均有 本 质 的 区 别 。列表比较如下：项 目 普 通 照 相 全 息 照 相原 理 几何光学的透镜成像原理 光的干涉、衍射等物理光学规律记 录 振幅分布(物通过透镜成像后像平面上的光强分布) 振幅、位相分布(借助于参考光波记录的振幅与位相的全部信息)记录介质上 像 物光与参考光的干涉条纹将底片分成小块 每块图像不完整但分辨率不变 每块仍
15、可再现完整的图像但分辨率下降物体与底片上 存在着一一对应的关系 不存在一一对应的关系像 只记录了从某一点按几何光学观察时物体的二维像 记录了从各个角度按衍射和干涉的三维像像 的 性 质 实像(在底片上) 虚像、实像(均在底片外)像 的 个 数 一个 多个安 全 灯 红色 HeNe 激光器用暗绿色有无正负片 有 无改变观察位置 不可看到拍摄时被遮挡的部分(物体 ) 可以看见拍摄时被遮挡的部分(物体 )2 全 息 照 相 的 分 类在 图 18.1 中 ， O 表 示 一 个 物 点 ， 表 示 参 考 光 束 的 点 光 源 ， 均 以 打 叉符 号 标 记 。 H 表 示 全 息 底 板 的
16、位 置 ， 用 狭 长 方 形 标 记 。 表 示 傅 里 叶 透 镜 ，用 狭 长 的 椭 圆 形 标 记 。 从 图 18.1 可 以 看 出 ， 记 录 在 全 息 底 板 上 的 干 涉 条纹 ， 是 由 底 板 和 一 组 干 涉 面 相 交 而 产 生 。 这 些 干 涉 面 是 一 些 旋 转 对 称 的 双 曲面 ， 其 中 一 个 焦 点 便 是 ， 而 另 一 个 焦 点 便 是 。 按 记 录 全 息 图 的 不 同 光 路结 构 ， 全 息 图 有 下 列 几 种 ：（ ） 伽 柏 （ abor） 同 轴 全 息 图在 图 18.1 中 用 HG 标 明 其 底 板 的
17、 位 置 。 因 为 参 考 光 和 物 体 共 线 ， 所 以 物体 必 须 是 高 度 透 明 的 。（ ） 利 思 乌 帕 特 尼 克 斯 （ eith Upatnieks） 离 轴 全 息 图 。在 图 18.1 中 用 HLU 标 明 其 底 板 的 位 置（ ） 无 透 镜 傅 里 叶 全 息 图在 图 18.1 中 用 HLF 标 明 其 底 板 的 位 置（ ） 聚 焦 像 全 息 图 （ 简 称 为 像 全 息 图 ）透 镜 将 物 体 OFI 的 一 个 像 聚 焦 在 全 息 底 片 上 ， 参 考 光 位 置 不 变 。（ ） 傅 里 叶 全 息 图如 果 将 物 体
18、HFO 放 在 透 镜 的 焦 点 上 ， 参 考 光 位 置 不 变 ， 则 在 全 息 底板 HFO 上 记 录 的 便 是 傅 里 叶 全 息 图 。（ ） 白 光 再 现 反 射 全 息 图 (LippmannDenisyvk)。在 图 18.1 中 用 HLD 标 明 其 底 板 的 位 置 。（ ） 在 O 和 R 附 近 摄 制 的 全 息 图 ， 通 常 称 为 菲 涅 耳 全 息 图 ;而 那 些 在大 距 离 处 摄 制 的 则 称 为 夫 琅 和 费 或 傅 里 叶 全 息 图 。本 次 实 验 重 点 研 究 利 思 乌 帕 尼 克 斯 离 轴 全 息 图 。【 实 验
19、 装 置 】图 18.1制 作 漫 反 射 物 体 的 全 息 图 的 典 型 光 路 如 图 18.4 所 示 ， 其 中 两 个 透 镜 分别 把 物 光 束 及 参 考 光 束 扩 展 以 保 证 物 体 或 感 光 板 上 有 均 匀 的 照 明 。 为 了 实 现全 息 记 录 ， 必 须 具 备 下 列 的 三 个 基 本 条 件 ：1 必 须 有 一 个 很 好 的 相 干 光 源如 前 所 述 ， 全 息 照 相 是 用 干 涉 的 方 法 记 录 物 光 波 的 振 幅 及 位 相 ， 因 此 参考 光 束 与 物 光 束 必 须 是 相 干 的 ， 我 们 实 验 用 的
20、是 HeNe 激 光 器 ， =632.8 ， 激 光 器 的 单 色 性 虽 然 很 好 ， 但 谱 线 仍 然 有 一 定 的 宽 度 ， 相 应 的 相 干长 度 =2/ ， 考 虑 到 最 坏 情 况 ， 例 如 多 普 勒 展 宽 =2pm 时 =20cm ，为 了 保 证 物 光 束 与 参 考 光 束 相 干 ， 应 使 参 考 光 路 与 物 光 路 的 光 程 接 近 相 等（ 小 于 10cm） 。图 18.4M2、 M3 为 全 反 镜 , M1 为 分 束 镜 , L1、 L2 为 扩 束 镜 , H 为 全 息 干 板 , O 为 被 摄 物 体【 实 验 内 容 及
21、 步 骤 】1 记 录 三 维 漫 反 射 物 体 的 全 息 图(1) 打 开 激 光 器 ， 设 计 与 安 排 光 路 ， 见 图 18.6， 光 路 系 统 应 满 足 下 列 要求 ： 利 用 扩 束 镜 将 物 光 束 扩 展 到 一 定 程 度 使 被 摄 物 体 各 部 分 照 明 均 匀 ， 参考 光 也 应 加 以 扩 展 ， 均 匀 照 在 整 张 底 片 H 上 。 (先 用 毛 玻 璃 放 在 底 片 处 )。 物 光 路 和 参 考 光 路 的 光 程 大 致 相 同 。 物 光 束 参 考 光 束 夹 角 约 为 3050。 关 上 照 明 灯 ， 分 别 遮 住
22、 物 光 和 参 考 光 ， 用 光 电 池 检 查 在 底 片 处 物 光 和参 考 光 的 光 强 比 值 为 1:31:6。 被 摄 物 离 干 板 不 要 太 远 ， 一 般 不 超 过 10cm。 监 视 屏 上 调 出 清 晰 的 每 条 约 2cm 左 右 宽 的 干 涉 条 纹 ， 并 选 好 参 考 点或 线 。(2) 关 闭 快 门 ， 装 好 底 板 ， 使 乳 胶 面 对 着 光 入 射 的 方 向 ， 静 置 几 分 钟 。遮 住 KK处 ， 打 开 快 门 ， 观 察 监 视 屏 上 条 纹 的 移 动 情 况 ， 控 制 KK 处 ，取 最 佳 时 间 开 始 曝
23、 光 ， 累 计 时 间 约 20 秒 左 右 ， 注 意 ， 在 开 始 曝 光 期 间 如 条纹 发 生 突 变 大 幅 度 移 动 超 过 1/4 条 条 纹 并 一 直 朝 一 个 方 向 移 动 不 再 回 来 ， 则应 换 板 重 拍 。(3) 化 学 处 理 ： (温 度 20C 左 右 ) 显 形 ： 放 入 D-19 显 形 液 中 显 23 分 钟 。 停 形 ： 在 清 水 中 稍 洗 ， 放 入 停 显 液 中 停 显 1 分 钟 。 定 形 ： 放 入 F-5 酸 性 定 形 液 中 定 形 510 分 钟 。 漂 洗 ： 放 入 清 水 中 漂 洗 1020 分 钟
24、 。 晾 干 ： 置 自 然 风 或 电 风 扇 下 干 净 处 晾 干 、 不 可 用 电 吹 风 、 电 炉 烘 干 。 漂 白 ： 为 了 增 加 衍 射 效 率 ， 还 可 在 漂 白 液 中 进 行 漂 白 。2 波 前 重 建 与 观 察(1) 把 制 作 好 的 全 息 片 放 回 原 来 位 置 (乳 胶 面 仍 对 着 光 )遮 住 物 光 ， 从 底片 后 面 即 图 18.3 (a)的 E 处 观 察 再 现 的 虚 像 ， 形 成 此 虚 像 的 是 +1 级 衍 射 ，虚 像 位 置 就 是 原 来 的 物 体 位 置 (相 对 底 片 来 说 )， 改 变 角 度
25、， 从 E处 观 察 虚 像 ，可 以 感 受 到 虚 像 明 显 的 立 体 感 。(2) 使 底 片 向 光 源 靠 近 ， 入 射 角 大 致 不 变 ， 则 虚 像 变 小 ， 反 之 ， 使 底 片离 光 源 更 远 ， 则 虚 像 变 大 。(3) 用 一 张 有 =5mm 小 孔 的 黑 纸 盖 在 全 息 图 上 ， 使 激 光 只 照 在 很 小 块底 片 上 人 眼 通 过 小 孔 观 察 ， 所 看 到 仍 是 整 个 被 摄 物 体 的 虚 像 ， 而 不 是 局 部 ，但 分 辨 率 有 下 降 。 移 动 小 孔 位 置 ， 仍 能 看 到 整 个 物 体 ， 仔
26、细 观 察 可 发 现 两 个虚 像 略 有 不 同 。(4) 如 参 考 光 AR 与 物 光 AO 的 夹 角 较 大 ， 如 大 于 30， 则 于 体 效 应 ，用 原 参 考 光 照 明 ， 不 能 有 -1 级 衍 射 ， 因 而 看 不 到 实 像 。 要 观 察 实 像 ， 应 以照 明 ， 即 将 底 片 绕 垂 直 轴 转 180角 （ 最 好 用 汇 聚 光 ， 如 无 条 件 则 用 未 扩散 的 激 光 束 ） ， 用 毛 玻 璃 在 原 来 被 摄 物 附 近 找 实 像 。 见 图 18.3 (b)。【 思 考 题 】1 用 两 个 激 光 器 分 别 作 为 物
27、 光 源 和 参 考 光 源 ， 能 否 记 录 全 息 图 ， 为 什 么 ？2 直 接 记 录 干 涉 图 的 底 片 在 显 形 后 形 成 一 张 全 息 负 片 ， 用 此 负 片 可 复 制全 息 图 正 片 ， 试 问 正 片 和 负 片 的 重 像 有 何 区 别 ？ 重 现 像 的 反 衬 是 否 相 反 （ 如同 普 通 照 相 的 正 负 片 ） ， 为 什 么 ？3 若 全 息 片 不 小 心 打 碎 ， 用 其 中 一 个 块 再 现 来 观 察 其 虚 像 ， 下 面 哪 种 说法 是 正 确 的 ？(1) 再 现 原 物 的 一 部 分 。(2) 完 全 不 能
28、再 现 虚 像 。(3) 能 再 现 完 整 的 虚 像 ， 和 没 打 碎 的 整 块 全 息 照 片 再 现 的 虚 像 毫 无 差别 。(4) 能 再 现 完 整 的 虚 像 ， 但 衍 射 效 率 降 低 。(5) 能 再 现 完 整 的 开 业 像 ， 但 分 辨 率 降 低 。(6) 能 再 现 完 整 的 虚 像 ， 和 整 块 全 息 片 再 现 的 虚 像 毫 无 差 别 ， 仅 仅 观 察起 来 不 太 方 便 。4 用 投 影 仪 和 显 微 镜 观 察 到 的 条 纹 是 什 么 条 纹 ？ 它 们 是 不 是 同 一 性 质 的条 纹 ？ 作 了 这 一 对 比 观
29、察 后 你 有 什 么 体 会 ？5 做 实 验 时 ， 如 何 调 整 判 断 实 验 光 路 中 各 器 件 的 同 轴 ？附 :D-19 显 影 液 配 方 ： F5 定 影 液 配 方 ： 蒸 馏 水 500mL 蒸 馏 水 (50 ) 800mL 米 吐 尔 2g 硫 代 硫 酸 钠 240g 无 水 亚 硫 酸 钠 90g 硼 酸 (结 晶 )75g 对 苯 二 酚 8g 冰 醋 酸 3.5mL无 水 碳 酸 钠 48 g 无 水 亚 硫 酸 钠 15g 实验编号 0801012实验名称 激光全息照相 实验课时 3类别 必修（） 限选（ ） 任选（ ） 类型 演示、验证（ ）综合、
30、设计（ ）辅助教师 职称授课对象 全校工科本科生、专科生教材讲义 王宏波等大学物理实验(上)东北林业大学出版社，2004实验内容（教学过程）实验目的(1) 了解全息照相的原理及特点。(2) 掌 握 漫 反 射 物 体 的 全 息 照 相 方 法 ， 制 作 漫 反 射 的 三 维 全 息 图 。(3) 掌 握 反 射 全 息 的 照 相 方 法 ， 学 会 制 作 物 体 的 白 光 再 现 反 射 全 息 图 。(4) 进 一 步 熟 悉 光 路 的 调 整 方 法 ， 学 习 暗 室 技 术 。实验方法原理(1) 概述全息照相是利用光涉的干涉和衍射原理，将物光波以干涉条纹的形式记录下来，然
31、后在一定条件下，利用衍射再现原物体的立体图像。可见，全息照相必须分两步进行：物体全息图的记录过程；立体物像的再现过程。(2) 全息照相与普通照相的主要区别全息照相能够把物光波的全部信息记录下来，而普通照相只能记录物光波的强度。全息照片上每一部分都包含了被摄物体上每一点的光波信息，所以它具有可分割性，即全息照片的每一部分都能再现出物体的完整的图像。在同一张全息底片上，可以采用不同的角度多次拍摄不同的物体，再现时，在不同的衍射方向上能够互不干扰地观察到每个物体的立体图像。(3) 全息照相技术的发展全息照相技术发展到现在已有四代。本实验将用激光作光源完成物体的第二代全息图漫反射全息图和第三代全息图反
32、射全息图的拍摄和再现。实验装置全息照相实验台 1 套(含 He-Ne 激光器、曝光定时器、光电开关、 90分束镜、底片夹、载物台各 1 个，反射镜、扩束镜、待摄物体各 2 个)。实验准备 确保全息实验台配件齐全，准备全息底片 2 片、暗室设备及药品。L.KHOHe-NeLMHHe-NeL.KSL1L2OM1M2 实验步骤首先要熟悉本实验所用仪器和光学元件。打开激光器电源，点亮 He-Ne 激光器，调整其工作电流，使其输出最强的激光，然后按下述内容和步骤开始进行实验。(1) 漫反射全息图的拍摄 按漫反射全息光路图摆放好各元件的位置，整个光路大概占实验台面的三分之二左右。各光束都应与台面平行，通过
33、调平面镜的俯仰角来调节。且光点都要打到各元件的中心部位。两束光的光程差约为20cm,光程都是由分束镜开始算起,沿着光束前进的方向量至全息底片为止。物光与参考光夹角为 3050。参考光与物光的光强比为3:18:1（通过调整扩束镜的位置来实现） 。曝光时间为 6S。上底片及曝光拍照（底片上好后要静止 12min） ，药膜面要正对物体放。(2) 白光再现反射全息图 按反射全息光路摆放好各元件的位置，先不放入扩束镜 L，各光事与台面平行。 调整硬币，使之与干板（屏）平行，使激光束照在硬币的中心。 放入扩束镜，使光均匀照射且光强适中，确定曝光时间为3s。 曝光，硬币与干板间距为 1cm。(3) 底片处理
34、 显影。显影后冲洗 1min，停显 30s 左右，定影 35min，定影后可打开白炽灯，用水冲洗干板 510min，再用吹风机吹干（吹时不可太近且不可正对着吹，以免药膜收缩） 。(4) 再现观察 漫反射全息图的再现。 白光再现反射全息图的观察。数据处理 本实验无数据处理内容1. 全息照像有哪些重要特点?答：全息照相是利用光波的干涉和衍射原理，将物体“发出”的特定波前（同时包括振幅和位相）以干涉条纹的形式记录下来，然后在一定条件下，利用衍射再现原物体的立体像。全息照相必须分两步进行：（1）物体全息图的记录过程；（2）立体物像的再现过程。2. 全息底片和普通照像底片有什么区别?答：（1）全息照相能
35、够把物光波的全部信息（即振幅和相位）全部记录下来，而普通照相只能记录物光波的强度（既振幅），因此，全息照片能再现出与原物体完全相同的立体图象。（2）由于全息照片上的每部分都包含了被摄物体上每一点的光波信息，所以，它具有可分割性，即全息照片的每一部分都可以再现出原物体的立体图象。（3）在同一张全息底片上，可以采用不同的角度多次拍摄不同的物体，再现时，在不同的衍射方向上能够互不干扰地观察到每个物体的立体图象。3. 为什么安装底片后要静止一段时间，才能进行曝光?答：为了减少震动，提高拍摄质量，减震是全息照相的一项重要措施，要保证照相质量，光路中各元器件的相对位移量要限制在/2 范围内。5. 普通照像
36、在冲洗底片时是在红光下进行的，全息照像冲洗底片时为什么必须在绿光甚至全黑下进行? 答：因为全息干板涂有对红光敏感的感光材料，所以冲洗底片时必须在绿光甚至全黑下进行。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 ,196
37、4 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
38、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，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(t - 2r + 0) 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 (= 2f) 、振幅 E0 、相位 (t - 2 +0) 表示. 人眼之所以能看到物体
39、,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”
40、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
41、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)
42、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
43、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
44、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 3045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
45、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 510min，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
46、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影响本实验成功与否的因素较多，实验的实际操作也比较繁琐，因而学生感到完成实验有一定难度，因此在授课中强调学生一定要耐心调试。2装全息干板时因在黑暗中操作，特别要注意不能碰动光路，其药膜面应向着激光（既粗糙的一面）千万不能装反；3全息干板与被摄物的距离应控制在 10CM 之内，且应保证全息干板尽可能正对被摄物，以接收多的物光。
