全息照相实验报告.docx

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程子豪2023035012 少年班01
一、试验目的:
了解全息照相记录和再现的根本原理和主要特点;
学****全息照相的操作技术;
观看和分析全息图的成像特性。
二、试验原理:
全息照相原理的文字表述:
一般照相底片上所记录的图像只反映了物体上各点发光〔辐射光或反射光〕的强弱变化,显示的只是物体的二维平面像,丧失了物体的三维特征。全息照相则不同,它是借助于相干的参考光束和物光束相互干预来记录物光振幅和相位的全部信息。这样的照相把物光束的振幅和相位两种信息全部记录下来,因而称为全息照相。
全息照相的根本原理早在1948年就由伽伯〔〕觉察,但是由于受光源的限制
〔全息照相要求光源有很好的时间相干性和空间相干性〕,在激光消灭以前,对全息技术的争辩进展缓慢,在60年月激光消灭以后,全息技术得到了快速的进展。目前,全息技术在干预计量、信息存储、光学滤波以及光学模拟计算等方面得到了越来越广泛的应用。伽伯也因此而获得了1971年度的诺贝尔物理学奖。
全息照相在记录物光的相位和强度分布时,利用了光的干预。从光的干预原理可知:当两束相干光波相遇,发生干预叠加时,其合强度不仅依靠于每一束光各自的强度,同时也依靠于这两束光波之间的相位差。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预叠加,感光底片将与物光有关的振幅和位相分别以干预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。
具体来说,全息照相包括以下两个过程:1、波前的全息记录
利用干预的方法记录物体散射的光波在某一个波前平面上的复振幅分布,这就是波前
的全息记录。通过干预方法能够把物体光波在某波前的位相分布转换成光强分布,从而被照相底片记录下来,由于我们知道,两个干预光波的振幅比和位相差打算着干预条纹的强度分布,所以在干预条纹中就包含了物光波的振幅和位信任息。典型的全息记录过程是这样的:从激光器发出的相干光波被分束镜分成两束,一束经反射、扩束后照在被摄物体上,经物体的反射或透射的光再射到感光底片上,这束光称为物光波;另一束经反射、扩束后直接照耀在感光底片上,这束光称为参考光波。由于这两束光是相干的,所以在感光底片上就形成并记录了明暗相间的干预条纹。干预条纹的外形和疏密反映了物光的位相分布的状况,而条纹明暗的反差反映了物光的振幅,感光底片上将物光的信息都记录下来了,经过显影、定影处理后,便形成与光栅相像构造的全息图—全息照片。所以全息图不是别的,正是参考光波和物光波干预图样的记录。明显,全息照片本身和原来物体没有任何相像之处。
2、衍射再现
物光波前的再现利用了光波的衍射。用一束参考光〔在大多数状况下是与记录全息图时用的参考光波完全一样〕照耀在全息图上,就好似在一块简单光栅上发生衍射,在衍射光波中将包含有原来的物光波,因此当观看者迎着物光波方向观看时,便可看到物体的再现
像。这是一个虚像,它具有原始物体的一切特征。此外还有一个实像,称为共轭像。应当指出,共轭波所形成的实像的三维构造与原物并不完全相像。
双曝光全息技术用于微小位移〔形变〕的测量:
图一双曝光法光路图
〔上述文字节选自《利用双曝光全息干预场测物体微小位移》的论文〕
、像面全息的试验原理:
将物体靠近全息记录介质,或利用成像系统将物体成像在记录介质四周,再引入一束与之相干的参考光束,即可制作像全息图。当物体紧贴记录介质或物体的像跨立在记录介质外表上时,得到的全息图称为像面全息图。因此,像面全息图是像全息图的一种特例。像面全息图的特点是可以用宽光源和白光再现。对于一般的全息图,当用点光源再现
时,物上的一个点的再现像仍是一个像点。假设照明光源的线度增大,像的线度也随之增大,从而
产生线模糊。计算说明,记录时物体愈靠近全息图平面,对再现光源的线度要求就愈低。
当物体或物体的像位于全息图平面上时。再现光源的线度将不受限制。这就是像面全息图可以
用宽光源再现的缘由。全息图可以看成是很多基元全息图的叠加,具有光栅构造。当用白光照明时,再现光的方向因波长而异,故再现像点的位置也随波长而变化,其变化量取决于物体到全息图平面的距离。可见,各波长的再现像将相互错开又交叠在一起,从而使像变得模糊不清,产生色模糊。当全息干板处于离焦位置(即不在成像面上)时,再现像的清楚度将下降。离焦量越大,再现像就越模糊不清。然而,像面全息图的特征,是物体或物体的像位于全息图平面上,因而再现像也位于全息图平面上。此时,即使再现照明光的方向转变,像的位置也不发生变化,只是看起来颜色有所变化罢了。这就是像面全息图可以用白光照明再现的缘由所在。
、试验根本条件:
1、一个好的相干光源。全息原理在1948年就已提出,但由于没有适宜的光源而难以实现。激光的消灭为全息照相供给了一个抱负的光源,这是由于激光具有很好的空间相干性和时间相干性。,应尽可能使两光束的光程接近,以使光程差在激光的相干长度内。
2、一个稳定性较好的防震台。由于全息底片上所记录的干预条纹很细,相
当于波长量级,在照相过程中微小的干扰都会引起干预条纹的模糊,不能形成全息图,因此
要求整个光学系统的稳定性良好。从布拉格法则可知:条纹宽度d=læqö,由此
2sinç2÷
è ø
公式可以估量一下条纹的宽度。当物光与参考光之间的夹角q=60°时,l=,
则d=。可见,在记录时条纹或底片移动1mm,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〔包括光源和被摄物体〕都必需牢结实定在防震台上。从公式可知,当q角减小时,d增加,抗干扰性增加。但考虑到再现时使衍射光和零级衍射
光能分得开一些,q角要大于300,一般取450左右。还有适当缩短曝光时间,保持环境安静都是有利于记录的。
3、高区分率的感光底片。一般感光底片由于银化合物的颗粒较粗,每毫米只能记录几十至几百条,不能用来记录全息照相的细密干预条纹,必需承受高区分率的感光底片
要获得最终的全息图,充分了解和学****感光底片的显影、定影、冲洗等有关摄影的暗室技术学问也是不行缺少的。
三、试验步骤:
、同轴全息照相试验:
1、调整防震台,调整各光学元件的中心等高,,使激光光束大致与试验台平行。
翻开He-Ne激光器,摆好光路,使光路系统满足以下要求:
物光和参考光的光程大致相等;
经扩束镜扩展后的参考光应均匀照在整个底片上,被摄物体各局部也应得到较均匀照明。
使两光束在底片处重叠时之间的夹角范围为15到45度为宜。
在底片处物光和参考光的光强比在适宜的范围之内。
关上照明灯〔可开暗绿灯〕,确定曝光时间,调好定时曝光器。可以先练****一下快门的使用。
关闭快门挡住激光,将底片从暗室中取出装在底片架上,应留意使乳胶面对着光的入射方向。静置后进展曝光。曝光过程中确定不准触及防震台,并保持室内安静。
显影及定影。显影液与定影液由试验室供给。显影定影温度以20摄氏度最为适宜。,定影时间3~5分钟。定影后的底片应放在清水中冲洗5~10分钟,晾干。
图2
、双曝光全息术测微小位移:
,只是将物体替换为小铁片,将它处于竖直位置及加应力之后偏离竖直位置时的全息图都记录在一块底版上,观看干预条纹以猎取数据。
、像面全息图〔白光再现〕:
选择元件:依据光路图选择适宜的光学元件及镜架。
调整光路:选择其中一条光路依据光路图拼搭和调整光路。通过移动反射镜调整参
考光的光程,使参考光与物光的光程差接近于零。物光与参考光的夹角不要太大,一般在15到45度之间。全息干板应位于物体的共轭面(即成像面)上。物体像的大小可通过调整物体和全息干板的位置来把握。最好将物体置于两倍焦距处,使之1:1成像。以防止像的失真。:依据物体的反射性能,通过调整分束镜,使参考光与物光的光束比为处于一个适宜的范围。
:在暗室中稳定后进展曝光。,定影时间3~5分钟。定影后的底片应放在清水中冲洗5~10分钟,,即得到吸取型像面全息图。:为了提高衍射效率,用漂白液进展漂白处理,把黑色局部消退后再稍做浸泡,水洗数分钟后晾干,即得到相位型像面全息图。
图3
四、试验记录与数据分析:
数据记录
成分
温水〔50℃〕米吐尔
无水亚硫酸钠对苯二酚
无水硫酸钠溴化钾
注:溶解后加水至1000ml。
成分
温水〔60℃-70℃〕硫代硫酸钠
无水亚硫酸钠醋酸
硼酸
硫酸铝钾矾
注:溶解后加水至1000ml。

表一D-19显影液配方用量
800ml2g90g8g48g5g
表二F-5定影液配方用量
600ml240g
15g
45ml
8g15g
表三漂白剂配方

作用
显影剂〔快速复原,显像较软〕保护剂〔防止药液氧化〕
显影剂〔慢速显影,显影较硬〕促进剂
抑制剂〔防止产生灰雾〕
作用
定影〔溶去未感光的溴化银〕保护剂〔使硫代硫酸钠遇酸不分解〕
停显剂〔中和显影液,以停顿显影〕
坚膜剂〔使乳剂药膜结实〕抑制剂〔防止亚硫酸铝沉淀产生〕
成分 ***铵用量 20g
浓硫酸
14ml
溴化钾
92g
水
1000ml
表四全息照相〔及双曝光全息测微小位移〕试验数据〔请结合图2〕
分束镜à全反镜M1
全反镜M1à物体物体à感光底版



分束镜à全反镜M2
全反镜M2à感光底版



室温
℃
显影时间
1min
定影时间
3min
曝光时间
2s
He-Ne激光器波长

表五白光再现像面全息试验数据〔请结合图3〕
分束镜à全反镜M1

全反镜M1à物体
物体à感光底版



分束镜à全反镜M2
全反镜M2à感光底版



室温
℃
显影时间
30s
定影时间
3min
曝光时间
2s
He-Ne激光器波长

试验掠影
依据图2搭建的光路
全息照相
双曝光全息法测微小位移
白光再现像面全息
试验结果分析:
对全息照相试验的分析:
一、系统稳定性对试验结果的影响:
由于全息图上所记录的是参考光和物光的干预条纹,而这些条纹格外细,在曝光过程中,微小的振动和位移都会引起干预条纹的模糊不清,甚至使干预条纹完全不能记录下来。
二、光路对试验结果的影响:
参考光和物光的光程差的影响。参考光和物光的光程差不能太大,不能大于所用激光的相干长度,否则两者不能相干,无法在全息干板上获得干预条纹。
参考光和物光的夹角的影响。假设全息干板上干预条纹的间距为d,光源波长为λ。依据干预原理,d与参考光和物光之间的夹角θ有关d=λ/2sin(θ/2),而干板区分率η与d有关η=1/d=2sin(θ/2)/λ。可以看出,θ角愈大,所记录的干预条纹就越细,对干板的区分率要求越高,故夹角θ不能太大。而夹角θ对全息图再现象时的观看窗(视角)有影响,夹角大,可在较大范围内从不同角度观看物象,反之,观看窗则小,因此夹角θ也不能太小。
参考光和物光的光强比的影响。,假设2束光的光强一样,干预条纹可得到最大的比照度,这对一般线性承受元件是适宜的。而对全息照相的记录介质来说,曝光量(T)和振幅(H)透过率的特性曲线是非线性的,在曲线两端发生奇变,如以下图所示,产生较高阶的衍射光,使衍射效率降
低。 干板的曝光特性
另一方面,当物光比参考光强,斑纹比较显著,产生较大量的晕轮光围绕零级衍射光,降低了成象的光通量,致使效率降低。
全息干板固定不牢或夹持位置偏差大,以及把有药面的一面与玻璃面放反,都会造成试验的失败。
三、曝光与显影对试验结果的影响
曝光时间的影响。假设曝光时间太短,底板上条纹太浅甚至没有,简单的衍射光栅无法形成,固然也就无法再现像。假设曝光时间太长,底板可能太黑,光线的透过率降低。另外,曝光时间越长,保持系统稳定性越难,曝光时间内突然的躁声和振动会使拍摄失败[。
显影时间的影响。显影的程度是否适当对全息图质量影响很大。假设显影时间太长,全息干板发黑,光线的透射率降低,无法再现像;而显影时间太短,干板上条纹不能消灭,无法形成简单的衍射光栅,甚至是一块透亮玻璃片,也无法再现像。
我们的全息片看上去只有一半可以显像,缘由可能是这样的:
观看角度的问题;
片子在清洗过之后将来得及完全枯燥就直接观看了,衍射时必定会产生影响;
拍摄过程中参考光未能掩盖整块底版,或是相干区域不够致使拍片时就没有完全到达要求。