(漫反射全息照相)实验方案格式.doc

题目（漫反射全息照相）姓名：罗颖 学号：201007051104 指导教师：喻凌一、课题的意义与目的学习和掌握漫反射全息照相的基本原理。掌握漫反射全息照相的实验技术。观察物象再现，了解全息图的基本性质、观察并总结全息照相特点。二、实验的理论依据全息照相的基本原理早在1948年就由伽伯（D. Gabor）发现，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），在激光出现以前，对全息技术的研究进展缓慢，在60年代激光出现以后，全息技术得到了迅速的发展。目前，全息技术在干涉计量、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。普通照相是把物体表面上个点发出的光的强弱变化经照相物镜成像，并记录在感光底片上，这只记录了物光波的光强信息，而失去了描述光波的另一个重要因素位相信息，于是在照相底片上能显示的只是物体的二维平面图。全息照相不仅可以把物光波的强度分布信息记录在感光底片上，而且可以把物光波的位相分布信息记录下来，即把物体的全部光学信息完全地记录下来，把所得的光干涉图样再经光化学处理后就成为全息图。当按照所需要的光照明此全息图时，就能再现三维物体的原像，是激光的一种重要应用。全息照相是以光的干涉、衍射等物理光学的规律为基础，借助于参考光波记录物光波的振幅与位相的全部信息，在记录介质（如感光干版）上得到的不是物体的像，而只有在高倍显微镜下才能观察得到的细密干涉条纹，称之为全息图。（在感光版上看见的同心环，斑纹之类不是原来物体的真正信号，而是由给出参考光的发射镜上的灰尘微粒及其它散射物引起的。）条纹的明暗程度和图样反映了物光波的振幅与位相分布，好象是一个复杂的衍射光栅，只有经过适当的再照明才能重建原来的物光波。全息照相是一种采用相干光源的两步成像过程。第一步是在记录介质上记录由参考光和物光形成的复杂的干涉图样全息图，第二步是在适当的照明下从全息图再现出物体通常的图像，所以全息照相的基本理论，实质上是一种较为广义的双光束干涉场的计算。1、全息照相与全息照相术在介绍全息照相的基本原理之前，首先看一下全息照相和普通照相有什么区别。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，不再存在视差，改变观察角度时，并不能看到像的不同侧面。图1 波前干涉实物光路图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。2、全息记录用激光光源照射物体，物体因漫反射发出物光波。波场上没一点的振幅和相位都是空间坐标的函数。我们用O表示物光波没一点的复振幅与相位。用同一激光管员经分光板分出的另一部分光直接照射到地板上，这个光波称为参考光波，它的振幅和相位也是空间坐标的函数，其复振幅和位相用R表示，草考光通常为平面或球面波。这样在记录信息的底板上的总光场是物光与参考光的叠加。叠加后的复振幅为O+R，如图从而底板上各点的发光强度分布为 （式1）式子中，O*与R*分别是O和R的共轭量；I。，IR分别为物光波和参考光波独立照射底版时的放光强度。全息照相的光路图如下图所示：物相再现，底板经过曝光冲洗后，形成各处透光率不同的全息照片，它相当于一个复杂的光栅。一般来说，光透过这样的全息照片时，振幅以及位相都要发生变化。如果令t透过光的复振幅/入射光的复振幅 （式2）则复振幅透过率t一般为复数。但对于平面吸收型全息照片t为实数。如果曝光及冲洗合适，可使得 （式3）物象再现是用光照射已经摄制好的全息照片并观察透过光。这个过程称为波前重现，通常再照光与拍摄全息照片的参考光束R相同，因此，透过的光波的复振幅与位相用W表示，则： （式4）第一项与参考波R成正比，是按一定比例重建的参考波，或者说是直接透过再找光相当于零级衍射波。第二项与原来的物光成正比，是按一定比例重建的物光波，相当于一级衍射波。这个光波根据惠更斯原理继续传播，与原来物体在原来位置发出的光波相同，仅仅是振幅按一定比例改变，位相改变180度。因此全息照片后面的观察者对这个光波方向观察时，可以看到原来物体的三维立体像。如图所示：第三项与物光波的公轭光波O*有关。它是因衍射而产生的另一个一级衍射波，称为孪生波。这意味着在须向的相反一侧会聚称一个共轭的实像。3、实验条件为了实现全息照相，实验装置必须具备下述的三个基本条件：一个好的相干光源。全息原理在1948年就已提出，但由于没有合适的光源而难以实现。激光的出现为全息照相提供了一个理想的光源，这是因为激光具有很好的空间相干性和时间相干性。本实验用多纵模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。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。从布拉格法则可知：条纹宽度，由此公式可以估计一下条纹的宽度。当物光与参考光之间的夹角时，则。可见，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（包括光源和被摄物体）都必须牢牢固定在防震台上。从公式可知，当角减小时，d增加，抗干扰性增强。但考虑到再现时使衍射光和零级衍射光能分得开一些，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。高分辨率的感光底片。普通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涉条纹，必须采用高分辨率的感光底片（一般采用条纹宽度d的倒数表示空间频率或感光材料的分辨率）。我们采用的是天津感光胶片厂出品的GS-I型红光干版。其极限分辨率为3000条每毫米。其实，要获得最终的全息图，充分了解和学习感光底片的显影、定影、冲洗等有关摄影的暗室技术知识也是不可缺少的。三、实验的具体内容全息照相包含两个过程：光的干涉和衍射。1.全息照相（1）设计光路系统如下图，打开激光光源预热，激光器的电流指示为67mA，光路系统应该满足下列条件：反射镜分光镜激光器电动快门扩束键物体感光底板扩束键反射镜(1)调节防震台。使防震台上的扩束镜、分束镜、全反射镜如下图形成等腰三角形放置，气嘴应向外。然后再把钢板压上。用水平仪测量钢板的水平度，如果不平，可稍稍调节，直到调平为止。(2)打开激光器，参照图摆好光路，使光路系统满足下列要求：（1）物光和参考光的光程大致相等；（2）经扩束镜扩展后的参考光应均匀照在整个底片上，被摄物体各部分也应得到较均匀照明。（3）使两光束在底片处重叠时之间的夹角小于30度为宜。（4）在底片处物光和参考光的光强比约为1:2 1:6，具体要视情况而定。(3)关闭室内照明灯，用光电池测量放感光板处参考光束和物光光束的强度，以检验发光强度比是否符合要求。曝光时间应该控制在810s之间。(4)关闭快门挡住激光，将底片从暗室中取出装在底片架上，应注意使乳胶面对着光的入射方向。静置三分钟后进行曝光。曝光过程中绝对不准触及防震台，并保持室内安静。(5)显影及定影。显影液采用定影液采用第一组配置好的。它们由实验室提供，显影定影温度以20摄氏度最为适宜。显影时间25分钟，定影时间510分钟。定影后的底片应放在清水中冲洗510分钟（长期保存的底片定影后要冲洗20分钟以上），晾干。2.全息照相的再现光的衍射(1)用激光照射全息照片的正面。尽可能使光照方向与原来参考光束方向一致，从照片反面可以观察到物象。(2）用1）的方法观察到正立的三维图象后，旋转全息照片180度，使其反面被激光照射。(3）在灯光下反过来看是否看到物体的像。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。再现过程的观察，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、实验方法及手段1.实验方法：即完成该实验内容所需的方法有实验探究法、假设法、估算近似法等等2.所需实验器材：防震光学平台、氦氖激光器、曝光定时器及快门、扩束透镜（两个）、分束器、反射镜（两个）、全息型干版、显影液和定影液及暗房设备。五、实验进度计划1.准备阶段（中午一小时）具体做法：按上图调节光路图。使防震台上的扩束镜、分束镜、全反射镜在光路中的高度相同，使得激光可以准确的干涉和反射，用直尺去进行测量使得物光和参考光的光程大致相等。使两光束在底片处重叠时之间的夹角小于30度为宜，在底片处物光和参考光的光强比约为1:2 1:6，具体要视情况而定，检查第一组配的定影液、显影液是否被污染。2.实施阶段（晚上:19:00到21：30）具体做法：关闭室内照明灯，切割玻片，检查中午调节好的光路。用板查看全息干涉形成的干涉波确定好位置，关闭室内照明灯，关闭激光，放入波片进行上述实验内容。包好照好的波片，开始显影、定影，完成后拿在灯光下看看自己照的全息照相干涉条纹的图片，检查是否可以看到物体的像。3.总结阶段具体做法：检查自己做的干涉条纹是否清楚，分析讨论不清楚的原因是什么。检查是否可以观察到实物的像，分析观察不到原因是什么。检查自己照的干涉条纹在几天后是否还在，分析消失的原因是定影太稀还是什么原因。六、课题完成后的预期效果（或完成本课题后要提交的成果）实验最终照出的像没有呈现出完整的物象，干涉波纹也不清楚，只是照出了一个点，分析原因可能是物光打在物体上时只照在了物体的局部，而没有照到完整的物体，因此成像只是物体的一部分；另外一个可能的原因是在放干板时可能判断错了有溴化银的一面，将干板放反，使没有溴化银的一面对着光路，这样的话有溴化银的一面接受到的光强就会非常弱，而且成像也与预期的不一样。还可能因为曝光时间难以控制，如果曝光时间太短, 底板上条纹太浅甚至没有, 复杂的衍射光栅无法形成, 当然也就无法再现像。若曝光时间太长, 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。还可能因为显影时间难以控制。显影的程度是否适当对全息图质量影响很大。若显影时间太长, 全息干板发黑, 光线的透射率降低, 无法再现像; 而显影