全息照相实验技巧探讨.doc

全息照相实验技巧探讨王俊(100104239，10级机械工程及自动化（2）班)摘要: 该文在全面理解全息照相“干涉记录, 衍射再现”原理的基础上, 分析了影响激光全息照相实验的诸因素, 并对这些因素进行了深入的探讨, 对提高全息图质量, 提出了具体的解决方法。关键词: 激光全息照相; 全息图; 干涉; 衍射; 光程差Hologram experiment skill discussionWangJun(100104239, mechanical engineering and automation (2) class) Abstract: This article was understanding comp rehensively the hologram“interferes the record, the diffraction reapearance”in the p rincip le foundation, analyzed various factorswhich influence laser hologram experiment, and caried on the deep discussion to these factors to imp rove the hologram quality, and p roposed the concrete solution.Key words: laser hologram; hologram; interference; diffraction; light path difference 光是一种电磁波, 它的全部信息包含: 振幅(反映物体上各点发出的光的强弱, 决定像的强度) , 位相(反映物体上各点在空间的相对位置,决定像的形状) 和频率(反映光的颜色) 。普通照相只记录了振幅, 得到的是二维平面像, 而全息照相在记录振幅信息的同时还记录了位相信息, 即记录了光波的全部信息。因而这种照相称为全息照相。全息照相得到的是三维空间的立体像, 它所依据的基本原理通常概括为“干涉记录, 衍射再现”。全息摄影技术的应用十分广泛, 目前, 已应用于精密测量、无损探伤、空气动力学、高速摄影、全息显微术、信息处理和信息储存等许多领域。1. 全息照相简述 由光的波动理论知道, 光波是电磁波。一列单色波可表示为x = A (cost +2r/)-(1)式(1) 中A 为振幅, 为圆频率, 为波长, 为波源的初相位。一个实际物体发射或反射的光波比较复杂, 但是一般可以看成是由许多不同频率的单色光波的叠加。光在传播过程中, 借助于它们的频率、振幅和相位来区别物体的颜色(频率) 、明暗(振幅平方) 、形状和远近(相位) 。普通照相是通过成像系统(照相机镜头) 使物体成像在感光材料上, 材料上的感光强度与物体表面光强分布有关, 因为光强与振幅平方成正比,所以它只记录了光波的振幅信息, 无法记录物体光波的相位差别。因此普通照相记录的只能是物体的一个二维平面像, 缺乏立体感。全息照相是通过光波的干涉原理作记录, 它不仅记录了物体发出或反射的光波的振幅信息, 而且把光波的相位信息也记录下来, 所以全息照相技术所记录的并不是普通几何光学方法形成的物体像,而是物光光波本身。它记录了光波的全部信息, 并且在一定条件下, 能将所记录的全部信息完全再现出来, 因而再现的物像是一个逼真的三维立体像。全息照相包括2个过程, 第一, 把物体光波的全部信息记录在感光材料上, 称为记录(拍摄)过程; 第二, 照明已被记录下全部信息的感光材料, 使其再现原始物体的光波, 称为再现过程。全息照相的基本原理是以波的干涉为基础, 所以除光波外, 对其他的波动过程, 如声波、超声波等也都适用。2. 全息照向的拍摄原理拍摄全息照片的基本光路大致如图(1) 一激光光源（波长为 ）的光分成两部分：直接照射到底片上的叫参考光；另一部分经物体表面散射的光也照射到照相底片，称为物光。参考光和物光在底片上各处相遇时将发生干涉，底片记录的即是各干涉条纹叠加后的图像。关于强度：显然参考光各处的强度是一样的，但由于物体表面的反射率不同，所以物光的强度各处不同。因此，参考光和物光叠加干涉时形成的干涉条纹各处浓淡也就不同。 关于相位。如图(2)。设O为物体上某一发光点 图（1） 图（2）3. 影响全息照相实验成功的因素3. 1 系统稳定性对实验结果的影响 由于全息图上所记录的是参考光和物光的干涉条纹, 而这些条纹非常细, 在曝光过程中, 极小的振动和位移都会引起干涉条纹的模糊不清, 甚至使干涉条纹完全不能记录下来。3.2 光路对实验结果的影响3.2.1 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涉条纹。3.2.2 参考光和物光的夹角的影响。假如全息干板上干涉条纹的间距为d, 光源波长为。根据干涉原理, d 与参考光和物光之间的夹角有关d =/2 sin/2, 而干板分辨率 与d 有关 =d= 2 sin(/2)/)。可以看出, 角愈大, 所记录的干涉条纹就越细, 对干板的分辨率要求越高,故夹角不能太大。而夹角对全息图再现象时的观察窗(视角) 有影响, 夹角大, 可在较大范围内从不同角度观察物象, 反之, 观察窗则小, 因此夹角也不能太小。3.2.3 物光与参光度比对实验效果的影响 由实验原理可分析出, 得到满意的实验效果涉及许多因素, 比如实验系统要有高抗振性、物光与参考光光路差要小、干板质量要高等。其中, 认为物光与参考光强度比例控制得当是影响实验成功率及效果的关键因素。对底片记录物像信息的过程作以下分析。将坐标轴取在全息底版(即图1中的H )上, 取其中心为坐标原点O, 建立XYZ空间直角坐标系。XOY 面与全息底版重合, Z 轴与其垂直。设物光和参考光在全振幅分别为:O( x, y) = O0 ( x, y ) exp iO ( x, y) ( 1)R( x, y) = R0 ( x, y ) exp iR ( x, y) ( 2)其中0 ( x, y)和R ( x, y )是物光和参考的相位分布, O0 ( x, y)和R0 ( x, y )为物光和参考光的振幅分布。根据叠加原理, 底版上的合光全振幅U ( x, y) = O ( x, y) + R( x, y) ( 3)O( x, y) = exp io( x, y ) + R( x , y ) exp ir( x , y ) ( 4)第三、四项为物光与参考光之间的相干。它把物光的位相信息转化成不同光强的干涉条纹记录在干涉场中的照相底片上, 存储了物像信息。由此可见, 物光和参考光的光强是决定实验效果最直接的物理量, 而其比例也至关重要。对于一般的双光束干涉而言, 两束光光强相等时, 干涉条纹对比度最强。而对全息照相的记录介质来说, 曝光量和振幅透过率的特性曲线是非线性的, 在曲线两端发生畸变, 产生较高阶的衍射光, 干涉效率降低。另一方面, 当物光比参考光过强时, 斑纹比较显著, 产生较大量的晕轮先围绕零级衍射光降低了成像的光通量, 致使效率降低。因此物光与参考光光强比对于全息照相的质量影响极大。经验表明, 物光与参考光光强比在4: 1至5:1之间时, 实验效果最好。以往实验中, 学生仅仅以肉眼粗略判断两光光强, 难以精确控制物光与参考光的光强比。为了解决这一难题, 笔者提出了一种照度测量方案。 3.2.4 全息干板的影响 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, 都会造成实验的失败。3. 3 曝光与显影对实验结果的影响3.3.1 曝光时间的影响 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。3.3.2 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。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; 而显影时间太短, 干板上条纹不能出现, 无法形成复杂的衍射光栅, 甚至是一块透明玻璃片, 也无法再现像。4. 提高激光全息照相实验成功率的具体做法4.1 保证拍摄系统的稳定 对于我们所用的激光波长为632. 18 nm的HJ 2型氦氖激光器, 在曝光过程中, 必须保证拍摄系统的移动不得超过干涉条纹间距的1 /4。我们实验室用的是GSZ 2 型光学实验平台, 全息台上的所有光学器件都用磁性材料牢固地吸在工作台钢板上。将各光学元件夹持稳定, 将被照物体粘牢在载物台上或夹紧在架上, 将曝光定时器离开全息台放置。由于气流通过光路, 声波干扰以及温度变化都会引起周围空气密度的变化, 因此, 在准备拍摄前必须远离全息台, 保持安静, 静止2 min以上再启动曝光定时器, 并且在曝光期间不能讲话、走动和发出任何声响, 保证环境稳定, 曝光后再静等20s以上, 才能取下干板, 用黑纸包好。4.2 安排和调整光路的具体做法4.2.1 光路摆放 按图1所示光路将, 各元件大致摆放到各自的相应位置上, 调整各元件, 使各光束都与台面平行且与各元件中心重合, 开始时不要加扩束镜。4.2.2 测量光程测量物光与参考光的光程, 从分束镜开始, 沿着光束的前进方向量至全息干板为止, 按等光程按排光路为好, 光程差不得大于1 cm。4.2.3 夹角选择 根据上面的分析, 本实验中选择参考光和物光的夹角取2030为宜。4.2.4调节光强比 由上所述可知, 要达到较好的效果, 应使参考光增强, 以避开非线性区, 减少斑纹效应。但尽管用一束强光做物光, 物光照到物体上经物体吸收后再反射到干板上的光已比参考光弱得多了, 对于我们功率只有5 MW的激光器, 参考光和物光的光强比太大, 会造成对比度差、象不清楚, 所以又必须使物光增强。多次实验研究表明: 被摄物如果是瓷器, 应与全息干板距离较近(35 cm) , 若拍摄硬币可与全息干板距离远一些(可达10 cm) 。放入扩束镜后, 调节物体方位, 使物体漫反射光的最强部分均匀地落在全息干板上,参考光应均匀照明并覆盖整个全息干板, 两光光强比为315 1较为合适。4.3 拍摄全息图及再现观察4.3.1 拍摄底片 关闭室内所有光源, 在全暗条件下学会判断全息干板药膜面的方法, 即用两手指同时摸全息干板两面, 较涩的一面为药膜面, 光滑的一面为玻璃面。取下白屏, 将全息干板药膜面面向被摄物体固定在干板架上。4.3.2 设置曝光时间曝光时间的长短与光源的功率有关, 对于功率较大的光源, 曝光时间可适当短些, 若光源功率小, 则曝光时间可适当长些。一般文献上要求曝光时间为3 4 min, 实际上, 曝光时间长很难保证拍摄过程中周围环境绝对安静, 对于我们使用的功率为5 MW的HJ 2型氦氖激光器和天津感光胶片厂生产的型全息干板来说, 曝光时间选择在30 s左右就可以了, 但也要看被摄物体的反光程度, 对于反光较强的物体, 曝光时间可适当缩短, 反之, 则适当长。4.3.3 设置显影时间选择显影时间应与曝光量、显影液的浓度及温度等情况加以综合考虑。在曝光量正常的情况下, 用D219显影液, 其温度在2015时, 显影时间一般十几秒即可, 但在温度较高、且新配的药水的情况下, 可能几秒钟干板就变黑, 显影时间应视实际情况而定(但不要超过3 min) 。应将干板放在显影液中并轻轻搅动液体, 几秒钟后将干板对着暗绿灯观察, 看到微黑时即可用清水冲洗, 冲洗干净放入定影液中2 4min, 定影过程中也应不断搅动定影液, 之后放入清水中冲洗515 min,再进行干燥。另外, 配置好的药水应放在茶色玻璃瓶中避光保存, 学生操作时要避免将一种药水带入另一种药水中。万一显影或曝光过度, 可放入漂白液中进行减薄处理, 减薄处理可在白光下进行, 不停地拿出观察, 减薄程度适可而止, 不可太过, 否则全息图消失。4.3.4再现观察 将处理好的全息底片放在图2光路中观察全息图, 再现时也可用强光照射全息图, 以增加其亮度。参考文献(References)： 1 陈国杰，谢嘉宁物理实验教程M武汉