基础物理实验研究性报告-全息照相(百度文库分享用).doc

基础物理实验研究性报告全息照相实验及其方法改进Author 作者姓名 School number作者学号 Institute所在院系 2014 年5 月20 日 全息照相实验及其方法改进 目录摘要1一.实验目的2二. 实验仪器2三.实验原理21全息照相：22两次曝光法测定金属的弹性模量：5四. 实验内容71、 全息照片的拍摄和全息像的再现72、 二次曝光法测定铝板的杨氏模量9五. 数据处理91、 原始数据记录92、 数据处理103、问题分析：10六 对全息照相的研究和改进11八 结束语12参考文献13北京航空航天大学 基础物理实验研究性报告 摘要 本文主要介绍了何为全息照相以及与其有关的三个实验的实验目的、原理、仪器、步骤和数据处理。最后针对实验成功率不够高、成像不够清晰这一问题搜集总结了改进光路方法。关键词：全息照相 成像清晰度 改进光路 一.实验目的1、 了解全息照相的基本原理，熟悉反射式全息照相与透射式全息照相的基本技术和方法；2、 掌握在光学平台上进行光路调整的基本方法和技能；3、 学习用二次曝光法进行全息干涉测量，并以此测定铝板的弹性模量；4、 通过全息照片的拍摄和冲洗，了解有关照相的一些基础知识。二. 实验仪器氦氖激光器及电源一套、分束镜一块、平面镜3面、被摄物一个、砝码加载器及待测铝板、载物台、底板架1个、扩束镜2块、透镜1块，白屏1块，纯净水以及质量分数分别为40%，60%，80%，100%的异丙醇溶液若干，竹夹一个，RSP1型红敏光聚合物全息干板。注意事项：1 全息干板必须夹牢固，尽量不要有自由端，尽量避免震振动；2 全息干板必须夹牢固后，应该等待几分钟再拍摄相片，以释放干板的夹持应力，提高再现像的质量；3 拍摄光路上的光学元件必须用磁性表座固定，不用的仪器不要放在全息台上；4 尽量避免在较大噪声的环境中曝光；5 曝光时间内，不要在室内走动或者敲击全息台，以免振动影响干涉条纹的质量；三.实验原理 1全息照相： 全息照相所记录的是包括物光波前的振幅和位相在内的全部信息。该技术借助一束相干参考光，通过拍摄物光和参考光之间的干涉条纹，间接记录下物光的振幅和位相信息，然后使照明光按一定方向照射到全息图上，通过全息图的衍射再现物光波前，这时人眼便能看到物体的立体像。根据记录光路的不同，全息照相又分为透射式全息和反射式全息，若物光和参考光位于记录介质（干板）的同侧，则称为透射全息；若物光和参考光位于记录介质的异侧，则称为反射全息。 （1）透射式全息照相将干板垂直于纸面放置，两书相干平行光o、r按照图1所示方向入射到感光板上，他们与感光板法向夹角分别为和，并且o光中的两条光线1、2与r光中的两条光线和在A、O两点相遇并相干，于是在垂直于纸面方向产生平行的明暗相间的干涉条纹，亦即在感光板上形成一个光栅。如图1，光线与之间光程差为 ，光线1与2之间的光程差为，又由于光线2与等光程，所以光线1与间的光程差为，综上所述，所得干涉条纹间距为：（1）图 1 图 2而在通常情况下，物光与参考光都是发散球面波，将感光板至于直角坐标系OXY平面上，如图2，物光光线1、2与参考光线、。在A、O两点处相遇并相干。在A、O两点附近微小区域，可将这些光线视为一束微小的平行光，两束光在感光板上相遇并干涉，形成与Y轴方向平行的，间距为d的明暗条纹，结合式（1）有：（2）而干涉形成的全息图是以干涉条纹形式记录的物光波，相当于一块有复杂光栅结构的衍射屏，以光栅发现为基准，逆时针转至入（衍）射光线的入（衍）射角为正，则光栅方程为：（3）所以，让与参考光r完全相同的再现光照射到全息图上，就会在原物处看到与其等大的三维像，实现全息像的再现。（2）反射式全息照相反射式全息照相利用相干光记录全息图，但可以用“白光”照明得到再现像。因此，肉眼可以再室内可见光环境中方便地看到原物的虚像，本实验也采用此方法再现全息像,也是用该方法进行二次曝光法测量。物光与参考光从底片的正反两面分别引入并在底片介质中形成驻波，在平板乳胶面中形成平行于乳胶面的多层干涉面，由于物光与参考光之间的夹角接近于，故两相邻干涉面间的距离近似为：(4)用632.8nm的激光作为光源时，这一距离约为0,。32微米，会在厚度约为25微米的光致聚合物底板上形成约6080层干涉面（布拉格面），因而全息图是一个具有三维结构的衍射物体，再现光在这三维物体上的衍射极大值必须满足下列条件：光从衍射面上反射时，反射角等于入射角；相邻两干涉层之间的反射光光程差必须是，如图3，可得布拉格条件：（5）式中n是感光板的折射率。图 3 2两次曝光法测定金属的弹性模量：两次曝光法干涉图要求在同一记录介质上制作两个全息图，它将物体在两次曝光之间的形状改变永久地记录下来。在材料力学中，自由端受到集中载荷作用的悬臂梁的在中心线沿着y方向位移量按照挠度变形分布理论为：（6）式中L为梁的长度，E为材料的弹性模量，J为横截面的惯性矩，x为待测点位置坐标。按照图4所示的光路图（L为扩束镜，H为干板）组装实验仪器，第一次曝光记录下悬臂梁原始状态的全息图，第二次曝光记录下加力后悬臂梁的全息图，再现时，两个状态的波前同时复现并发生干涉，得到一簇等光程差的干涉条纹，如图5，由图知，A点与变形后点发出的光波之间的光程差为：（7）图 4图 5由干涉原理，明纹与暗纹处的位移量分别为：（明纹）（8）（暗纹）（9）将式（8）与式（6）联立，变形可得弹性模量的表达式：（10）式中b为梁的宽度，h为梁的厚度，所以：（11）暗纹处为：（12） 本实验中与近似为零，因此只需要测出b、h、以及某一明纹（或暗纹）沿着梁轴向的位置坐标x，就可以测出弹性模量E。四. 实验内容1、 全息照片的拍摄和全息像的再现（1）反射式全息照相按照6所示光路组装反射全息记录光路，oH之间的距离控制在1cm以内，而且尽量使物体平面平行于H。光路调整好后，遮挡激光安防感光板，H的乳胶面应当正对物体，随后去除遮挡，曝光1020秒。图 6（2）透射式全息照相 按照图7布置光路。 图7G为分束镜，M1、M2和M3为平面镜，L1和L2为扩束镜，H为感光板。1)首先粗调激光器水平，判断方法是当白屏沿平台移动时，激光光点大致处于同一高度；其次改变平面镜俯仰，使激光光点回到激光器出口，此时平面镜与激光束垂直；然后转动平面镜将激光反射到其他各元件上，分别调整各元件高度，使光点落入其中心，完成等高调节。2)布置物光光路。移动扩束镜L1，使被摄物全部被均匀照明。感光板距静物不超过10cm。3)量取物光光程，以此确定参考光反射镜位置，使物光光程和参考光光程基本相等，同时使物光与参考光夹角在40左右。4)前后调整扩束镜2L的位置，使参考光均匀照在整张感光板上，并使物光与参考光光强比为1:41:10。5)检查各光学元件是否用螺钉拧紧并将磁性表座锁定，避免曝光时间元件间发生相对位移。6)用黑纸遮挡激光，将感光板乳胶面朝光安装在底板架上。排除一切振动因素，如走动、大声讲话、对台面的碰撞等，打开挡光板曝光110130s。（3）冲洗底板将曝光后的感光板用竹夹夹住，放在纯净水中浸泡10s后取出，滤尽水。将感光板依次放入质量分数为40%，60%，80%的异丙醇溶液中各脱水1015s后取出，每次进入相邻溶液后，都需将干板上的溶液滤尽。将感光板放入质量分数100%的异丙醇溶液中脱水，直至感光板呈现红色或黄绿色。滤尽干板上的溶液，迅速将干板用吹风机吹干。（4）再现像的观察 经吹洗风干的反射全息图在白光下即可看到原物的虚像。2、 二次曝光法测定铝板的杨氏模量按照图4所示组装实验光路图，注意铝板与感光板距离尽可能小，感光板的乳胶面要朝向铝板。物体静止时进行第一次曝光，时间约10s。随后用砝码加载器给悬臂梁自由端施加适当大小的力，稳定1min后，进行第二次曝光，时间约15s，注意施力方向要与铝板垂直，加力过程动作要轻，不要有振动。然后按照上文所述的方法冲洗底板，之后可以在白光下直接看到干涉条纹，取级数不同的明纹或暗纹，测量条纹所在处x坐标，然后测定铝板的长度、宽度、厚度，按照式（11）与（12）计算弹性模量。五. 数据处理1、 原始数据记录铝板参数：长度l=70.00mm，宽度b=40.0mm，厚度h=1.54mm，质量m=10g级数k1234567x（cm）0.50.750.981.201.401.571.73 原始数据照片 2、 数据处理暗纹条件下（11） 令 ， 上式化为，用一元线性回归法计算x1234567y5.12511.3919.228.538.447.957.73、问题分析：（1）由于实验物体细部的形状使得光线在表面发生了漫反射和反射方向的原因，部分物光并未和参考光发生干涉，因此未完全记录下物体的表面信息；（2）实验中难以保证完全的无振动，因此微小的振动、噪音都会影响光路系统的稳定性，从而造成物体和感光板之间的松动，继而引起全息像的偏移和全息像细节的缺失；（3）扩束镜、平面反射镜镜面的可能沾有微小的灰尘、污渍，从而影响参考光场的均匀性；（4）物光和参考光的光强比影响了全息照相的质量。6 对全息照相的研究和改进 对于误差分析中的第四点我们进行了研究 全息照相是物光与参考光的双光束干涉。对于一般双光束干涉来说，如果，干涉条纹可得到最大的对比度，即条纹最低强度为零，同时相对最大强度为4I，这对一般线性接受元件是最合适的。而对全息照相的记录介质来说，曝光量H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，使衍射效率降低。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。因此物光和参考光的光强比对于全息照相的质量有着很重要的影响。一般我们取曝光量在的位置，并控制物光和参考光的光强比在1/2-1/5之间。 对于物光和参考光的光强比调节，一般采用调节扩束镜的位置的方法来控制物光和参考光的光强比在1/2-1/5之间，这样两光强比差距小，对比度大，但是物光相对比较弱，因而必须使参考光也要减弱，这也会造成再现时像的光波减弱，像不够清晰。 对于参考光，由于光路中运用扩束镜来获得均匀的参考光光场，因此对扩束镜,平面镜，反射镜，分光镜都要求比较高，若有污渍或者划痕，则很难得到均匀的参考光光场。实验中，我们将参考光的平面反射镜反转，利用平面反射镜的毛面进行反射，去掉原光路中的参考光扩束镜，这样利用漫反射得到的参考光不仅均匀而且光强大大减弱了，适当调节平面镜的距离和角度，即能得到合适的光强比例。 经过分析，有如下好处，去掉物光和参考光处的扩束镜后，物光和参考光强比的调节只需要平面镜的位置和反射角度，避免了一般实验室由于长期使用引起的划痕或划痕对实验的影响，使实验调节起来更方便快捷，保证了实验的顺利完成。8 结束语 在这篇研究性报告中，我们先对实验目的、仪器、原理、内容进行了介绍，然后给出了我们自己测得的数据并展示了处理过程，最后进行了误差的分析并由此引出我们的研究内容。经过我们的网上资料搜索发现前人已经做过了很多这方面的研究。既有针对减弱振动影响而做出的改进，也有对光路和光强比的改进。实际中振动能引起的影响比较小，或者说能改进的余地非常小（只能做到削弱而无法消除），而且代价较大，如增设隔光箱，在试验台基座下增设大量小弹簧。在阅读了众多改进方案后我们认为谭佐军等改进的去掉参考光扩束镜的改进光路较为可行，而且在实