全息照相和全息干涉法的应用-苗明川

1、全息照相和全息干涉法的应用全息照相和全息干涉法的应用E 09北京航空航天大学物理实验中心全息照相全息照相全息照相的概念全息照相的概念v全息照相是一种新型的全息照相是一种新型的照相技术，成像过程是：照相技术，成像过程是：利用光的干涉和衍射现利用光的干涉和衍射现象，在照相干板或胶片象，在照相干板或胶片上以干涉条纹的形式将上以干涉条纹的形式将图像记录下来。用光照图像记录下来。用光照射这种干板（称作全息射这种干板（称作全息干板），就能以干板），就能以立体立体形形式再现出原来物体的像。式再现出原来物体的像。 全息照相全息照相全息照相术的起源全息照相术的起源v 全息术由英国科学家丹尼全息术由英国科学家丹尼

2、斯斯伽柏（伽柏（Dennis Dennis GaborGabor）于于19481948年年提出，伽柏因此提出，伽柏因此在在19711971年获得了诺贝尔物年获得了诺贝尔物理学奖。伽柏的目的是想理学奖。伽柏的目的是想利用全息术提高电子显微利用全息术提高电子显微镜的分辨率，当时使用汞镜的分辨率，当时使用汞灯作为光源，但是汞灯作灯作为光源，但是汞灯作为光源不是很理想。这种为光源不是很理想。这种技术要求高度相干性及高技术要求高度相干性及高强度的光源。强度的光源。全息照相全息照相全息照相术的起源全息照相术的起源v 19601960年梅曼（年梅曼（MaimanMaiman）研制成功）研制成功了红宝石激光器

3、，了红宝石激光器，19611961年贾范年贾范（JavanJavan）等制成了氦氖激光器。）等制成了氦氖激光器。一种全所未有的优质相干光源诞一种全所未有的优质相干光源诞生了。生了。19621962年年美国科学家美国科学家E.N.E.N.利利思（思（E.N.LeithE.N.Leith）和）和J.J.乌帕特尼乌帕特尼克斯（克斯（J.UpatnieksJ.Upatnieks）用激光器）用激光器对伽柏的技术做了划时代的改进，对伽柏的技术做了划时代的改进，全息术的研究从此获得了突飞猛全息术的研究从此获得了突飞猛进的发展，全息技术的研究日趋进的发展，全息技术的研究日趋广泛深入，逐渐开辟了全息应用广泛深入

4、，逐渐开辟了全息应用的新领域，成为近代光学的一个的新领域，成为近代光学的一个重用分支。重用分支。 全息照相全息照相全息照相的特点全息照相的特点v 具有十分逼真的具有十分逼真的立体像立体像，它与，它与观察实物完全一样，具有相同观察实物完全一样，具有相同的视觉效果的视觉效果( (立体感强立体感强) )；v 把全息片分成若干把全息片分成若干小块小块，每一，每一块都可再现原物完整的像；块都可再现原物完整的像；v 同一张底片上，经过同一张底片上，经过多次曝光多次曝光，可以重叠许多物体的像，每个可以重叠许多物体的像，每个像能不受干扰地单独显示出来；像能不受干扰地单独显示出来；v 易于复制易于复制，仍保持和

5、原来像完，仍保持和原来像完全一样。全一样。v 全息照相全息照相全息技术的应用全息技术的应用v全息干涉计量全息干涉计量 两次曝光或连续曝光，可记录物体的微小、高速运动。两次曝光或连续曝光，可记录物体的微小、高速运动。v全息无损检测全息无损检测v全息存储全息存储 拍摄全息照片，改变参考光束方向，可将不同物体摄在同一张底片拍摄全息照片，改变参考光束方向，可将不同物体摄在同一张底片上。再现时偏转照明光束，物体将互不干扰地显现。上。再现时偏转照明光束，物体将互不干扰地显现。v全息器件全息器件 全息显微镜（用短脉冲激光在一张底片上记录粒子的运动。再现粒全息显微镜（用短脉冲激光在一张底片上记录粒子的运动。再

6、现粒子的运动状态及瞬时分布）子的运动状态及瞬时分布）v全息照相全息照相实验目的和要求实验目的和要求v了解全息照相的基本原理了解全息照相的基本原理（反射式和透射式全息照相的技术和方法）（反射式和透射式全息照相的技术和方法）v学习用二次曝光法测定铝板的杨氏模量学习用二次曝光法测定铝板的杨氏模量v学习光路调整的基本方法和技能学习光路调整的基本方法和技能v了解有关照相的一些基础知识了解有关照相的一些基础知识全息照相全息照相反射式全息反射式全息再现时眼睛接受的是白光在底片上的反射光;物光和参考光在记录介质的异侧全息照相全息照相透射式全息透射式全息再现时观察研究的是全息图透射光的成像;物光和参考光位于记录

7、介质（干板）的同侧实验原理实验原理全息照相全息照相实验原理实验原理1反射式全息反射式全息v 反射式全息是利用后照相乳胶的布拉格衍射效应来实现的。反射式全息是利用后照相乳胶的布拉格衍射效应来实现的。激光光束经扩束镜激光光束经扩束镜L L扩束后照射在全息干板扩束后照射在全息干板H H上作为参考光，上作为参考光，透过透过H H的光照明物体，经物体漫反射的光成为物光，干板的光照明物体，经物体漫反射的光成为物光，干板的的乳胶面向着物体乳胶面向着物体，乳胶感光材料的透过率为，乳胶感光材料的透过率为30%30%50%50%，物体的反射率较高，光束比能满足全息图的记录条件。物体的反射率较高，光束比能满足全息图

8、的记录条件。全息照相全息照相实验原理实验原理2两次曝光法测定金属板的杨氏模量两次曝光法测定金属板的杨氏模量v 激光束经扩束镜照射在干板上为激光束经扩束镜照射在干板上为参考光，透过干板后的光束经铝参考光，透过干板后的光束经铝板反射后照射在干板上即为物光。板反射后照射在干板上即为物光。首先在铝板自由端首先在铝板自由端未受力时作第未受力时作第一次曝光一次曝光，干板上记录了铝板处，干板上记录了铝板处于原始状态时的全息图，然后通于原始状态时的全息图，然后通过过加力加力装置对铝板的自由端加力装置对铝板的自由端加力后作后作第二次曝光第二次曝光，干板上又记录，干板上又记录了铝板受力变形后的全息图。再了铝板受力

9、变形后的全息图。再现时同时复现铝板两个状态下的现时同时复现铝板两个状态下的物光波前，这两个波前产生干涉，物光波前，这两个波前产生干涉，形成一簇等光程差的干涉条纹。形成一簇等光程差的干涉条纹。如果能测出某一级亮纹或暗纹所如果能测出某一级亮纹或暗纹所在处沿铝板纵轴方向的位置，即在处沿铝板纵轴方向的位置，即可计算出其杨氏模量。可计算出其杨氏模量。全息照相全息照相实验原理实验原理2两次曝光法测定金属板的杨氏模量两次曝光法测定金属板的杨氏模量反射式全息测法杨氏模量：反射式全息测法杨氏模量：L L为梁的长度，为梁的长度，E E 为材料的杨氏模量，为材料的杨氏模量，J=bhJ=bh/ /1212为梁为梁的横

10、截面的惯性矩，的横截面的惯性矩，x为待测点的坐标位置。为待测点的坐标位置。Y Y方向的位移量为方向的位移量为xLEJxFdyy362全息照相全息照相由干涉原理由干涉原理,亮纹处的位移量为亮纹处的位移量为A A点与点与A A点发出的光点发出的光波的光程差为波的光程差为coscosdycoscos kdy位移量的计算位移量的计算coscos kdy实验原理实验原理2两次曝光法测定金属板的杨氏模量两次曝光法测定金属板的杨氏模量全息照相全息照相式中，式中， J=bh/12。和和都近似为零，只要测出铝板的长度都近似为零，只要测出铝板的长度L L、宽度、宽度b b、厚、厚度度h h和悬臂梁自由端所加的力和

11、悬臂梁自由端所加的力F Fy y，读出某一级亮纹或者暗读出某一级亮纹或者暗纹所在处的沿梁纹所在处的沿梁X X轴方向的位置轴方向的位置x，即可得出其杨氏模量。，即可得出其杨氏模量。综上所述：综上所述：亮纹处位移量为亮纹处位移量为xLEJxFdyy362Y Y方向的位移量为方向的位移量为coscos kdycoscos)3 (62kxLEJxFycoscos632JkxLxFEy实验原理实验原理2两次曝光法测定金属板的杨氏模量两次曝光法测定金属板的杨氏模量全息照相全息照相K的确定323234coscos32bhkxLmgxbhkxLxFEym为砝码重量=15.5gx为亮条纹到底座距离L为铝板长度=

12、70.1mmb为铝板宽度=40.5mmh为铝板厚度=1.7mmnm8 .632全息照相全息照相实验原理实验原理3透射式全息透射式全息v 由激光器输出的细激光束经反射镜由激光器输出的细激光束经反射镜M反射后被分束镜反射后被分束镜分成两束：反射的一束经反射镜分成两束：反射的一束经反射镜3再次反射并经扩束镜再次反射并经扩束镜2扩束后，照在全息干板上作为参考光束；透射的一束扩束后，照在全息干板上作为参考光束；透射的一束由反射镜由反射镜2反射折转，再经过扩束镜反射折转，再经过扩束镜L扩束后照明物体，扩束后照明物体，经物体漫反射形成的物光束也到达全息干板上。物光与经物体漫反射形成的物光束也到达全息干板上。

13、物光与参考光在全息干板上发生干涉将形成复杂的干涉图样，全参考光在全息干板上发生干涉将形成复杂的干涉图样，全息干板经冲洗吹干后即可得到一张透射式全息图。息干板经冲洗吹干后即可得到一张透射式全息图。全息照相全息照相实验仪器实验仪器 35mW 35mW氦氖激光器及电源一套；分束镜一氦氖激光器及电源一套；分束镜一块；平面镜三块；被摄物；砝码加载器及块；平面镜三块；被摄物；砝码加载器及待测铝板一个；载物台一个；底板架一个；待测铝板一个；载物台一个；底板架一个；扩束镜两块；透镜一块；白屏一块；纯净扩束镜两块；透镜一块；白屏一块；纯净水；浓度分别为水；浓度分别为40%40%、60%60%、80%80%、10

14、0%100%的的异丙醇溶液；竹夹一个，异丙醇溶液；竹夹一个，RSP-RSP-型红敏光型红敏光致聚合物全息干板。致聚合物全息干板。全息照相全息照相实验内容反射式全息反射式全息照相照相透射式全息透射式全息照相照相测定铝板杨测定铝板杨氏模量氏模量全息照相全息照相1. 反射式全息照相反射式全息照相选择合适的目标。由于光束比无法通过光路来调整，故应选择表面具有选择合适的目标。由于光束比无法通过光路来调整，故应选择表面具有较高反射率且具有一定漫射性的物体作为目标（本实验选用一元或一角较高反射率且具有一定漫射性的物体作为目标（本实验选用一元或一角的硬币），以提高再现像的质量；的硬币），以提高再现像的质量；调

15、整光路。物体用橡皮泥固定在载物台上，全息干板也夹持在载物台上，调整光路。物体用橡皮泥固定在载物台上，全息干板也夹持在载物台上，为得到较高的衍射效率，物体与干板之间的距离不能太大，一般不大于为得到较高的衍射效率，物体与干板之间的距离不能太大，一般不大于1cm1cm；将激光器出射的激光遮挡住，装夹好全息干板，使乳胶面对象目标。稳将激光器出射的激光遮挡住，装夹好全息干板，使乳胶面对象目标。稳定一分钟后取消遮挡激光曝光定一分钟后取消遮挡激光曝光101020s20s；经冲洗吹干的全息干板在白光下反射再现，在一定的角度下可看到绿色经冲洗吹干的全息干板在白光下反射再现，在一定的角度下可看到绿色的再现像，再现

16、像变成绿色是由于乳胶层收缩所致。的再现像，再现像变成绿色是由于乳胶层收缩所致。 全息照相全息照相2.两次曝光法测定铝板的杨氏模量两次曝光法测定铝板的杨氏模量按图布置好光路，注意按图布置好光路，注意铝板与干板的距离要尽量小铝板与干板的距离要尽量小，干板的乳胶面应对，干板的乳胶面应对向铝板，并且系在铝板上用于给其加力的细绳一定要与铝板垂直；向铝板，并且系在铝板上用于给其加力的细绳一定要与铝板垂直； 首先首先不给铝板的自由端加力不给铝板的自由端加力，在砝码托盘静止的条件下进行第一次曝光，在砝码托盘静止的条件下进行第一次曝光，时间大约为时间大约为10s10s； 在砝码托盘上在砝码托盘上加上砝码加上砝码

17、，通过砝码加载器给铝板自由端加力，通过砝码加载器给铝板自由端加力，稳定一分稳定一分钟钟后，并且在砝码托盘静止的条件下进行第二次曝光，时间约为后，并且在砝码托盘静止的条件下进行第二次曝光，时间约为15s15s，注意加载砝码时动作要轻；注意加载砝码时动作要轻；经冲洗吹干的全息干板在白光下反射再现，可以看到一簇明暗相间的干经冲洗吹干的全息干板在白光下反射再现，可以看到一簇明暗相间的干涉条纹，取不同级数的亮纹或暗纹，测量条纹所在处沿铝板纵轴的坐标涉条纹，取不同级数的亮纹或暗纹，测量条纹所在处沿铝板纵轴的坐标并计算杨氏模量的大小。并计算杨氏模量的大小。 全息照相全息照相3. 透射式全息照相透射式全息照相

18、按实验光路图布置各元件并调好光路，注意应使到达全息干板的物光和参按实验光路图布置各元件并调好光路，注意应使到达全息干板的物光和参考光的考光的光程差为零光程差为零，并且被摄物体与全息干板之间的距离不超过，并且被摄物体与全息干板之间的距离不超过10cm10cm，物，物光与参考光的夹角控制在光与参考光的夹角控制在4040左右；左右；参考光与物光在全息干板处的参考光与物光在全息干板处的光强比光强比4:1-10:14:1-10:1的范围内，可分别遮挡参考的范围内，可分别遮挡参考光及物光，直接用人眼观察在光屏上两者的光强比，当感觉参考光的平均光及物光，直接用人眼观察在光屏上两者的光强比，当感觉参考光的平均

19、光强稍微超过物光的平均光强而又相差不大时即可。应注意尽量使光强稍微超过物光的平均光强而又相差不大时即可。应注意尽量使物光物光在在干板上的光强干板上的光强均匀分布均匀分布，参考光参考光应均匀照明并应均匀照明并覆盖覆盖整块全息干板；整块全息干板；遮挡激光束，安装全息干板然后进行曝光，遮挡激光束，安装全息干板然后进行曝光，曝光时间在曝光时间在80-100s80-100s，曝光过程，曝光过程中应中应排除一切振动因素排除一切振动因素；将干板冲洗吹干后放回原底版架上，将干板冲洗吹干后放回原底版架上，不要改变不要改变全息图与原底版之间的方位全息图与原底版之间的方位关系，关系，挡去物光挡去物光，移去原物移去原

20、物，便可在原物位置上显现出与原物同等大小的，便可在原物位置上显现出与原物同等大小的三维立体像。三维立体像。 全息照相全息照相4.冲洗底版冲洗底版a.a. 将曝光后的感光板用竹夹夹住，放在纯净水将曝光后的感光板用竹夹夹住，放在纯净水中浸泡中浸泡10s取出，滤尽水。取出，滤尽水。b.b. 将感光板依次放入将感光板依次放入40%、60%、80%浓度的浓度的异丙醇溶液中各脱水异丙醇溶液中各脱水1015s后取出。每次进后取出。每次进入相邻溶液时，都需要将干板上的溶液滤尽。入相邻溶液时，都需要将干板上的溶液滤尽。c.c. 将感光板放入将感光板放入100%浓度的异丙醇中脱水，直浓度的异丙醇中脱水，直至感光板呈现红色或黄绿色为止。至感光板呈现红色或黄绿色为止。d.d. 将干板迅速用吹风机吹干。将干板迅速用吹风机吹干。全息照相全息照相数据