大物实验激光全息照相实验报告

大物实验激光全息照相实验报告 激光全息照相实验报告 实验32 激光全息照相 物理科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 技术学院光信息科学与技术 学号10329051 陈海域 与材料物理 陈嘉平 合作完成 实验时间:2012/4/12 2012/4/19 地点:基础物理 实验室 17025实验室iso17025实验室认可实验室检查项目微生物实验室标识重点实验室计划 激光全息照相实验室1号桌 【实验目的】 1(学习全息照相的基本原理和方法 2(了解全息照相的主要特点 3(学习观察全息照片的方法 【实验仪器】 全息照相的整套装置(PHYWE)，如图1所示: 【全息照相的特点】 全息照相与普通照相无论在原理上还是方法上都有本质上的差别。普通照相是以几何光学的折射定律为基础，利用透镜把物体成像在平面上，记录各点的光强或振幅分布，物象之间各点一一对应，但却是二维平面像上的点与三维物体各点之间的对应，因此并不完全逼真，即使一般所谓的“立体照相”也多是利用双目视差的错觉，而不是物体的真正三维图像。而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，好像是一个复杂的衍射光栅，只有经过适当的再照明才能重 与普通照片相比，全息照片还具有如下几个特点: 1)全息照片在适当的照明下重建物光波与原来的物光波具有相同的深度和视差。改变观察的位置，就可以看到景物被遮拦的物体，观察近距离的物体，眼睛必须重新调焦。 2)把全息照片分成小块，其中每一小块都可以再现整个图像。因为照片上每一点都受到参考光和被摄物体所有部分的光的作用，所以这些点就用编码的形式包含了整个图像的信息。但是当小块逐渐减小时，分辨率逐渐变差。这是因为分辨率是成像系统孔径的函数。 3)全息照片可以用接触法复制，但无正负片之分，不论是原来的还是复制的都再现被摄物体的正像。而且无论照明乳剂的反差特性如何，再现影像的反差同原物体的反差都非常接近。 4)全息照片绕垂直轴线转1 80，引起一个倒转的像，让全息照片绕一水平轴线旋转180，也产生一个倒转，也产生一个倒转的像，但让全息照片绕一个垂直与全息图平面的轴线转 180，则不引起像的倒转。 5)最后一个特点是在同一张底片上用连续曝光方法可以重叠几个影像，而每一张影像又不受其它影像的干扰而单独显现。 【实验原理】 全息照相是一种采用相干光源的两步光学成像过程。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，实质上就是一种较为广义的双光束干涉场的计算。 由激光器发出的相干光经分束器之后，一束照明物体成为景物光，另一束为参考光。两光束成一定的夹角入射到记录介质上，相互干涉而记录下全息图。由于记录介质只能记录振幅，可见物波的位相记录也是利用干涉的原理转换成相应的振幅关系加以记录的。 为简单起见，我们从点光源发出的球面波相干涉着手来讨论全息图的一些基本特点。因为广延光源和被照明的物体可以看作点源的集合，平面波可看成点源在无穷远发出的球面波。所以讨论具有一般性。 1(全息照相记录的信号 如图2所示， (x1 ，y1，z1=-d)为物点所在的物平面，(x1′，y1′，z1′=0)为记录介质所在的像平面，P (x1 ，y1，z1=-d)为物点，R (xr，yr，zr)在任意平面( xr，yr，zr),上，R点源与平面(x`2 ,y`2,0)的距离为Zr。Q(x`2 ,y`2,0)为记录介质平面上任一点。若物光与 参考光是相干的，则记录介质上的光强分布为 I= a02+r02+r*a+ra*(1) 其中,a=a0exp(iφa)为物点源到达全息图平面的光波的复振幅，r=r0exp(iφr)为全息图上参考波 的复振幅。 由于做全息照相时，总是尽量使参考光和物光独立在记录介质上的照度均匀，所以在全息图上 a02和 r02变化比较缓慢。所以这里主要注意相干项 r*a+ra*=2a0r0cos(φr-φa) (2) 其中 ?a? ?r? 2? 2? ?1 2? (PQ?PO) (3) (PQ?RO) ?1 (4) 2? ?r??a? ?1 (RQ?PQ)? ?1 ?l (5) 其中?l?(RQ?PQ)为光波从P进行到Q和由R进行到Q的光程差。由图可见，当P点和Q点离z轴不太远，而且z1很大时， ?a可以由1/ z一级近似求得 1 ?a? ?2??1 ?2?y2?2?2x2?x1?2y2?y1??x2?? ?1?2Z1?(6) 同理 ?r? ?2??122 ????x?y?2xx?2yy??222r2r? ?1??2Zr?(7) 可见干涉项产生的是明暗以(?r??a)为变量按余弦规律变化的干涉条纹并被记录介质记录下来。由于这些干涉条纹在记录介质上各点的强度决定于物光波(以及参考光波)在各点的 振幅与位相，因此记录介质上就保留了物光波的振幅和位相的 信息。 2(波前重建 常用于记录全息图的介质是照相干版或胶片，假定记录全息图的干版经曝光、冲洗以 后，把曝光时的入射光强线形变换为显影振幅的透射率，并假定曝光量的变化范围限于该种干版的t-E曲线的线形区内，则干版的透射率为 t=t0-KI 即 t(x,y)=t0-K(a02+r02+r*a+ra*) (8) 式中，t0为未曝光部分的透射率，K为比例系数。对同一干版，t0和 K 都可认为是常数。I1=a02，I2=r02分别为入射到干版的物光强和参考光强，它们在全息图面上接近均匀。因此对于点源的全息图，只有透过率与r*a+ra*成正比的空间变化干涉项，在照明后能产生衍射。 假设在全息图形成后和再现前有可能把它放大或缩小，为此把全息图平面坐标再标记为x2=mx’2,y2=my’2,式中m 为线放大率。假设再现波长λ2不必和形成波长λ1相同，它们的比值由μ,λ2/λ1给出。再现波或照明波由一点光源C(xc,yc,zc)发出，如图 3 所示。则全息图平面的衍射波复振幅 C与上述透射率的乘积为 Cr*a?Cra*?C0a0r0??exp?i?v??exp?i?R???(9) 其中C?C0exp?i?c?(10) ?v??c??a??r??v?xv,yv,zv? (11) ?R??c??r??a??R?xR,yR,zR?(12) 为使全息图能产生点源物体P的像，全息图上的再现波的位相?v和?R必须和球面波相当，在全息图上球面波位相分布的一级近似值可按式(6)写成 ??x2,y2?? ?2??122x?y?2xx?2yy??223223?? (13) ?2?2z3? 其中z3为全息图到像平面的距离，x3和y3代表像平面上像点 P 的坐标。我们必须使φV和 φR与φ有相同的形式。如果做到这一点，那么在一级近似下影像波是会聚的平面波还是发散波将按φV和φR的正负号而定。这就是点源的完全一级近似成像的情况。可是φ、φV和φR的展开式中略去了代表像差的高次项，因此，将与实际情况略有不同。 一般来说，全息图的再现波所成的物象比较复杂，像的位置、大小、和虚、实将会生变化，而且还可能存在畸变等现象。详细的讨论可参考有关资料。 但是，若再现波和原参考光波完全一样时，式(9)变为 rr*a?rra*?a0r02exp?i?a??a0r02exp?i(2?r??a)?(14) 显然，式(14)右边第一项是按一定的比例重建的物光波，它离开全息片以后按照惠更斯――菲涅耳原理继续传播时，其行为 与原物在原来位置发出的光波相同(仅仅是振幅按一定的比例改变，位相改变180?)，因此在全息片后面的观察者对着这个衍射而产生的另一个一级衍射波，称为孪生波。在一定的条件下，它是一束会聚光，形成一个有畸变的，并且在观察者看来物体的前后关系与实物相反的实像。 如果用参考光波 r和共轭光波 r*(所谓共轭光波是传播方向和原来光波完全相反的光波，是会聚于点源 R (xr , yr, zr )的球面波)照射全息片，此时透过全息片的光波，干涉项 可仿照式(1)写成 r*a?ra*?a0r02exp?i(?a?2?r)??a0r02exp??i?a?(15) 式中等号右边第二项与原来物光波 a 的共轭光波 a*成正比，由于 a*是会聚于原来物点所在位置的光束，因此这一项所代表的衍射光束在原来物体所在的位置形成一个无畸变的实象，如图 4(b)所示，从图(b)可以看到，观察者好像是跑到原来物体的背后去观察，而且能透过原来处于后面的部分看到前面的部分。 在上面的讨论中，利用公式(8)分析透过全息片的衍射光束时，实际上是把全息片二维的衍射光栅来处理，再照光经衍射后，除了直接透过的零级光束外，同时存在正、负一级衍射光束。由于感光板上的乳胶有一定的厚度，而且是透明的，故其内部也存在物光波与参考光波的相互干涉，干涉条纹也被记录下来，经过处理后得到的三维全息图，相当于三维衍射光栅。三维光栅的衍射受到布拉格条件的限制，只有物光束和参考光束的夹角较小时才 能同时出现正、负一级衍射。当物光束和参考光束的夹角较大时，(如接近 180?时)和 x 射线在晶格中的衍射一样，三维光栅对光的衍射也具有波长的选择性，因此可以用单色相干光制作全息片，用普通的白光照射它实现波前重建。这一重建过程是三维光栅衍射的结果，从效果上看，好像是从全息片的反射光束中得到的，因此称为反射全息，又因为波前的重建利用了白光，所以又称为白光重现全息照相。 反射式全息片的制作法是让物光束和参考光束分别从照相底版的两面进入乳胶层，如图(a)所示(图中用直接透过底版的参考光作为物体的照明光)，两束光的干涉极大值在显影后形成基面波的相互干涉来估计这些银层的间距。图 6中α和γ分别代表参考光束和物光束的传播方向，它们的夹角为2θ并假设都是平面波。显然，两组波阵面的夹角也是2θ，每一组波阵面中相邻两波阵面之间的距离为λ，图中竖直线代表干涉极大所在的平面，它们的间隔为d，这些平面是物光束与参考光束的分角面，从图上画粗线的三角形可得 2dsin???(16) 用上式计算d 的大小时，θ和λ应取乳胶介质中的数值。由式(4—16)可得 d??/2sin?(17) 通常物光束和参考光束之间的夹角接近于 180?，从而 d = λ/2 ，若采用 篇二:全息照相实验报告 西安交通大学高级物理实验报告 课程名称:高级物理实验 实验名称:光全息照相系列实验 系别: 实验日期:2014年12月9日 姓名:班级: 学号: 第 1 页共6页 实验名称:光全息照相系列实验 一、 实验目的: ,(了解全息照相基本方法和原理。 ,(掌握拍摄全息图的实验方法。 二、 实验仪器: 全息台、He-Ne激光器及电源、分束镜、全反射镜、扩束透镜、曝光定时器、全息感光底板等。 三、 实验原理: 1. 全息照片的拍摄: 全息照片是利用光的干涉原理将光波的振幅和相位信息同时记录在感光板上的过程。两列相干光波，一列直接来自于激光源，另一列通过物体反射，分别入射到感光板上，由于二者是相干光，所以在感光板上干涉形成明暗相间的干涉条纹，感光板上的光强分布及干涉条纹间距与光的振幅和相位都有关，这样就不仅能记录物体的颜色，还能够记录物体的位置远近等信息。 2. 物体的再现: 由于全息照相在感光底板上形成的是干涉图样，所以观察全系照片时必须用和与原来参考光完全相同的光束去照射，称为再现光。再现过程是干涉图样的衍射过程。 3. 全息照相的特点: 全息照相是利用光的干涉和衍射原理，而普通的照相则是利用广德透镜成像原理;全息照片上的每个点都记录了整个物体的信息，因此全息照片具有可分割的特点;由于全息照片记录了物光的全部信息，所以再现出的物体的象是一个与被摄物体完全相同的三维立体象。 四、 实验任务 环境温度:18.5?。 1. 激光全息图的拍摄 (1) 按照如图所示的光路图调节实验仪器(各仪器之间距离如图 所示)，注意所有的透镜光轴应基本在同一水平线上并与激 光光束平行; 参考光和物光的光程46.0+95.0=141.0cm=92.5+27.5+21，光程差为0. (2) 曝光; 在周围环境尽量安静黑暗的情况下开始，打开激光发射器月一秒钟关闭。 (3) 显影: 浸泡时间约为1分钟。 显影液配方: 蒸馏水500ML、米土尔2g、无水亚硫酸钠90g、对苯二酚8g、无水碳酸钠 48g. (4) 清洗; (5) 定影: 浸泡时间约为三分钟。 定影液配方: 蒸馏水800ML、硫代硫酸钠240g、硼酸(结晶)75g、冰醋酸 3.5ML、无水亚硫酸钠15g. 2. 白光全息照相 操作流程同上，仪器图如下所示: 参考光和物光光程分别为62.5+51.5=114cm;44.5+62+8=114.5cm，二者差异较小，近似于等光程。 3(利用激光测微小形变: 测得干涉条纹共23条，红色激光波长630nm，所以可以得到物体的形变量为630×23=14490nm(来自:WWw.XieLw.com 写 论 文 网:大物实验激光全息照相实验报告)=14.49μm， 由于上部弯曲度更大些，所以可以看到上部条纹密集而下部相对疏一些;另外，条纹并非完全直线，可能是因为物体表面并不完 全是平的导致。 五、 实验数据与结果 (略) 六、 问题分析 造成实验所得全息照片清晰度和能见范围较差的原因: (1) 照射到物体的光不均匀，范围不足; (2) 参考光没有将整个感光底板均匀照射满; (3) 调节光程的时候，虽然基本上调节到了相等，但事实上还是 存在着测量较为粗糙等问题，所以其实并非等光程的; (4) 参考光与物光之间的夹角不够。 七、 实验结论与收获、建议 1. 实验结论: (略) 2. 实验探究: 全息照相技术的其他创新应用: 根据全息照相的特点，由于它每个点都记录了被照射物体的全部信息，而且存储量很大，所以可以考虑用全息照相或者类似于全息照相的方法来储存信息。 用全息照相方法存储信息是与激光等有关的，因而可以考虑的是光盘。查找资料发现，目前光盘的原理是利用激光在光怕基板 篇三:全息照相+实验报告 全息照相实验报告 实验人:宋易知201411941009指导教师:曹惠贤 实验时间:2015.10.16 一(实验目的 1(了解光学全息照相的基本原理及其主要特点。 2(学习全息照相的拍摄方法和实验技术。 3(了解全息照相再现物像的性质、观察方法。 二(实验器材 全息实验台*1、激光器*1、分束镜*1、反射镜*2、扩束镜*2、载物台*1、被摄物*1、快门*1、干板架*1、全息干板*1、显影、定影器材。 三(实验原理 光路图 全息照相是一种二步成像的照相技术。第一步采用相干光照明，利用干涉原理，把物体在感光材料(全息干版)处的光波波前纪录下来，称为全息图。第二步利用衍射原理，按一定条件用光照射全息图，原先被纪录的物体光波的波前，就会重新激活出来在全息图后继续传播，就像原物仍在原位发出的一样。 1(全息照相的纪录——光的干涉 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?Acos(?t???2?r ?)(1) 式中，A 为振幅，ω 为圆频率，λ 为波长，φ 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: x??Acos(?it??i? i?1n2?ri?i)(2) 因此，任何一定频率的光波都包含着振幅(A)和位相(ωt+φ-2πr/λ)两大信息。 全息照相的一种实验装置的光路如图(1)所示。激光器射出的激光束通过分光板分成两束，一束经透镜扩束后照射到被摄物体上，再经物体表面反射(或透射)后照射到感光底片(全息干版)上，这部分光叫物光。另一束经反射镜改变光路，再由透镜扩大后直接投射到全息干版上，这部分光称为参考光。由于激光是相干光，物光和参考光在全息底片上叠加，形成干涉条纹。因为从被摄物体上各点反射出来的物光，在振幅上和相位上都不相同，所以底片上各处的干涉条纹也不相同。强度不同使条纹明暗程度不同，相位不同使条纹的密度、形状不同。因此，被摄物体反射光中的全部信息都以不同明暗程度和不同疏密分布的干涉条纹形式记录下来，经显影、定影等处理后，就得到一张全息照片。这种全息照片和普通照片截然不同，一般在全息照片上只有通过高倍显微镜才能看到明暗程度不同、疏密程度不同的干涉条纹。由于干涉条纹密度很高，所以要求记录介质有较高的分辨率，通常达1000 条线,毫米以上，故不能用普通照相底片 拍摄全息图。 2(全息照相的再现——光的衍射 由于全息照相在感光板上纪录的不是被摄物的直接形象，而是复杂的干涉条纹，因此全息照片实际上相当于一个衍射光栅，物象再现的过程实际是光的衍射现象。要看到被摄物体的像，必须用一束同参考光的波长和传播方向完全相同的光束照射全息照片，这束光叫再现光。这样在原先拍摄时放置物体的方向上就能看到与原物形象完全一样的立体虚像。如图2 所示把拍摄好的全息底片放回原光路中，用参考光波照射全息片时，经过底片衍射后有三部分光波射出。 0 级衍射光——它是入射再现光波的衰减。 +1 级衍射光——它是发散光，将形成一个虚像。如果此光波被观察者的眼睛接收，就等于接收了原被摄物发出的光波，因而能看到原物体的再现像。 -1级衍射光——它是会聚光，将在与原物点对称的位置上形成物体的再现虚像的共轭实像。 3(全息照相原理的 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 描述 下面对全息照相原理作一简单的数学描述。设全息底片所在平面为xy 平面，物光在底 片上的振动表达式为 E0(x,y)?A0(x,y)cos[?t??0(x,y)](3) 参考光为 ER(x,y)?AR(x,y)cos[?t??R(x,y)](4) 为方便起见，采用复数形式表示，写成 E0(x,y)?A0(x,y)ei?0(x,y)ei?t ER(x,y)?AR(x,y)ei?R(x,y)ei?t 对于相干波的叠加，真正起作用的是振幅和相位，常用复振幅来表示，即省去时间相位因 子eiωt，剩下的部分既含振幅，又含随空间变化的相位，把它称为复振幅。于是，在底片 上任一点物光和参考光复振幅分别为 O(x,y)?A0(x,y)ei?0(x,y)(5) R(x,y)?AR(x,y)ei?R(x,y) (6) 相干叠加后的合成光场为 H(x,y)?R(x,y)?O(x,y)(7) 干涉条纹的光强为 I?HH??[O?R][O??R?](8) 式中为H为H的共轭复数。为使关系式简洁，各量中的x，y 均省略。将上式展开得 22I?A0?AR?A0ARei(?0??R)?A0ARe?i(?0??R) ? 经简化后上式可简写为 图2 22I?A0?AR?2A0ARcos(?0??R)(9) 这正是干涉条纹光强的表达式。上式表明，光强I(x，y)包含了物光波的全部信息(振幅和相位)。采用适当的两光波强度比，感光底片经曝光并进行线性冲洗后，就得到一张全息照片。 假定用照明光R′(x，y)照射全息图，设再现光在全息图上的复振幅为 R?(x,y)?AR?(x,y)ei?R?(x,y) 如把全息照片看作衍射屏，则透过全息照片后衍射波的复振幅为 U(x,y)?R?(x,y)t(x,y)(10) 式中t(x，y)为全息照片的复振幅透射率，对于经线性处理的全息照片，复振幅透射率与 曝光时的光强成线性关系，即 t(x,y)?t0??I(x,y)(11) 于是，透过全息照片后衍射波的复振幅 U(x,y)?R?(x,y)[t0??I(x,y)] 将I(x，y)值代入得 U?U0?U?1?U?1(12) 式中第一项U0 除了系数(t0+βAo2+βAR2)外，与再现光相同，为零级衍射波，代表照明光的透射波，形成一个背景象，从物光重现的角度来看，可以不予考虑。 第二项U+1 为+1 级衍射波，当再现光和参考光完全相同时，即AR′=AR=AR，φR′=φR， 则+1 级衍射波在全息照片上的复振幅为 U?1??R?R?O??AR?ARei(?R???R)O??A2O 与原物光只差一个常数因子，实现了原物光的再现。观察者将在原物体所在位置上看到逼真的立体虚像，在不同的角度看到物 体不同的侧面。 第三项U-1 为-1 级衍射波，当再现光是参考光时，则-1 级衍射波在全息照片上的复振幅为 U?1??R?R?O??AR?ARei(?R???R)O??A2ei2R?O? 与原物光的共轭波O,(x，y)除相差一个常数因子外，还多一个位相因子ei2φR，表示衍射波会聚于以全息照片为对称面的原物体的对称位置上，观察者将在此位置上看到一个实像，在实像中的那些细节与虚像是相反的。 4(全息照相的特点 ?全息照相应用了光的干涉、衍射原理，记录了光波的全部信息，因此全息照片再现的被摄物形象是完全逼真的三维立体形象。 ?全息照片可以分割。因为全息照片上每一点纪录的干涉图像是由物体所有点漫射来的光与参考光相干涉而成的，所以打碎的全息照片仍能再现出原被摄物的全部形象。 ?一张全息照片可以多次曝光，不同景物可以采用不同角度入射的参考光束，也可以改变底片的角度拍摄多次，在全息照片的不同角度就会出现不同图像。再现时只要适当转动全息照片即可。 ?全息照片没有正负之分，因此易于复制。复制照片再现出来的像仍然和原来照片的再现像一样。 ?全息照片的再现像可放大或缩小。当用不同波长的激光照射全息照片时，由于拍摄时所用的激光波长不同，再现像就会放大或缩小。 5(全息照相的实验要求 ?要有足够稳定的系统即全息实验台的防震性能要好。在全息照相时，物光和参考光相干涉形成的干涉条纹密度达每毫米近千条或更高，如果物光波和参考光波稍有抖动，就会造成干涉图样模糊不清。因此要求全息平台有很好的抗震性能，同时采取一些必要的减震措施，如在平台支座上加减振器、充气轮胎、沙箱等。对全息台上的光学元件需进行仔细检查，看是否牢固。在曝光过程中身体任何部位都不要触及全息台，避免高声谈话，更不要在室内随意走动、开关门、窗等，以确保干涉条纹无漂移。 ?要有好的相干光源。一般采用He-Ne 激光器作为光源，同时要求物光波和参考光波的光程尽量相等，光程差尽量小，以保证物光波和参考光波具有良好的相干性。 ?物光和参考光的光强比要合适。一般选择Io/ IR=1/4,1/10 为宜;两者间的夹角30?左右，不宜超过40?，因为夹角越大，干涉条纹间距越小，条纹越密，对全息底片分辨率的要求也越高。同时不宜过小，否则会造成可观测的角度变小。 四(实验步骤 1(全息照相光路调整 按图 1 所示光路安排各光学元件，并作如下调整:?使各元件基本等高;?在底片架上夹一块白屏，使参考光均匀照在白屏上、入射光均匀照亮被摄物体，且其漫反射光能照射到白屏上，调节两束光夹角约为30?;?使物光和参考光的光程大致相等，可分 别挡住物光和参考光调节其光强比约 1?4,1?10，两光束有足够大的重叠区;?所有光学元件必须通过磁钢与平台保持稳定。 2(全息照片的记录 在底片夹上装夹全息干版，注意使底片的药膜面对着物光和参考光，稍等片刻(约1,2 min)，待系统稳定后，打开快门6秒。然后关闭激光器，取下底片待处理。 3(照相底片的冲洗 取下曝光后的底片，用清水打湿，放入显影液一分钟左右，发现有显影时，用清水冲洗，再放入定影液中，定影3 分钟，取出用流水冲洗3,5 分钟，使多余的银粒冲去。