近代物理实验报告全息照相

云南大学物理实验教学中心 实验报告 云南大学物理实验教学中心 实验报告 课程名称： 近代物理实验 实验项目： 全息照相 学生姓名： 朱江醒 学号： 20051050148 物理科学技术学院物理系2005级数理基础科学专业 成绩 指导教师： 姜泽军 实验时间： 2007年 11 月 11日 8 时 30 分至12时 30 分 实验地点： 四合院 实验类型：教学(演示□ 验证□ 综合□ 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 □) 学生科研□ 课外开放□ 测试□ 其它□ 一、实验目的 1．了解全息照相的基本原理和实验装置． 2．初步掌握全息照相的方法。拍摄一幅漫反射三维全息照片。 3．学会全息片的再现观察，了解全息照相的特点。 二、实验原理 全息照相分两步，波前记录和波前再现．波前记录是将物体射出的光波与另一光波--参考光波相干涉，用照相的方法将干涉条纹记录下来，称为全息图或全息照片，这一过程叫造图过程。全息图具有光栅状结构，当用原记录时用的参考光或其它相干光照射全息图时，光通过全息图后发生衍射。其衍射光波与物体光波相似，构成物体的再现像。 1． 全息图的记录 全息图记录的一般光路如图1所示。激光器输出的光束用分束器 图 1 图 2 (1)分为两束。反射的一束经全反镜(6)反射到全息底片(5)上作为参考光；透射的一束经全反镜(2)反射到物体上，再经物体 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面漫反射，作为物光射到全息底片上。参考光与物光相干涉,在这种干涉场中的全息底片经曝光、显影和定影处理以后，就将物光波的全部信息(振幅和相位)以干涉条纹的形式记录下来。这就是波前记录过程。所得到的全息图实际是一种较复杂的光栅结构。 2．全息图的再现 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，经过底片衍射后得到零级光波，从底片透射而出；另外在两侧有正一级衍射和负一级衍射光波存在。人眼迎着正—级衍射光看去,可看到一个与被拍物体完全一样的立体的无失真的虚像。在负一级位置上，可用屏接收到一个实像，称为共轭象，如图2所示。 3．全息图的特点 全息照相有以下几个特点。①三维立体象．因为记录的是光波的全部信息，即振幅与相位同时记录在全息片上。②全息照片可以分割。打碎的全息照片仍能再现出原被拍物体的全部形象．因为任一小部分全息图记录的干涉图象是由物体所有点漫射来的光与参考光相干涉而成的。③全息图的亮度随入射光强弱而变化。再现光愈强，象的亮度愈大，反之就暗．④一张全息片可以多次曝光，可以转动底片角度拍摄多次，再现时作同样转动，不同角度会出现不同图象。以可以不转动底片而改变被拍物的状态进行多次曝光，再现时可观察到状态的变化情况。 4．在拍摄全息图时，物光和参考光的光程差 等于零最理想 当物光和参考光在底片上任—点相遇时,光强度 仅依赖于两束光的光程差 。当 时,光强度 最大，得亮条纹;当 时．光强度 最小, 得暗条纹。式中的 为整数．而干涉条纹的调制度定义为 当 时，调制度最好．而M与光程差 以及激光管模数n是奇数还是偶数有关．若激光管长为L，而L在200—300mm之间时．可以认为是单纵模， ．因此计算出 时，干涉条纹在奇数或偶数时M都为1，调制度最好．当然， 时也可以得到同样的结果．但在光路调节中，后者较麻烦，—般不用。所以，我们采用 这个光程差。实际上，在调节光路中，不能严格达到光程差为零，只要 时，即可拍出很好的全息照片。 5．提高全息图衍射效率的途径 衍射效率可分为两大类型。由杨氏衍射原理获得的衍射效率属于振幅型(吸收型)；由折射率变化获得的衍射效率属于相位型。全息潜像用显，定影处理时，一般获得振幅型，其中相位型成分很低。因为振幅型衍射效率受干版颗粒大小、全息图的处理工艺及拍照时的参、物光比等因素影响．反差不能太大，衍射效率只有6％左右。要提高衍射效率，采用漂白处理，使振幅型变化为相位型．另外在底片处理工艺中，采用非漂白的相位型显影。因为相位型显影使围绕显影核中心形成的银聚团足够小，处于亚微观状态。那么这种银颗粒本身就可以逐渐变成透明体，从而产生折射率变化，形成相位型衍射。当然还可以采用其他非银盐干版．作全息照相记录介质来提高衍射效率。除此之外，还可以用高衍射效率的其它 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 记录全息图． 三、实验仪器 1．仪器组成 全息实验要有一个防震的工作台。 防震台由一块中密度海绵和一块1.0cm的厚钢板组成，用来支撑钢板。工作台上面放置光学零件，包括分束镜、全反镜、支持被拍物体的小平台、扩束镜、底片夹、激光管盒、光开关等。这些零件分别用磁钢或用螺钉固定在钢板上，与钢板连成整体，提高防震性能。为了美观和清洁，周围加上围框及外罩。 2．仪器调整 (1) 安装全息实验系统 调整工作台面，先将中密度海绵放置在实验桌上，然后压上钢板，使压上钢板后能被均匀支撑。桌子的四只脚下各垫一块约lcm厚的泡沫橡皮，起减震作用。然后用手压钢板，检查钢板是否基本保持水平，否则得调整海绵的位置调节工作台达到最佳工作状态，在钢板上安装激光器光开关、光学元件支架、底片夹及载物台等。按三维全息光路放置。然后调整工作台面，要求达到水平且距桌面高度约5cm。再用水准仪调整工作台面的水平。将水准仪放在钢板的重心位置上，任意转动水准仪的方向，水泡均应居中。再加上围框及外罩，必须注意，不能接触钢板。 稳定 以上两步完成后，将工作台放置一天或两天，待海绵慢性变形稳定后，工作台就处于最佳状态了 从对该系统进行实验和理论分析知道，对防震台不仅要求固有频率低，而且要求衰减系数大。当该系统的充气量使工作台面与桌面的距离约5cm时能满足这个要求。 图 3 (2) 调光路检查工作系统的稳定性 按图3所示装上光学元件，安排成迈克耳孙干涉仪光路．激光束经全反镜(1)改变方向到达分束器(4)，将光分为两束．一束经全反镜(3)反射回来，再 透过分束器和另一束从全反镜(2)反射回来、经分束器反射的一束光相重合，再经扩束镜(5) 扩束后，在屏上形成干涉条纹．仔细调节全反镜(2)或(3)的位置，使条纹改变为5—6条左右．观察条纹是否有漂移，如有漂移，在曝光时间内是否超过1／4条纹间距。如超过了，则检查气囊是否处于最佳状态，或光学元件是否夹紧，或其 它部分是否有应力变化．对这些问题逐个改正，使漂移量在1／4条纹间距以内。条纹稳定后，冲击地面或用手掸击一下桌面，观察条纹恢复所需的时间。恢复时间短(约2一3s)，说明衰减系数大．做到这两点后，表示工作系统已可用于拍照． 四、实验内容 1．拍摄漫反射全息图 （1）调整光路 按图1或自己选择的光路布置光学元件，使物光与参考光夹角约为 。分束器(1)为透过率95％的平板，以满足参、物光比为1：1—10：1。具体调节分以下两步。 调节光学元件的螺钉，使光束基本同高 调节扩束镜(3)的位置，使扩束后的光均匀照亮被摄物体。但光斑不能太大，以免浪费能量．在底片夹(5)上放一张白纸，调节底片夹位置，使白纸上出现物体漫反射来的最强光。挡住物光，调节全反镜(6)，使反射光与物光中心反射到底片的光之间的夹角约为 ．并经扩束镜 (7) 后，最强的光均匀地照亮底片夹上的白纸。 调整光程差 等于零或近似为零 调节参考光的全反镜(6)，尽量使物光与参考光等光程。即用软质米尺从分束器（1）量起，使物光光程：（1） （2） （3） （4） （5）等于参考光光程：（1） （6） （7） （5）。 (2) 曝光 调好光路后，打开曝光定时器，选择预定的曝光时间 (按所用干版特性要求和激光强度确定曝光量)．一般用l一2mW的激光管，定20s左右 (干版未经敏化处理，物体是无锡泥人) 的曝光时间．让曝光定时器遮光，取下底片夹白纸，装上干版 (药面向被摄物体) 稳定一分钟后，打开曝光定时器进行曝光．等光开关自动关闭后，取下干版冲洗． (3) 冲冼干版，冲洗方法分两种 振幅型显影处理 显影液用D—19 (或稀释5—6倍，适当延长显影时间)，按普通胶卷冲洗方法进行操作．恒温20℃左右，显影时间约五分钟．在暗绿色安全灯下观看，当干版曝光部分呈现黑色斑纹时即可取出。停显30s钟后，用定影液定影，五分钟后取出．在流水中冲洗3—5分钟，放在阴凉处凉干，即得到拍照好的全息片．定影液可用F-5坚膜定影液． 相位型显影处理 显影液用D-76，原液加水8—10倍，使浓度降低。显影温度提高到25℃一30℃，显影时间4--5分钟。在暗绿色安全灯下观看，曝光部分呈红褐色，即可停显，30s钟后进行定影处理。定影3—4分钟进行水洗。在流水中冲洗3—5分钟，放在阴凉处凉干，即得到一张相位型全息图．定影液仍用F-5坚膜定影液． 显影液还可用CHEP配方显影液(配方见附录)，原液加水10倍，显影温度 C，显影时间5—10分钟，在绿灯下观察曝光部分呈红褐色即可。水洗10--15s，定影液用F--5，定影3—5分钟，流水冲洗3—5分钟，在阴凉处凉干，也得到一张相位型全息图，衍射效率更高。 冲洗干版完毕后在白炽灯下观看彩带 把底片倒转 ，在60W或100W的白炽灯下观看。透过干版向药膜方向看去,同时上下转动底片。在某一位置上看到一片彩色光斑或光栅彩带条纹，说明已记录上了全息信息。全息片衍射效率愈高，彩带就愈亮，反之就暗。若彩带暗，振幅型处理的干版可通过漂白处理变成相位型，从而提高衍射效率，彩带变亮。但相干噪声增加，稳定性下降。相位型非漂白显影处理的干版，一般衍射效率都比振幅型的高。若亮度仍不够，说明显影时间不合适，改变显影时间，必须重新拍摄，使衍射效率达到最佳为止。 漂白处理 一般振幅型显影处理时，全息图上积聚的银颗粒大，光几乎不能通过。漂白处理后，其上的银颗粒变成透明的银化合物。如AgBr，AgI，AgFe (铁氰化银)等。这些银盐与明胶的折射率差别较大，产生相位衍射，所以亮度增加。漂白处理使用的漂白液种类很多，习惯用硫酸铜漂白液(配方见附录)。使用方法是：将全息底片 (冲洗加工过的) 用清水浸湿，用夹子牢固夹住未曝光部分，放在漂白液中漂洗。看到黑色银粒变白时，及时取出，在流水中冲洗30分钟以上，把剩余物冲洗掉，以便保存。冲洗时要保护药膜，水不能直接冲在药膜上。然后凉干，即得相位型全息照片。 2．全息图的再现观察 (1) 虚像观察 拍摄好的全息片，按图4那样放回原 拍摄位置。让拍照时的参考光照明底片。这时，透过玻璃面向原物体看去，在原物体位置上有与原物体完全逼真的三维象(被拍物已取走)，这个象称为真象或虚象． （2）观察共轭像 相对于参考光轴转动全息片，透过玻璃向物体对称方向看，这时得到一个深度反转、物像倒立且有失真的共轭虚像，如图5右边的像． (3) 无失真的实像观察 把全息片前后翻转 ，即药膜面向观察者，相当于照明光逆转照明。眼睛向原物体方向看去，这时看到一个失真的虚像。转动底片， 图 4 在这个像的对称位置上得到一个无失真的实像。把屏放在人眼位置上，可以得到一个亮点。将屏后移，在屏上可看到实像。但光强变弱，要仔细才能看清。 (4) 用细光束扫描观察实像 通常利用未扩束的激光直射在全息片上，全息片也得翻转 ，药膜朝向观察者，并且转动全息片，使它在原来拍照的角度上，用毛玻璃在—级衍射的反方向上得到清晰的实像。移动光点，全息图似乎在随光点运动。毛玻璃与全息片之间的距离不同，所得到的像的大小和清晰度也不同。 3．全息照相实验中常遇到的故障及排除方法 (1) 稳定性方面的问题 实验时经常遇到的问题是工作台的稳定性问题。学生拍摄不成功，不是调节中出现的问题，而是在准备过程中身体靠在木框上，使木框移动与钢板接触，从而削弱了防震性能。或是没有拧紧支撑架上的螺钉，被摄物没固定牢等。因此，实验时应强调不能身靠木框。或干脆取下木框，并让学生反复检查光学元件是否夹紧。曝光前，要求每个学生坐下不动。曝光中不要讲话，不要面向光路咳嗽，不开电风扇等。 (2)调节光路中的问题 首先遇到的是光程差过大，其次是物光和参考光的光强比过大，得不到调制。再次是在装底片时动了某一元件，使其中某一束光没有到达底片上。为避免这些问题的产生，除应强调细心、轻手动作外，在学生装底片前，教师应检查光路．只有达到要求后才让学生装底片。 (3) 冲洗干版中的问题 遇到的主要问题是掌握不住反差。即使规定了显影时间，但因药水在使用过程中浓度的变化，经常出现前面学生按规定时间显影效果不错，而后面做的效果就不好了。这可采用教学生看底片颜色的办法来掌握反差。效果较好。用D---19显影，太黑的底片可采用漂白挽救，这样学生做此实验时成功率较高． (4) 观察再现中的问题 多数学生不会看彩带，不会在白炽灯下观察，也不会用激光观察。教师要作示范． 五．原理引伸 一般全息照相实验讲义是以单色平面波分析的，便于学生理解。但实际上是用单色球面波进行拍摄的。因此，有进一步定量分析的必要。 任意波面的光波的复数表达式为 其中因子 表示光场随时间的变化．在讨论单色光场的空间分布时，可以不明显的写出。这样，光场的空间分布可以用复振幅 表示 式中 和 分别表示空间某点的振幅和相位。 将全息底片放在XY平面上(即 )，见图5 参考光的源点在 ，从这一点发出的球面波振幅为 (令 ) （1） 图 5 其中 为空间某一点的位置矢量。在底片所在平面（ ）上，光场分布为 或简单写为 （2） 物光在底片上的复振幅可写为 因此，在全息底片上总的光强分布为 其中 表示 的共轭复数 (3) 上式中第—、二项分别为参考光和物光分别照到底片上的光强．后两项由物光和参考光干涉产生，作为干涉条纹记录在底片上。 记录全息片时，要适当控制底片的曝光量和显影时间、使显影后底片的振幅的透过率和曝光量成线性关系，即 式中 ， 是常数， 为底片上某点 的透过率． 将显影、定影后的全息底片放回原来记录时的位置上，并以从R发出的球面波作为再现光 照在全息片上，则透过全息底片在Z=O平面上的复振幅分布为 将(2)式和(3)式代入上式得 上式右面第一项是近似衰减了的重现光，也就是零级衍射波．第二项 ，其中 可近似地看作为常数，这一项代表一级衍射光，它与记录全息时照在底片上的物光 一样(只差一系数)。眼睛从右边向底片看时，好像在原物处 (原物已取走) 依然有一个与原物完全一样的三维物体存在。这是一个没有畸变、放大率为l的虚像，如图6所示。若再现光不是原来的参考光．这一项仅与 近似成正比，产生的像就会有畸变，大小亦有变化。第三项 是一1级衍射波，它包含物光的共轭波。 ，这是一束会聚光，形成一个深度、左右、上下均倒反的实像。这一项中因有 存在，使实像产生畸变。在一定条件下，一1级衍射形成的不是实像，而是另—虚像。 图 6 若想得到一个没有畸变的实像，则应以原参考光的共轭光波 来照明全息片。知复振幅为 的光波的光振动表达式为 将（1）式代入得 对于某一固定相位面， =常数。显然， 愈小．即愈接近 点处t愈大。可见，这是一束会聚的球面波，从玻璃面进入底片．会聚在 点。很容易证明 中第三项是 ，恰好与原来物光的共轭波复振幅 成正比。这时．在原来被拍物的地方，形成一个无像差的实像，如图7所示．而此时相对应的第二项给出一个畸变的虚像(或实像)。 实际上，由于底片乳胶厚度往往比干涉条纹大很多，所以不能把全息照片看为二维光栅，而是一个三维光栅。如果考虑到三维光栅的作用，则+1级和-1级衍射不能同时存在。 六、注意事项 1．绝对不允许直视经过聚焦的或经镜面反射后再聚焦的激光光束，防止视网膜的损伤。 2、不用手触摸实验仪器的光学元件的镜面。 3、在拍摄全息照片时，要保持室内安静，一定不要触及防震平台 。 4、本实验中暴光时间、显影时间以及光路都不是唯一的，需要根据实际情况调整到最佳。 七、几种典型的全息干涉方法 一般全息照相中，再现光与参考光的波长是相同的。也可用不同波长的光，若再现光的波长比参考光长，则再现像比原物大，这就是全息放大。同波长的全息再现与全息放大以后发展为全息显微技术。 用不同波长的再现光所得到的像的大小和位置不同。如用白光再现，则在不同位置将出现不同颜色的再现像，这些像相互重叠会使整个图像模糊不清。如果记录全息照片时在适当位置加入狭缝，由于图中也包含狭缝的信息，再现时，除了物像之外还得到狭缝的像。用白光再现时，得到按波长次序排列的不同颜色的物像和狭缝像，观察者对准某一狭缝像只能看到某一颜色的物像。随观察位置不同，将陆续看到和彩虹颜色一样排列的不同单色物像。这种全息称彩虹全息。 几种典型的全息干涉方法： (1)单次曝光法(实时干涉法)：拍摄某—物体的全息照片，显影、定影后使之精确复位，这时稍微变—下原物的状态，如加上或解除应力、压缩或膨胀等等，使之产生一定形变，则新的物光束与原物的重建光束之间由于物上各点的位移而产生光程差，使肉眼根本看不出的物体形态变化在全息图上产生干涉条纹；据此可研究物体形变或微小位移及其与受力的关系。“单次”是指拍摄全息片时只经过一次曝光。 在单次曝光法中，全息片的复位要求精确，比较难以做到，乳胶的畸变也有一定影响，但只拍摄一张全息片就可以多次或连续观察物体的变化。 (2)两次曝光法：在同一张底片上拍摄物体在不同时刻的两张全息照片，如果这两个时刻物体有形变，那么再现时，得到两个重建的物光束，它们由于彼此相干而且存在光程差而产生干涉花样。干涉条纹的分布直接与物体的始末状态有关，可用来分析物体状态的变化。两次曝光法不能观察物体连续变化的情况，但对底片的安放及对再现光的要求不那么严格，易于实现，此外乳胶的畸变对两个重建光波的影响基本一样，干涉时相互抵消。不再产生附加的光程差。 (3)时间平均法：全息照相还可以用来研究物体的快速微小振动。其做法是：对振动物体拍摄全息照片，再现时可以看到物像表面重叠着干涉条纹。关于干涉条纹产生的原因，可做粗糙的定性解释：振动着的物体在极限位置的速度为零，所以在极限位置滞留的时间最长，选择合适的曝光时间，可拍摄到物体在两个极限位置的全息图，近似地等效于物体分别处于极限位置的两个静止状态，从而和两次曝光法类似．再现时将出现干涉条纹。对干涉条纹进行分析可得到物体振动的准确情况。 评分内容 预习 操作 数据处理处理与分析 实验报告 其他 综合评定 成绩 分数 教师评语： 签字： 备注： 图1 8 _1162720112.unknown _1162721831.unknown _1162723112.unknown _1162723691.unknown _1162724064.unknown _1162917037.unknown _1162917681.unknown _1162922564.unknown _1162724154.unknown _1162724206.unknown _1162724065.unknown _1162723966.unknown _1162723967.unknown _1162723810.unknown _1162723249.unknown _1162723398.unknown _1162723197.unknown _1162722449.unknown _1162722885.unknown _1162722990.unknown _1162722450.unknown _1162722261.unknown _1162722379.unknown _1162722035.unknown _1162721223.unknown _1162721721.unknown _1162721778.unknown _1162721779.unknown _1162721763.unknown _1162721302.unknown _1162721471.unknown _1162721224.unknown _1162720676.unknown _1162720991.unknown _1162721186.unknown _1162720809.unknown _1162720309.unknown _1162720417.unknown _1162720288.unknown _1162716139.unknown _1162718560.unknown _1162719917.unknown _1162720018.unknown _1162720111.unknown _1162719918.unknown _1162719730.unknown _1162719806.unknown _1162719916.unknown _1162719622.unknown _1162717748.unknown _1162717990.unknown _1162718428.unknown _1162717825.unknown _1162716767.unknown _1162716824.unknown _1162716486.unknown _1162710772.unknown _1162714790.unknown _1162715016.unknown _1162716076.unknown _1162714888.unknown _1162711670.unknown _1162711671.unknown _1162711559.unknown _1162670101.unknown _1162670298.unknown _1162710771.unknown _1162670136.unknown _1162670067.unknown _1162670086.unknown _1162670031.unknown