基于全息照相相关原理及应用探究.docx

北航物理实验研究性报告基于全息照相相关原理及应用探究第一作者：学号：第二作者：学号：班级：摘要全息照相在概念上与普通照相有根本不同。全息照相不只是记录物的光强度分布，而是要记录下传播到记录平面上的完整的物波场。这就要求既要记录振幅也要记录位相。全息照相是一种利用相干光干涉得到物体全部信息的二步成像技术，它可以再现物体的立体形象。此外，它有光路简单、对光学元件的精度要求较低等特点，因而在干涉计量领域内得到了广泛应用，。前主要应用于全息显示，全息干涉计量，全息光学元件，全息信息贮存。实验目的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；掌握在光学平台上进行光路调整的基本方法和技能；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；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。实验原理1．全息照相：全息照相所记录和再现的是包括物光波前的振幅和位相在内的全部信息，这是全息照相名称的由来。但是，感光乳胶和一切光敏元件都是只对光强敏感，不能直接记录位相，必须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。同样，对于全息图的观察，也必须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。因为两束相干光所形成的干涉条纹平行于两束光夹角的分角线，可见透射全息的干涉面（条纹）几乎垂直于乳胶面，而反射全息中，从干板正反两面进入的两束光在介质中形成驻波，在干板乳胶面中形成平行于乳胶面的一层一层的干涉面。下面分别讨论透射式和反射式全息照相的工作原理。（1）透射式全息照相透射全息的记录所谓透射式全息照相是指再现时所观察和研究的是全息图透射光的成像。下面讨论物光和参考光夹角较小时平面全息图的记录与再现。将干板垂直于纸面放置，两束相干平行光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。设A、0两点为相邻的明条纹，其条纹间距d=0A，其光程差为波长λ。如果再设O点处光线为2与，则由O点向光线作垂线，得光线与之间光程差为；由A点向光线2作垂线，得光线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。若以感光板法线为基准，逆时针转至入射光线（不大于九十度）的入射角为正，反之为负，则由图可知为正，为负，所以条纹间距为：（1）图1图2在通常的全息照相中，物光与参考光都是发散球面波。将感光板置于直角坐标系的OXY平面上，如图2，设物光球面波的源点o和参考光球面波的源点r均处于OXZ平面内，物光光线1、2相应与参考光线、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，把O点附近的微小区域加以放大，如图2，光线相当于平行光束，两束平行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）物体由空间无数物点组成，它的漫发射光可以视为无数不同光源发出的发散球面波，它们与参考光在感光板平面相遇干涉，在干板上留下了复杂的干涉图样，其亮暗对比和反衬度反映了物光波振幅的大小，而条纹的形状、间距则反映了物光波的相位分布。透射全息的再现全息图是以干涉条纹的形式记录的物光波，相当于一块有复杂光栅结构的衍射屏。必须用参考光照射才能在光栅的衍射光波中得到原来的无光，从而使物体得到再现。全息图的再现依赖于单色光经光栅后的衍射，若同样规定以光栅的法线为基准，逆时针转至入（衍）射光线的入（衍）射角为正，则光栅方程为：（3）式中为入射角，θ为衍射角。光栅方程中k可取至最高次，但由于本实验中无光与参考光干涉形成的条纹，故其黑白灰度呈正弦分布。理论上可以证明，灰度成正弦分布的光栅结构，其衍射级只能取至k=1或k=-1。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用相干光记录全息图，可用“白光”照明得到再现像。由于再现时眼睛接收的是白光在底片上的反射光，故称为反射式全息照相。这种方法的关键在于利用了布拉格条件来选择波长。此外，由于它的光路非常简单，容易制作，又能用白光再现，所以应用十分广泛。反射式全息照相在记录全息图时，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