实验二全息照相.docVIP

实验二 全息照相 教学目的：了解全息照相的原理，学习拍摄静态全息照片的基本技术和再现观察的方法 教学重点：全息照相光路调试；全息干板的正确冲洗 1948年，盖伯（D.Gabor）首先提出全息照相原理，当时缺乏相干性好的光源，因此研究进展缓慢。直到1960年，第一台激光器诞生，为全息的照相研究提供了相干性强的光源，利思和乌帕特尼克斯终于在1964年成功地拍摄三维全息图像，全息照相术获得了长足进展，开辟了科学技术上一个崭新的领域。 一、实验目的 （1）了解全息照相的基本原理。 （2）掌握拍摄静物全息照片的方法，了解再现全息物像的性质和方法。 二、实验原理 普通照相只记录了物体各点的光强信息（反映在振幅上），丢掉了位相信息，得到的是一个二维平面图，不具有立体感。全息照相是利用相干光叠加而发生干涉的原理，借助于参考光波与物光波的相互干涉，记录下二种光波在记录介质上的干涉条纹，被记录干涉条纹不仅反映了物光（从物体反射的光波）的振幅信息，同时还保存了物光的位相信息，在高倍显微镜下才能观察得到记录下的干涉条纹。记录干涉条纹的全息照片可视为个复杂的衍射光栅，当用原参考光再照射该光栅时，其衍射波能重现原来的物光波，在照片后原物的位置可观察到物的三维图像。 1、全息照相记录过程 如图1所示，参考光束在全息干板所在位置与物光束相遇，在干板所在平面内竖直向上建立轴，垂直纸面向外建立轴平面内振动分布情况 （1） （2） 为了书写方便，振幅和分别缩写成和，相位项和分别缩写成和， （3） 由于干板只能记录光强分布，即合振幅的平方（注：实际上光强是与振幅的平方值成正比，并不相等，为了讨论简便，可认为它们相等）： （4） 式中O02 ，R02分别是物光波与参考光波各自独立照射底版时的光强度；第三、四项为物光与参考光之间的相干项。它把物光的位相信息转化成不同光强的干涉条纹记录在照相底版上。由此可见，干板上记录下来的干涉条纹光强分布包含了物光在干板上各点的振幅和位相，因为干板上某点的光强是到达该点的参考光波与到达该点的整个物光干涉的结果。物体上每点由不同方向照射到该点的物光对该点的合成光强都有贡献，换言之，全息照片底版上的任何一小区域都记录着所有物点的信息，这也正好能解释为什么参考光照射全息照片的任意小区域上都能看到整个物体的像。 2、全息图再现 曝光后的底版经过显影与定影后，得到透光率各处不同（由曝光时间及光强分布决定）的全息片，考虑振幅透射率T（=透射光的复振幅/入射光的复振幅）是曝光量的函数，选择合适的曝光及冲洗条件，可以使得T与曝光时的光强I之间为线性关系： （5） 式中T0为未曝光部分的透射率，为比例系数，它们均为常量。 当用原参考光为再观光入射全息照片时，透射光波在干板处振动分布情况可表示成： 上式表明，透射光包含三部分： 大括号里的第一项是按一定比例重建的参考光，沿原来方向传播，即光栅的零级衍射。 大括号里的第二项与物光振动方程完全一样，只不过振幅乘了一个系数，这便是按一定比例重建的物光波，相当于一级衍射波。迎着这一束衍射光就可以观察到与被拍摄的物体完全逼真的三维立体图像，从不同的角度去观察，能看到原被遮住的侧面。 大括号里的第三项与物光波的共轭波有关，对应着－1级衍射光是会聚光束，这一级衍射光束包含了被拍摄的相位信息，同时又含有参考光的相位信息，因此重现时物像信息中相位发生了畸变，实验时可用观察屏来观察重现物像。 三、光路图 根据全息照相原理，只要将物光和参考光光路设计得能够发生干涉，那么实验一般就会成功，因此说来光路不是唯一的。实验的具体装置如图14-2所示。光源S：保证其相干性，全息照相只能使用激光光源。常用的激光器是He-Ne激光器（波长为632.8nm，功率为3mW），由于激光谱线有一定宽度，相干长度，为保证物光和参考光发生干涉，布置光路时必须使两条光束的光程差不大于相干长度，一般常使两者光程大致相等。 分束镜T：将光分成相干的两束，其中一束作为物光照射到被摄物体上，另一束作为参考光照射到底版上。 全反射镜M：能根据需要改变光束方向。 扩束镜L：能扩大激光束的光斑。 全息干板H：常采用分辨率为3000条/mm的天津1型全息底版。 四、实验内容 全息记录 1.1选择合适的被摄物体（选择被拍物体反射性能较好，否则物光束的强度就会很弱），并作调节光路：各光学元件等高；物光和参考光的光程相等；使得全息干板支架处的物光与参考光的强度比为1：2～1：4；两光束入射到干板处的夹角在20°~30°，使物光尽可能多地投射到全息干板上。 1.2曝光拍摄 根据确定曝光时间（天津Ⅰ型全息干板的最佳曝光量约为）；在暗室里的暗绿灯下把全息干版夹