物理激光全息照片拍摄及观察各种版本集合 全免费.docx

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物理激光全息照片拍摄及观察各种版本集合全免费

实验24激光全息照片拍摄及观察

实验32激光全息照相

物理实验报告（版2009-03-0703:

09:

34阅读830评论2  字号：

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【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

【仪器设备】

全息照相的整套装置（PHYWE），如图1所示：

                                     图1 全息照相实验装置

【光路原理图】

图2 方法一实验光路原理              图3 方法二实验光路原理

【实验原理】

总的来说，全息照相和普通照相的原理完全不同。

普通照相通常是通过照相机物镜成像，在感光底片平面上将物体发出的或它散射的光波（通常称为物光）的强度分布（即振幅分布）记录下来，由于底片上的感光物质只对光的强度有响应，对相位分布不起作用，所以在照相过程中把光波的位相分布这个重要的信息丢失了。

因而，在所得到的照片中，物体的三维特征消失了，不再存在视差，改变观察角度时，并不能看到像的不同侧面。

全息技术则完全不同，由全息术所产生的像是完全逼真的立体像（因为同时记录下了物光的强度分布和位相分布，即全部信息），当以不同的角度观察时，就象观察一个真实的物体一样，能够看到像的不同侧面，也能在不同的距离聚焦。

   全息照相在记录物光的相位和强度分布时，利用了光的干涉。

从光的干涉原理可知：

当两束相干光波相遇，发生干涉叠加时，其合强度不仅依赖于每一束光各自的强度，同时也依赖于这两束光波之间的相位差。

在全息照相中就是引进了一束与物光相干的参考光，使这两束光在感光底片处发生干涉叠加，感光底片将与物光有关的振幅和位相分别以干涉条纹的反差和条纹的间隔形式记录下来，经过适当的处理，便得到一张全息照片。

【实验内容】

1．调整光路

方法一：

制作漫反射物体的全息片的典型光路如图2所示，这是一种典型的利思一厄帕特尼克斯（离轴型）全息照相的光路图。

He-Ne激光器发出的激光由分束镜分为两束，两束光强的比例，要视被摄物的漫反射能力以及参、物两光束在底片上的比例来决定。

参考光束和物光束都经过扩束镜扩束，移动扩束镜的位置（或改变扩束镜的倍率），放大或缩小光斑，在一定面积上的光强就会增大或减小。

在底片位置处参考光束强度和物光束强度的比值可用

光电池配以检流计在底片架上进行测量。

开始实验前，激光器要预热大约一个小时，以免发生波长振动，实验时必须确保机械的稳定性。

按图2光路搭建好仪器，调节各器件使观察屏上出现干涉条纹，准备进行曝光。

方法二：

实验光路如图3所示，激光直接经过扩束器扩大，一部分光直接打在干板上，另一部分光透过干板打在被摄物上经漫反射照射回干板与前面的光发生干涉。

按图3调整好光路仪器，注意被摄物应尽量靠近干板。

2．拍摄

调好光路后，选择曝光时间为10分钟，然后关闭光开关，将全息干版安装在照相框架上，药膜面向着激光，放好底片后稍等1分钟，待整个系统稳定后开始曝光，在曝光过程中，切勿走动，保持安静，以保证干涉条纹无漂移。

3．底片处理

将曝光后的全息干版取下，放在约35℃的温水中浸泡20秒，然后在在显影液中显影。

在1分钟左右显出曝光区和未曝光区的黑白界限较佳。

停止显影后经水洗，再放入定影液中定影5至10分钟，然后用水漂洗，晾干后即成为全息照片。

【实验过程与结果】

方法一：

实验中，按图2光路，通过调节各仪器的高低，相对位置及角度，初步将物光与参光调节至打在观察屏上，且光斑已调节至近圆均匀，但在观察屏幕上未观察到干涉条纹，于是开始考虑调节两光的夹角，按要求调节至30到45度角，仍未发现干涉条纹，开始调节光程，使两光光程近乎相等，但首次仅以直尺大概估量距离，调节后仍未观察到干涉条纹，而后考虑调节光强比，按要求以光电池、检流计将物、参光的光强比调节控制在1：

10到1：

4之间，但仍未出现干涉条纹，最后以细绳精确调节两光光程使得光程近乎相等，但还是无法观察到干涉条纹。

在无干涉条纹出现情况下曝光10分钟（中途有人开关门），经过底片处理后，无法观察到全息图象，只在显影液中观察到一小片白色。

此后进行第二次曝光（中途有人敲门），仍得不到全息图象。

方法二：

实验中，按图3光路，仔细调节扩束器使得经扩束后的激光呈足够大的均匀圆斑，此后调节物体位置使其尽可能靠近干板，按实验要求进行曝光1分钟处理，经底片处理未得到全息图象。

此后按老师要求进行10分钟曝光处理，仍得不到全息图象。

最后采用现切的新干板进行曝光拍摄，经处理观察到全息图象，被摄物为纪念徽章，反光能力强，所得全息图上可清晰看出徽章中的门柱，改变观察视角可看出徽章中的凹凸部分，像和原物大小一样,是细节精美、形态逼真的三维像,整个画面层次清楚。

【实验成败分析】

经实验总结出实验中的基本注意条件与影响因素如下：

1．一个稳定性较好的防震台。

由于全息底片上所记录的干涉条纹很细，相当于波长量级，在照相过程中极小的干扰都会引起干涉条纹的模糊，不能形成全息图，因此要求整个光学系统的稳定性良好。

在记录时条纹或底片移动1mm，将不能成功地得到全息图。

因此在记录过程中，光路中各个光学元件（包括光源和被摄物体）都必须牢牢固定在防震台上。

2.一个好的相干光源。

激光具有很好的空间相干性和时间相干性。

本实验用He-Ne激光器，其波长为632.8nm，其相干长度约为20cm。

为了保证物光和参考光之间良好的相干性，应尽可能使两光束的光程接近，一般要求光程差不超过4cm，以使光程差在激光的相干长度内。

3.调节光路时，应使光束等高，减小光束间在竖直方向产生夹角影响两光的相干。

4.为保证两光较好的相干，应使物光与参考光成30至45度角度。

5.应尽量使得被摄物靠近干板，使得经物体漫反射的光强足以与参考光光强比维持在1：

10到1：

4之间。

6.在调节光路过程中，应尽量使光成一均匀圆斑，并使其均匀照射底片和物体。

7.由于曝光时间为10分钟，时间较长，因此在此期间要保证实验平台的稳定性，因尽量避免大声说话，走动，触碰实验平台，并要减小外界的干扰。

8.为减少光损失及干扰,选用的光学元件数越少越好。

9.一般全息图的记录介质是采用感光乳胶,它通过受光乳胶的黑度来记录光强的强弱,故要采用性能良好的感光材料作记录介质，此外还需注意所用干板是否因为空气湿度过大，受潮影响了材料的性能，最好采用新拆封的干板为宜。

【思考题】

1.与普通照相比较，全息照相有哪些特点？

答：

①全息照相过程分记录、再现两步，它是以干涉衍射等波动光学的规律为基础的。

而普通照相过程是以几何光学的规律为基础的。

②全息图所记录的是物体各点的全部光信息，包括振幅和位相。

而普通照相底片记录的仅是物体各点的光强（或振幅）。

③全息照相过程中物体与底片之间是点面对应的关系，即每个物点所发射的光束直接落在记录介质整个平面上。

反过来说，全息图中每一个局部都包含了物体各点的光信息。

而普通照相过程中物像之间是点点对应的关系，即一个物点对应像平面中的一个像点。

④全息图能完全再现原物的波前，因而能观察到一幅非常逼真的立体图像。

而普通照相得到的只能是二维的平面图像。

⑤全息照相是干涉记录，要求参考光束与各个物点的物光束彼此都是相干的。

而普通照相只是像的强度记录，并不要求光源的相干性，用普通光源就可以了。

⑥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。

⑦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，再现影象的反差同原物体的反差都非常接近。

⑧全息照片绕垂直轴线转180度，引起一个倒转的像，让全息照片绕一水平轴线旋转180度，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度则不引起像的倒转。

⑨在同一张底片上用连续曝光方法可以重叠几个影象，而每一张影象又不受其它影象的干扰而单独显现。

2.全息照相是如何把光波的相位记录下来的？

答：

由于现有的记录介质只对光强有响应，而对位相变化无反应，因此，要记录光波的位相，就需要设法把位相关系转换成光强（即振幅）变化才行。

在全息照相中正是巧妙地利用了波的干涉原理达到了同时记录包括光波位相和振幅在内的全部信息的目的。

确切地说，全息照相记录下来的是两光波之间位相差的分布，或者用电子技术的术语说，全息图的记录过程是通过物光波对参考光波的调制过程来完成的:

参考光相当于载波,而物光则对此载波进行调制,物光的振幅对载波调幅,其位相则对载波调相。

3.观察到再现像后，将全息片旋转或倒置，透过全息照片能否观察到原再现图象？

答：

若全息照片绕垂直轴线转180度，则引起一个倒转的像，若让全息照片绕一水平轴线旋转180度，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度（也既倒置）则不引起像的倒转。

实验目的】

１．了解全息照相基本方法和原理。

２．掌握拍摄全息图的实验方法。

３．像的性质的研究。

【仪器用具】

防震台、小功率He－Ｎe激光器、分束镜、反射镜、扩束镜、全息干版、干版架、白屏、毛玻璃、载物台、被摄物、曝光定时器和光开关、暗室器材（显影液、定影液、安全灯、水盘、软夹、流水冲洗设施等）。

【实验原理】

1．全息照相的特点

无论从基本原理上，还是从拍摄和观察方法上，全息照相与普通照相均有本质的区别。

列表比较如下：

项目

普通照相

全息照相

原理

几何光学的透镜成像原理

光的干涉、衍射等物理光学规律

记录

振幅分布（物通过透镜成像后像平面上的光强分布）

振幅、位相分布（借助于参考光波记录的振幅与位相的全部信息）

记录介质上

像

物光与参考光的干涉条纹

将底片分成小块

每块图像不完整但分辨率不变

每块仍可再现完整的图像但分辨率下降

物体与底片上

存在着一一对应的关系

不存在一一对应的关系

像

只记录了从某一点按几何光学观察时物体的二维像

记录了从各个角度按衍射和干涉的三维像

像的性质

实像（在底片上）

虚像、实像（均在底片外）

像的个数

一个

多个

安全灯

红色

He—Ne激光器用暗绿色

有无正负片

有

无

改变观察位置

不可看到拍摄时被遮挡的部分（物体）

可以看见拍摄时被遮挡的部分（物体）

2．全息照相的分类

在图18.1中，O表示一个物点，Ｒ表示参考光束的点光源，均以打叉符号标记。

H表示全息底板的位置，用狭长方形标记。

Ｌ表示傅里叶透镜，用狭长的椭圆形标记。

从图18.1可以看出，记录在全息底板Ｈ上的干涉条纹，是由底板和一组干涉面相交而产生。

这些干涉面是一些旋转对称的双曲面，其中一个焦点便是Ｏ，而另一个焦点便是Ｒ。

按记录全息图的不同光路结构，全息图有下列几种：

（１）伽柏（Ｄ·Ｇabor）同轴全息图

在图18.1中用HG标明其底板的位置。

因为参考光和物体共线，所以物体必须是高度透明的。

（２）利思―乌帕特尼克斯（Ｌeith―Upatnieks）离轴全息图。

在图18.1中用HLU标明其底板的位置

（３）无透镜傅里叶全息图

在图18.1中用HLF标明其底板的位置

（４）聚焦像全息图（简称为像全息图）

透镜Ｌ将物体OFI的一个像聚焦在全息底片上，参考光Ｒ位置不变。

（５）傅里叶全息图

如果将物体HFO放在透镜Ｌ的焦点上，参考光Ｒ位置不变，则在全息底板HFO上记录的便是傅里叶全息图。

（６）白光再现反射全息图（LippmannDenisyvk）。

在图18.1中用HLD标明其底板的位置。

（７）在O和R附近摄制的全息图，通常称为菲涅耳全息图;而那些在大距离处摄制的则称为夫琅和费或傅里叶全息图。

图18.1

本次实验重点研究利思―乌帕尼克斯离轴全息图。

【实验装置】

制作漫反射物体的全息图的典型光路如图18.4所示，其中两个透镜分别把物光束及参考光束扩展以保证物体或感光板上有均匀的照明。

为了实现全息记录，必须具备下列的三个基本条件：

1．必须有一个很好的相干光源

如前所述，全息照相是用干涉的方法记录物光波的振幅及位相，因此参考光束与物光束必须是相干的，我们实验用的是He—Ne激光器，=632.8㎜，激光器的单色性虽然很好，但谱线仍然有一定的宽度，相应的相干长度

=2/，考虑到最坏情况，例如多普勒展宽=2pm时=20cm，为了保证物光束与参考光束相干，应使参考光路与物光路的光程接近相等（小于10cm）。

图18.4

M2、M3为全反镜,M1为分束镜,L1、L2为扩束镜,H为全息干板,O为被摄物体

【实验内容及步骤】

1．记录三维漫反射物体的全息图

（1）打开激光器，设计与安排光路，见图18.6，光路系统应满足下列要求：

①利用扩束镜将物光束扩展到一定程度使被摄物体各部分照明均匀，参考光也应加以扩展，均匀照在整张底片H上。

（先用毛玻璃放在底片处）。

②物光路和参考光路的光程大致相同。

③物光束参考光束夹角约为30~50。

④关上照明灯，分别遮住物光和参考光，用光电池检查在底片处物光和参考光的光强比值为1:

3~1:

6。

⑤被摄物离干板不要太远，一般不超过10cm。

⑥监视屏上调出清晰的每条约2cm左右宽的干涉条纹，并选好参考点或线。

（2）关闭快门，装好底板，使乳胶面对着光入射的方向，静置几分钟。

遮住K~K处，打开快门，观察监视屏上条纹的移动情况，控制K~K处，取最佳时间开始曝光，累计时间约20秒左右，注意，在开始曝光期间如条纹发生突变大幅度移动超过1/4条条纹并一直朝一个方向移动不再回来，则应换板重拍。

（3）化学处理：

（温度20C左右）

①显形：

放入D-19显形液中显2~3分钟。

②停形：

在清水中稍洗，放入停显液中停显1分钟。

③定形：

放入F-5酸性定形液中定形510分钟。

④漂洗：

放入清水中漂洗10~20分钟。

⑤晾干：

置自然风或电风扇下干净处晾干、不可用电吹风、电炉烘干。

⑥漂白：

为了增加衍射效率，还可在漂白液中进行漂白。

2．波前重建与观察

（1）把制作好的全息片放回原来位置（乳胶面仍对着光）遮住物光，从底片后面即图18.3（a）的E处观察再现的虚像，形成此虚像的是+1级衍射，虚像位置就是原来的物体位置（相对底片来说），改变角度，从E处观察虚像，可以感受到虚像明显的立体感。

（2）使底片向光源靠近，入射角大致不变，则虚像变小，反之，使底片离光源更远，则虚像变大。

（3）用一张有=5mm小孔的黑纸盖在全息图上，使激光只照在很小块底片上人眼通过小孔观察，所看到仍是整个被摄物体的虚像，而不是局部，但分辨率有下降。

移动小孔位置，仍能看到整个物体，仔细观察可发现两个虚像略有不同。

（4）如参考光AR与物光AO的夹角较大，如大于30，则于体效应，用原参考光照明，不能有-1级衍射，因而看不到实像。

要观察实像，应以

照明，即将底片绕垂直轴转180角（最好用汇聚光，如无条件则用未扩散的激光束），用毛玻璃在原来被摄物附近找实像。

见图18.3（b）。

【思考题】

1．用两个激光器分别作为物光源和参考光源，能否记录全息图，为什么？

2．直接记录干涉图的底片在显形后形成一张全息负片，用此负片可复制全息图正片，试问正片和负片的重像有何区别？

重现像的反衬是否相反（如同普通照相的正负片），为什么？

3．若全息片不小心打碎，用其中一个块再现来观察其虚像，下面哪种说法是正确的？

（1）再现原物的一部分。

（2）完全不能再现虚像。

（3）能再现完整的虚像，和没打碎的整块全息照片再现的虚像毫无差别。

（4）能再现完整的虚像，但衍射效率降低。

（5）能再现完整的开业像，但分辨率降低。

（6）能再现完整的虚像，和整块全息片再现的虚像毫无差别，仅仅观察起来不太方便。

4．用投影仪和显微镜观察到的条纹是什么条纹？

它们是不是同一性质的条纹？

作了这一对比观察后你有什么体会？

5．做实验时，如何调整判断实验光路中各器件的同轴？

附:

D-19显影液配方：

F5定影液配方：

蒸馏水500mL蒸馏水（50

）800mL

米吐尔2g硫代硫酸钠240g

无水亚硫酸钠90g硼酸（结晶）75g

对苯二酚8g冰醋酸3.5mL

无水碳酸钠48g无水亚硫酸钠15g

实验

名称

激光全息照相

实验编号

0801012

实验课时

3

类别

必修（√）限选（）任选（）

类型

演示、验证（）综合、设计（√）

辅助

教师

职称

授课

对象

全校工科本科生、专科生

教材

讲义

王宏波等．大学物理实验（上）．东北林业大学出版社，2004

实验内容（教学过程）

实验

目的

（1）了解全息照相的原理及特点。

（2）掌握漫反射物体的全息照相方法，制作漫反射的三维全息图。

（3）掌握反射全息的照相方法，学会制作物体的白光再现反射全息图。

（4）进一步熟悉光路的调整方法，学习暗室技术。

实

验

方

法

原

理

（1）概述

全息照相是利用光涉的干涉和衍射原理，将物光波以干涉条纹的形式记录下来，然后在一定条件下，利用衍射再现原物体的立体图像。

可见，全息照相必须分两步进行：

①物体全息图的记录过程；②立体物像的再现过程。

（2）全息照相与普通照相的主要区别

①全息照相能够把物光波的全部信息记录下来，而普通照相只能记录物光波的强度。

②全息照片上每一部分都包含了被摄物体上每一点的光波信息，所以它具有可分割性，即全息照片的每一部分都能再现出物体的完整的图像。

③在同一张全息底片上，可以采用不同的角度多次拍摄不同的物体，再现时，在不同的衍射方向上能够互不干扰地观察到每个物体的立体图像。

（3）全息照相技术的发展

全息照相技术发展到现在已有四代。

本实验将用激光作光源完成物体的第二代全息图—漫反射全息图和第三代全息图—反射全息图的拍摄和再现。

实验

装置

全息照相实验台1套（含He-Ne激光器、曝光定时器、光电开关、90％分束镜、底片夹、载物台各1个，反射镜、扩束镜、待摄物体各2个）。

实验

准备

确保全息实验台配件齐全，准备全息底片2片、暗室设备及药品。

实

验

步

骤

首先要熟悉本实验所用仪器和光学元件。

打开激光器电源，点亮He-Ne激光器，调整其工作电流，使其输出最强的激光，然后按下述内容和步骤开始进行实验。

（1）漫反射全息图的拍摄

①按漫反射全息光路图摆放好各元件的位置，整个光路大概占实验台面的三分之二左右。

②各光束都应与台面平行，通过调平面镜的俯仰角来调节。

且光点都要打到各元件的中心部位。

③两束光的光程差约为20cm,光程都是由分束镜开始算起,沿着光束前进的方向量至全息底片为止。

④物光与参考光夹角为30°～50°。

⑤参考光与物光的光强比为3:

1～8:

1（通过调整扩束镜的位置来实现）。

⑥曝光时间为6S。

⑦上底片及曝光拍照（底片上好后要静止1～2min），药膜面要正对物体放。

（2）白光再现反射全息图

①按反射全息光路摆放好各元件的位置，先不放入扩束镜L，各光事与台面平行。

②调整硬币，使之与干板（屏）平行，使激光束照在硬币的中心。

③放入扩束镜，使光均匀照射且光强适中，确定曝光时间为3s。

④曝光，硬币与干板间距为1cm。

（3）底片处理

①显影。

②显影后冲洗1min，停显30s左右，定影3～5min，定影后可打开白炽灯，用水冲洗干板5～10min，再用吹风机吹干（吹时不可太近且不可正对着吹，以免药膜收缩）。

（4）再现观察

①漫反射全息图的再现。

②白光再现反射全息图的观察。

数据

处理

本实验无数据处理内容

1.全息照像有哪些重要特点?

答：

全息照相是利用光波的干涉和衍射原理，将物体“发出”的特定波前（同时包括振幅和位相）以干涉条纹的形式记录下来，然后在一定条件下，利用衍射再现原物体的立体像。

全息照相必须分两步进行：

（1）物体全息图的记录过程；

（2）立体物像的再现过程。

2.全息底片和普通照像底片有什么区别?

答：

（1）全息照相能够把物光波的全部信息（即振幅和相位）全部记录下来，而普通照相只能记录物光波的强度（既振幅），因此，全息照片能再现出与原物体完全相同的立体图象。

（2）由于全息照片上的每部分都包含了被摄物体上每一点的光波信息，所以，它具有可分割性，即全息照片的每一部分都可以再现出原物体的立体图象。

（3）在同一张全息底片上，可以采用不同的角度多次拍摄不同的物体，再现时，在不同的衍射方向上能够互不干扰地观察到每个物体的立体图象。

3.为什么安装底片后要静止一段时间，才能进行曝光?

答：

为了减少震动，提高拍摄质量，减震是全息照相的一项重要措施，要保证照相质量，光路中各元器件的相对位移量要限制在<λ/2范围内。

5.普通照像在冲洗底片时是在红光下进行的，全息照像冲洗底片时为什么必须在绿光甚至全黑下进行?

答：

因为全息干板涂有对红光敏感的感光材料，所以冲洗底片时必须在绿光甚至全黑下进行。

激光全息照相实验

教学目的：

1．了解全息照相的发展过程及应用,比较全息照相与普通照相的区别；

2．掌握全息照相的原理和特点；

3．学习全息照相的拍摄方法和观察再现全息图。

重难点：

1．漫反射-体积全息的实验光路调试；

2．全息干板的正确冲洗。

教学方法：

讲授、讨论、实验演示相结合。

3个学时

一、前言

全息照相的基本原理是以光波的干涉和衍射为基础的,1948年物理学家伽伯（D1Gabor）首先提出一种无透镜两步成像法,称做波前再现或全息术,1964年利思（Lefth）等成功地获得三维图象的全息照片。

1960年激光器的问世促进了全息术的发展,成为科学技术上一个崭新的领域。

激光全息摄影技术正飞速发展,并在干涉计量学、无损检测、信息处理、遥感技术、生物医学、国防工程等科技领域获得广泛的应用,有着广阔的发展前景。

目前全息技术的应用已涉及到各个领域：

军事上模拟真实目标，进行驾驶训练；艺术上可以复制历史文物，制作全息首饰、全息肖像、全息风景；工业上制作防伪商标；科学上用于全息干涉计量、测量诊断技术等。

全息图记录了物光波的全部信息,再现时可看到一个逼真的三维图象,立体感强。

全息图上的每一点都携带有被摄物的全部信息,全息摄影图具有可分割性,分割后的每一小块干板都可再现完整的物体象。

一张全息干板可重叠摄制多个全息图。

二、实验仪器

全息平台及其光学附件，He-Ne激光器，曝光定时器，Ⅰ型全息干板，暗室设备。

三、实验原理

（1）人眼视物的简单机理

光是电磁波,在光波中产生感光作用和生理作用的是电场强度E0.一列单色光波可表示为E=E0cos（ωt-2πrΠλ+φ0）物体上的每一点都向空间各个方向发出光波:

透射波、反射波、散射波等,统称为物波.物波携带着物体的信息,如颜色、明暗、凹凸等.这些信息在物波的函数中用频率f（ω=2πf）、振幅E0、相位（ωt-2πΠλ+φ0）表示.人眼之所以能看到物体,是因为人眼接受到物体各部分所发出的物波.物波所能到达的任一点