全息照相實(shí)驗報告

全息照相試驗報告程子豪2023035012 少年班01一、試驗?zāi)康模毫私馊⒄障嘤涗浐驮佻F(xiàn)的根本原理和主要特點(diǎn)；學(xué)習(xí)全息照相的操作技術(shù)；觀看和分析全息圖的成像特性。二、試驗原理：全息照相原理的文字表述：一般照相底片上所記錄的圖像只反映了物體上各點(diǎn)發(fā)〔輻射光或反射光的強(qiáng)弱變化，的參考光束和物光束相互干預(yù)來記錄物光振幅和相位的全部信息幅和相位兩種信息全部記錄下來，因而稱為全息照相。1948〔D.Gabor〕覺察，但是由于受光源的限制〔全息照相要求光源有很好的時間相干性和空間相干性，在激光消滅以前，對全息技術(shù)的爭論進(jìn)展緩慢，在60年月激光消滅以后，全息技術(shù)得到了快速的進(jìn)展。目前，全息技術(shù)在1971全息照相在記錄物光的相位和強(qiáng)度分布時，利用了光的干預(yù)。從光的干預(yù)原理可知：當(dāng)兩束相干光波相遇，發(fā)生干預(yù)疊加時，其合強(qiáng)度不僅依靠于每一束光各自的強(qiáng)度，同時也依靠于這兩束光波之間的相位差。在全息照相中就是引進(jìn)了一束與物光相干的參考光，使這兩束光在感光底片處發(fā)生干預(yù)疊加，感光底片將與物光有關(guān)的振幅和位相分別以干預(yù)條紋的反差和條紋的間隔形式記錄下來，經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚?，便得到一張全息照片。具體來說，全息照相包括以下兩個過程：1、波前的全息記錄利用干預(yù)的方法記錄物體散射的光波在某一個波前平面上的復(fù)振幅分布，這就是波前的全息記錄。通過干預(yù)方法能夠把物體光波在某波前的位相分布轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)分布，從而被照相底片記錄下來，由于我們知道，兩個干預(yù)光波的振幅比和位相差打算著干預(yù)條紋的強(qiáng)度分布，所以在干預(yù)條紋中就包含了物光波的振幅和位信任息。典型的全息記錄過程是這樣的：從激光器發(fā)出的相干光波被分束鏡分成兩束，一束經(jīng)反射、擴(kuò)束后照在被攝物體上，經(jīng)物體的反射或透射的光再射到感光底片上，這束光稱為物光波；另一束經(jīng)反射、擴(kuò)束后直接照耀在感光底片上，這束光稱為參考光波。由于這兩束光是相干的，所以在感光底片上就形成并記錄了明暗相間的干預(yù)條紋。干預(yù)條紋的外形和疏密反映了物光的位相分布的狀況，而條紋明暗的反差反映了物光的振幅，感光底片上將物光的信息都記錄下來了，經(jīng)過顯影、定影處理后，便形成與光柵相像構(gòu)造的全息圖—全息照片。所以全息圖不是別的，正是參考光波和物光波干預(yù)圖樣的記錄。明顯，全息照片本身和原來物體沒有任何相像之處。2、衍射再現(xiàn)物光波前的再現(xiàn)利用了光波的衍射。用一束參考〔在大多數(shù)狀況下是與記錄全息圖時用的參考光波完全一樣照耀在全息圖上，就似乎在一塊簡單光柵上發(fā)生衍射，在衍射光波中將包含有原來的物光波，因此當(dāng)觀看者迎著物光波方向觀看時，便可看到物體的再現(xiàn)像。這是一個虛像，它具有原始物體的一切特征。此外還有一個實(shí)像，稱為共軛像。應(yīng)當(dāng)指出，共軛波所形成的實(shí)像的三維構(gòu)造與原物并不完全相像。雙曝光全息技術(shù)用于微小位移〔形變〕的測量：圖一雙曝光法光路圖〔上述文字節(jié)選自《利用雙曝光全息干預(yù)場測物體微小位移》的論文〕、像面全息的試驗原理：將物體靠近全息記錄介質(zhì)，或利用成像系統(tǒng)將物體成像在記錄介質(zhì)四周，再引入一束與之相干的參考光束，即可制作像全息圖。當(dāng)物體緊貼記錄介質(zhì)或物體的像跨立在記錄介質(zhì)外表上時，得到的全息圖稱為像面全息圖。因此，像面全息圖是像全息圖的一種特例。像面全息圖的特點(diǎn)是可以用寬光源和白光再現(xiàn)。對于一般的全息圖，當(dāng)用點(diǎn)光源再現(xiàn)時，物上的一個點(diǎn)的再現(xiàn)像仍是一個像點(diǎn)。假設(shè)照明光源的線度增大，像的線度也隨之增大，從而產(chǎn)生線模糊。計算說明，記錄時物體愈靠近全息圖平面，對再現(xiàn)光源的線度要求就愈低。當(dāng)物體或物體的像位于全息圖平面上時。再現(xiàn)光源的線度將不受限制。這就是像面全息圖可以用寬光源再現(xiàn)的緣由。全息圖可以看成是很多基元全息圖的疊加，具有光柵構(gòu)造。當(dāng)用白光照明時，再現(xiàn)光的方向因波長而異，故再現(xiàn)像點(diǎn)的位置也隨波長而變化，其變化量取決于物體到全息圖平面的距離?？梢?，各波長的再現(xiàn)像將相互錯開又交疊在一起，從而使像變得模糊不清，產(chǎn)生色模糊。當(dāng)全息干板處于離焦位置(即不在成像面上)時，再現(xiàn)像的清楚度將下降。離焦量越大，再現(xiàn)像就越模糊不清。然而，像面全息圖的特征，是物體或物體的像位于全息圖平面上，因而再現(xiàn)像也位于全息圖平面上。此時，即使再現(xiàn)照明光的方向轉(zhuǎn)變，像的位置也不發(fā)生變化，只是看起來顏色有所變化罷了。這就是像面全息圖可以用白光照明再現(xiàn)的緣由所在。、試驗根本條件：119482、一個穩(wěn)定性較好的防震臺。由于全息底片上所記錄的干預(yù)條紋很細(xì)，相要求整個光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性良好。從布拉格法則可知：條紋寬度d，由此2sin2 公式可以估量一下條紋的寬度。當(dāng)物光與參考光之間的夾角60632.8nm，d0.6328m?？梢?，在記錄時條紋或底片移動1m，將不能成功地得到全息圖。因〔包括光源和被攝物體都必需牢結(jié)實(shí)定在防震臺上。從公式可知，當(dāng)角減小時，d增加，抗干擾性增加。但考慮到再現(xiàn)時使衍射光和零級衍射光能分得開一些，300450左右。還有適當(dāng)縮短曝光時間，保持環(huán)境安靜都是有利于記錄的。3、高區(qū)分率的感光底片。一般感光底片由于銀化合物的顆粒較粗，每毫米只能記錄幾十至幾百條，不能用來記錄全息照相的細(xì)密干預(yù)條紋，必需承受高區(qū)分率的感光底片技術(shù)學(xué)問也是不行缺少的。三、試驗步驟：、同軸全息照相試驗：1、調(diào)整防震臺，調(diào)整各光學(xué)元件的中心等高翻開He-Ne激光器，擺好光路，使光路系統(tǒng)滿足以下要求：物光和參考光的光程大致相等；經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)展后的參考光應(yīng)均勻照在整個底片上，被攝物體各局部也應(yīng)得到較均勻照明。使兩光束在底片處重疊時之間的夾角范圍為1545在底片處物光和參考光的光強(qiáng)比在適宜的范圍之內(nèi)。關(guān)上照明燈〔可開暗綠燈使用。方向。靜置后進(jìn)展曝光。曝光過程中確定不準(zhǔn)觸及防震臺，并保持室內(nèi)安靜。顯影及定影。顯影液與定影液由試驗室供給。顯影定影溫度以20攝氏度最為適宜。顯0.513～55～10晾干。2、雙曝光全息術(shù)測微小位移：過程與3.1位置時的全息圖都記錄在一塊底版上，觀看干預(yù)條紋以獵取數(shù)據(jù)。、像面全息圖〔白光再現(xiàn)：選擇元件：依據(jù)光路圖選擇適宜的光學(xué)元件及鏡架。調(diào)整光路：選擇其中一條光路依據(jù)光路圖拼搭和調(diào)整光路。通過移動反射鏡調(diào)整參考光的光程，使參考光與物光的光程差接近于零。物光與參考光的夾角不要太大，一般在15451:13個適宜的范圍。4．曝光記錄：在暗室中穩(wěn)定后進(jìn)展曝光。顯影時間0.513～5定影后的底片應(yīng)放在清水中沖洗5105．漂白處理：為了提高衍射效率，用漂白液進(jìn)展漂白處理，把黑色局部消退后再稍做浸泡，水洗數(shù)分鐘后晾干，即得到相位型像面全息圖。3四、試驗記錄與數(shù)據(jù)分析：數(shù)據(jù)記錄成分溫水〔50℃〕米吐爾無水亞硫酸鈉對苯二酚無水硫酸鈉溴化鉀1000ml。成分溫水〔60℃-70℃〕硫代硫酸鈉無水亞硫酸鈉醋酸硼酸硫酸鋁鉀礬1000ml。

表一D-19顯影液配方用量800ml2g90g8g48g5g表二F-5定影液配方用量600ml240g15g45ml8g15g表三漂白劑配方

作用〔〕保護(hù)劑〔防止藥液氧化〕〔〕促進(jìn)劑抑制劑〔防止產(chǎn)生灰霧〕作用定影〔溶去未感光的溴化銀〕〔使硫代硫酸鈉遇酸不分解〕〔顯影〕堅膜劑〔使乳劑藥膜結(jié)實(shí)〕〔防止亞硫酸鋁沉淀產(chǎn)生〕成分 重鉻酸銨用量 20g

濃硫酸14ml

溴化鉀92g

水1000ml表四全息照相〔及雙曝光全息測微小位移〕試驗數(shù)據(jù)〔請結(jié)合圖2〕分束鏡M1M1物體物體感光底版79.0cm23.1cm11.5cm113.6cm分束鏡M2M2感光底版38.0cm75.6cm113.6cm室溫20.2℃顯影時間1min定影時間3min曝光時間2sHe-Ne激光器波長632.8nm表五白光再現(xiàn)像面全息試驗數(shù)據(jù)〔請結(jié)合圖3〕分束鏡M1

17.2cmM1物體物體感光底版74.1cm44.8cm136.1cm分束鏡M2M2感光底版76.1cm60.0cm136.1cm室溫23.6℃顯影時間30s定影時間3min曝光時間2sHe-Ne激光器波長632.8nm試驗掠影2搭建的光路全息照相雙曝光全息法測微小位移白光再現(xiàn)像面全息試驗結(jié)果分析：對全息照相試驗的分析：一、系統(tǒng)穩(wěn)定性對試驗結(jié)果的影響：由于全息圖上所記錄的是參考光和物光的干預(yù)條紋,而這些條紋格外細(xì),在曝光過程中,微小的振動和位移都會引起干預(yù)條紋的模糊不清,甚至使干預(yù)條紋完全不能記錄下來。二、光路對試驗結(jié)果的影響：光的相干長度,否則兩者不能相干,無法在全息干板上獲得干預(yù)條紋。參考光和物光的夾角的影響。假設(shè)全息干板上干預(yù)條紋的間距為d,光源波長為λ。依據(jù)干預(yù)原理,dθd=λ/2sin(θ/2),而干板區(qū)分η與d有關(guān)η=1/d=2sin(θ/2)/λθ對干板的區(qū)分率要求越高,故夾角θθ有影響,夾角大,可在較大范圍內(nèi)從不同角度觀看物象,反之,觀看窗則小,因此夾角θ也不能太小。雙光束干預(yù)來說,假設(shè)2束光的光強(qiáng)一樣,干預(yù)條紋可得到最大的比照度,這對一般線性承受元件是適宜的。而對全息照相的記錄介質(zhì)來說,曝光量(T)和振幅(H)透過率的特性曲線是非線性的,在曲線兩端發(fā)生奇變,如以下圖所示,產(chǎn)生較高階的衍射光,使衍射效率降低。 干板的曝光特性另一方面,當(dāng)物光比參考光強(qiáng),斑紋比較顯著,產(chǎn)生較大量的暈輪光圍繞零級衍射光,降低了成象的光通量,致使效率降低。全息干板固定不牢或夾持位置偏差大,以及把有藥面的一面與玻璃面放反,都會造成試驗的失敗。三、曝光與顯影對試驗結(jié)果的影響外,曝光時間越長,保持系統(tǒng)穩(wěn)定性越難,曝光時間內(nèi)突然的躁聲和振動會使拍攝失敗[。顯影時間的影響。顯影的程度是否適當(dāng)對全息圖質(zhì)量影響很大。假設(shè)顯影時間太長,全息干板發(fā)黑,光線的透射率降低,無法再現(xiàn)像;而顯影時間太短,干板上條紋不能消滅,無法形成簡單的衍射光柵,甚至是一塊透亮玻璃片,也無法再現(xiàn)像。我們的全息片看上去只有一半可以顯像，緣由可能是這樣的：觀看角度的問題；片子在清洗過之后將來得及完全枯燥就直接觀看了，衍射時必定會產(chǎn)生影響；拍攝過程中參考光未能掩蓋整塊底版要求。微小位移的測量：2.21所以，由形變引起的相位變化為 ，由以上分析可知：當(dāng)用原參考光照耀全息圖后，人眼不僅能在原物位置上看到平板的虛像，而且還可看到平板上疊加了明暗條紋。2.2〔7〕式可知，在再現(xiàn)像上消滅暗條紋的位置為即則式中ｋ表示從零位移〔固定點(diǎn)〕算起的暗條紋序數(shù)，所以有只要測出θ、θ1

，數(shù)出所觀看的暗條紋的序數(shù)〔由固定點(diǎn)算起，就能計算出該點(diǎn)的位移量。在本試驗中，由4.2所給光路圖可以看出，θ=θ1 2

，取值各位15o，這里要想教師賠禮，由結(jié)果格外不準(zhǔn)確，以后我們在試驗之前會做好預(yù)備工作，盡可能更加細(xì)致。假設(shè)以第一級暗紋為固定點(diǎn)，可得出第20級暗紋的位移大致為6387.45nm。那么，對于試驗結(jié)果的影響因素有哪些呢？爭論如下：各個局部的相位關(guān)系，而激光光源波數(shù)的寬度對干預(yù)場是有影響的。Δθ與波長λλ大位置沿兩邊發(fā)生移動，但主〔次〕極大的半角寬度及主〔次〕極大條紋的間距均隨λ的增長而增大。極大的半角寬度及主極大條紋的間距等不變，只是隨著θ的增加，衍射光整體平移。當(dāng)θ0 0和θ在法線異側(cè)時，衍射條紋向右移動；當(dāng)θ和θ在法線同側(cè)時，衍射條紋向左移動。0白光再現(xiàn)像面全息：拍攝出全息圖后,放在白光或太陽光下觀看看到的是紅色圖像(用激光拍攝的全息圖)或〔可參照之前所給出的試驗掠影白光中只有波長和制作全息片時所用光波波長一樣的成分衍射后才能消滅干預(yù)極大膠經(jīng)過顯影、定影、晾干后往往會發(fā)生收縮,使銀層