物理實(shí)驗(yàn)研究性報(bào)告

./物理實(shí)驗(yàn)研究型報(bào)告全息照相和全息干涉法的應(yīng)用及其改進(jìn)院系名稱電子信息工程學(xué)院作者姓名龔小川學(xué)號(hào)390226222011年5月摘要本實(shí)驗(yàn)以"全息照相和全息干涉法的應(yīng)用"實(shí)驗(yàn)為研究對象。此實(shí)驗(yàn)利用光的干涉,以激光作光源,通過全息記錄和再現(xiàn)過程實(shí)現(xiàn)照相功能。它的主要特點(diǎn)是能夠同時(shí)記錄光波的振幅和位相信息,在各領(lǐng)域中具有很大的優(yōu)越性,應(yīng)用前景十分廣闊。此報(bào)告主要對實(shí)驗(yàn)原理、過程以及數(shù)據(jù)計(jì)算做了詳細(xì)分析,并且提出了部分改進(jìn)方案。在末尾處附上了一些自己的總結(jié)體會(huì),同時(shí)對北航物理實(shí)驗(yàn)課程做了部分評(píng)價(jià)和建議。關(guān)鍵字：全息照相楊氏模量二次曝光法一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私馊⒄障嗟幕驹?熟悉反射式全息照相和透射式全息照相的基本技術(shù)和方法。掌握在光學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行光路調(diào)整的基本方法和技能。學(xué)習(xí)用二次曝光法進(jìn)行全息干涉計(jì)量,并以此測定鋁板的彈性模量。通過全息照片的拍攝和沖洗,了解有關(guān)照相的一些基本知識(shí)。二、實(shí)驗(yàn)原理全息照相全息照相所記錄的和再現(xiàn)的是包括物光波前的振幅和位相在內(nèi)的全部信息。而感光乳膠和一切光敏元件都是只對光強(qiáng)敏感,不能直接記錄位相,必須借助一束相干參考光,通過拍攝物光和參考光的干涉條紋,間接記錄下物光的振幅和位相信息。全息照相分為透射式全息和反射式全息。若物光與參考光在記錄介質(zhì)的兩側(cè),則為反射全息；若物光和參考光位于記錄介質(zhì)的同側(cè),則為透射全息。透射全息的記錄將感光板垂直于紙面放置,兩束相干平行光o,r入射到感光板上,它們與感光板法向夾角分別為和,并且o光中兩條光線1、2與r光中兩條光線1`、2`在A、O兩點(diǎn)相遇并相干,于是在垂直紙面方向產(chǎn)生平行的明暗相間的干涉條紋,并設(shè)A、O兩點(diǎn)為相鄰的明條紋,則通過計(jì)算可得：d=而在通常的全息照相中,物光和參考光均為發(fā)散球面波,將感光板置于OXY平面。設(shè)物光球面波的源點(diǎn)o和參考光球面波的源點(diǎn)r均處于OXZ平面內(nèi)。兩束平行光在感光板上相遇而發(fā)生干涉,形成與Y軸平行的間距為d的明暗相間的條紋。則由前面討論可以得到：d=〔2透射全息的再現(xiàn)全息圖是以干涉條紋的形成記錄的物光波,相當(dāng)于一塊有復(fù)雜光柵結(jié)構(gòu)的衍射屏,必須用參考光照射才能在光柵的衍射光波中得到原來的物光,從而使物體得到再現(xiàn)。2、反射式全息照相反射式全息照相用相干光記錄全息圖時(shí),物光和參考光從底片的正反兩面分別引入而在底片介質(zhì)中形成駐波,在平面乳膠面中形成平行于乳膠面的多層干涉面。由于物光和參考光之間夾角接近于180度,故相鄰兩干涉面之間的距離近似為d==再現(xiàn)光在這三維物體上的衍射極大值必須滿足下列條件：=1\*GB3①光從衍射面上反射時(shí),反射角等于入射角。=2\*GB3②相鄰兩干涉層的反射光之間的光程差必須是。3、兩次曝光法測定金屬板的彈性模量實(shí)驗(yàn)光路如右圖所示,L為擴(kuò)束鏡。M1、M2為平面鏡,H為干板,P為鋁板,G為加力裝置。干板的膠面朝向鋁板。激光束經(jīng)過擴(kuò)束鏡L后,照射在干板上,即為參考光；激光透過干板以后,照射在鋁板上,并由鋁板反射,再次照向干板,即為物光。首先在懸梁臂尚未受力時(shí)作第一次曝光,然后通過加力裝置對梁的自由端加力進(jìn)行第二次曝光,再現(xiàn)時(shí)間時(shí)復(fù)現(xiàn)懸臂梁兩個(gè)狀態(tài)下的物光波前,在這兩個(gè)波前發(fā)生干涉,形成一簇等光程差的干涉條紋?？梢愿鶕?jù)干涉條紋計(jì)算出梁在不同位置處的位移量。假設(shè)在梁上有任意一點(diǎn)A,當(dāng)梁受力后,A發(fā)生位移,位移方向垂直于梁表面,并由A點(diǎn)移到A`點(diǎn),位移量dy,假設(shè)照相時(shí)入射光的方向與位移方向的夾角為。反射光的方向與位移方向的夾角,那么A點(diǎn)與A`點(diǎn)發(fā)出光波之間的光程差為dy〔>。根據(jù)下列條件：=1\*GB3①=2\*GB3②共同推得三、實(shí)驗(yàn)儀器氫氖激光器及電源1套,分束鏡1塊,平面鏡3塊,被攝物1個(gè),砝碼加載器及待測鋁板1套,載物臺(tái)1個(gè),底板架1個(gè),擴(kuò)束鏡2塊,透鏡1塊,白屏1塊,純凈水,質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為40%,60%,80%,100%的異丙醇溶液適量,竹夾1個(gè),RSP-Ι型紅敏光致聚合物全息干板。四、實(shí)驗(yàn)步驟全息照片的拍攝反射式全息照相反射全息的記錄光路簡單,如圖所示。激光束S經(jīng)擴(kuò)束鏡L后照在全息底片H上,形成參考光r；透過H的激光照明物體o,再由物體反射到H形成物光o；o、r在H的兩側(cè),構(gòu)成反射全息。由于乳膠感光材料的透過率為30%~50%,因而要求物體的反射率要高,否則很難滿足參考光與物光的光強(qiáng)比要求。oH之間的距離通常在1cm以內(nèi),而且盡量使物體面平行于H。光路調(diào)整好后,遮擋激光安放感光板,H的乳膠面應(yīng)正對物體。隨后,開放激光曝光10~20s。二次曝光法測定鋁板的楊氏模量物體靜止時(shí)進(jìn)行第一次曝光,時(shí)間大約為10s。隨后用砝碼加載器給懸臂梁自由端施加適當(dāng)大小的力,穩(wěn)定1min后,進(jìn)行第二次曝光,時(shí)間約15s。〔3透射式全息照相按圖布置光路。G為分束鏡,、和為平面鏡,和為擴(kuò)束鏡,H為感光板。=1\*GB3①首先粗調(diào)激光器水平,判斷方法是當(dāng)白屏沿平臺(tái)移動(dòng)時(shí),激光光點(diǎn)大致處于同一高度；其次改變平面鏡俯仰,使激光光點(diǎn)回到激光器出口,此時(shí)平面鏡與激光束垂直；然后轉(zhuǎn)動(dòng)平面鏡將激光反射到其他各元件上,分別調(diào)整各元件高度,使光點(diǎn)落入其中心,完成等高調(diào)節(jié)。=2\*GB3②布置物光光路。移動(dòng)擴(kuò)束鏡,使被攝物全部被均勻照明。感光板距靜物不超過10cm。=3\*GB3③量取物光光程,以此確定參考光反射鏡位置,使物光光程和參考光光程基本相等,同時(shí)使物光與參考光夾角在左右。=4\*GB3④前后調(diào)整擴(kuò)束鏡的位置,使參考光均勻照在整張感光板上,并使物光與參考光光強(qiáng)比為1:4~1:10。=5\*GB3⑤檢查各光學(xué)元件是否用螺釘擰緊并將磁性表座鎖定,避免曝光時(shí)元件間發(fā)生相對位移。=6\*GB3⑥用黑紙遮擋激光,將感光板乳膠面朝光安裝在底板架上。排除一切振動(dòng)因素,如走動(dòng)、大聲講話、對臺(tái)面的碰撞〔哪怕是輕微的等,打開擋板曝光80~100s。沖洗底板=1\*GB3①將曝光后的感光板用竹架夾住,放在純凈水中浸泡10s取出,濾盡水。=2\*GB3②將感光板依次放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%、60%、80%的異丙醇溶液中各脫水10~15s后取出,注意每次進(jìn)入相鄰溶液時(shí),都需將干板上的溶液濾盡。=3\*GB3③將感光板放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%的異丙醇溶液中脫水,直至感光板呈現(xiàn)紅色或黃綠色為止。=4\*GB3④濾盡干板上的溶液,將干板迅速用吹風(fēng)機(jī)吹干。再現(xiàn)像的觀察=1\*GB3①反射全息圖的觀察經(jīng)沖洗吹干的全息圖在白光下即可觀察到原物虛像。=2\*GB3②彈性模量的測量測量彈性模量的光路也是反射全息光路,因此獲得的全息圖可在白光下直接看到干涉條紋。取不同級(jí)數(shù)的亮紋或暗紋,測量條紋所在處的x坐標(biāo),然后測定鋁板的長度、寬度和厚度。由此計(jì)算彈性模量。=3\*GB3③透射全息圖的再現(xiàn)將已經(jīng)制成的全息圖放回原底板架上,不要改變?nèi)D和原底板之間的方位,擋去物光,移去原物,便可在原物位置上顯現(xiàn)出與原物同等大小、三維立體的原始像。五、數(shù)據(jù)處理公式推導(dǎo)可知和均近似為0,由于k無法確定,故將=1\*GB3①式變換如下〔設(shè)任意級(jí)為0級(jí),第N個(gè)條紋級(jí)數(shù)則為=。N為離散正整數(shù),無測量誤差,故設(shè)x=N,y=環(huán)境參數(shù)與暗紋位置L/mmb/mmh/mmm/g/nm70.140.51.715.5632.8數(shù)據(jù)點(diǎn)處理〔取點(diǎn)為所測第一個(gè)條紋位置,即=0.6010mx=N/m/m10400.60100010.60400.00300.09608720.60790.00690.46730330.61000.00900.78682540.61210.01111.18436350.61330.01231.44552260.61520.01421.90811170.61680.01582.34305980.61830.01732.78739890.61980.01883.266133100.62100.02003.673231數(shù)據(jù)處理解得x=5.5,x2=38.5,y=1.7958032×1011,xy=13.40049×1011故E=b=xy-xyx2R=-xy+xy所以u(píng)ab=ua(E)=b×1回歸函數(shù)具有形式又在沒有其他附加條件下,應(yīng)估計(jì)x的各值點(diǎn)為等權(quán)重的,即x在取值范圍內(nèi)均勻分布。故的估計(jì)值應(yīng)為,最終結(jié)果可表述為六、討論〔1對結(jié)果或誤差來源的進(jìn)一步分析：在完成此次實(shí)驗(yàn)時(shí)。我們可以知道鋁的楊氏模量的理論值為,可知此實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果的數(shù)量級(jí)與理論值保持一致,但是數(shù)值上存在一定的誤差,但仍然在允許范圍之內(nèi)。同時(shí),根據(jù)對和的比較,可知,所以刻度尺的誤差對結(jié)果的影響較大。其次,激光束的強(qiáng)度不足導(dǎo)致了測量值偏小的結(jié)果。由于在規(guī)定時(shí)間內(nèi)曝光而光強(qiáng)不足,會(huì)產(chǎn)生一定影響。最后,在整個(gè)測量中,不能避免拍攝系統(tǒng)的嚴(yán)格防振,這個(gè)因素對實(shí)驗(yàn)的測量結(jié)果也具有一定的干擾,使拍攝出的干涉條紋存在很多毛刺?！?完成實(shí)驗(yàn)后的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)總結(jié)：在完成此次實(shí)驗(yàn)之后,自己發(fā)現(xiàn)有以下幾個(gè)方面需要注意：一是,在保證了曝光時(shí)間的同時(shí),可能還需要確定激光強(qiáng)度,這些應(yīng)該就需要以往做過此實(shí)驗(yàn)的同學(xué)提供經(jīng)驗(yàn)；二是,在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的途中,決不能觸碰桌子,甚至不能大聲說話,盡可能的減少對實(shí)驗(yàn)儀器的振動(dòng),才能在在最大程度上保證實(shí)驗(yàn)儀器的穩(wěn)定；三是,在浸泡溶液的時(shí)候,應(yīng)該及時(shí)觀察成像效果,在固定且合適的時(shí)間內(nèi)將干板拿出來看看,再確定還得浸泡多久。我們也應(yīng)該在不斷的實(shí)驗(yàn)中積累經(jīng)驗(yàn),才能夠獲得最好的實(shí)驗(yàn)效果。〔3對實(shí)驗(yàn)方法、內(nèi)容和儀器的改進(jìn)建議：傳統(tǒng)的數(shù)字全息測量物體的位移和應(yīng)變,都是采用多靈敏度下的二次曝光法,這使得實(shí)驗(yàn)較為復(fù)雜,記錄時(shí)間較長,不利于測量迅速變化物體。為了使實(shí)驗(yàn)設(shè)備更簡單,光路更簡潔,實(shí)驗(yàn)手續(xù)更方便,在更短的時(shí)間內(nèi)記錄兩張數(shù)字全息圖,可對上述方法進(jìn)行簡化。a二次曝光法測量物體應(yīng)變的初步改進(jìn)物體的法線方向上記錄兩張數(shù)字全息圖求出物體應(yīng)變的方法的光路如左圖所示,采用的是離軸光路,這有利于對迅速變化物體的記錄。在法向<Z軸>上記錄兩張數(shù)字全息圖和,分別對應(yīng)于物體形變前后的狀態(tài),并重建出它的物光波和,這兩個(gè)物光波有如下關(guān)系=。其中是物體形變前后的相位差,跟物體的位移有關(guān)。用的共軛乘以,得*=||。用數(shù)值計(jì)算的方法在計(jì)算機(jī)對進(jìn)行復(fù)振幅位移?？芍ㄟ^改變和的大小和正負(fù),便可得到不同方向的和。采用平移復(fù)振幅,雖然并沒有從根本上增加信息量,但它帶來的好處是能得到不同方向的相位變化和相應(yīng)的應(yīng)變。b二次曝光法測量物體位移的進(jìn)一步改進(jìn)對于上面的改進(jìn),照明光采用的是平行光,觀察方向是在Z軸方向上,它帶來的好處是靈敏度矢量便于計(jì)算,只有一個(gè),且方向近似平行于Z軸,即S=。它可用于離面位移的測量,但不能用于測量面內(nèi)位移。為了解決這個(gè)問題,可采用球面光照明,用于離面和面內(nèi)位移的測量。光路如上圖所示,照明光采用的是點(diǎn)源,位于Z軸上；觀察面在點(diǎn)源的共軛位置<像平面>上。記錄方法是在Z軸上記錄兩張數(shù)字全息圖。在菲涅耳近似下,靈敏度矢量的3個(gè)分量可表示為:。假設(shè)物體只發(fā)生位移<包括平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)>,沒有發(fā)生應(yīng)變<此處指都為零>?？傻?。其中,是指物體形變前后的相位變化,它可從兩張數(shù)字全息圖重建出各自的相位獲得。所以,我們便可算得面內(nèi)位移和,把條紋方程寫為,把求得的面內(nèi)位移和代入上式,可求得離面位移?！?實(shí)驗(yàn)后的感想、收獲、體會(huì)、意見或建議：這一次實(shí)驗(yàn),我們組做的還是比較順利的,當(dāng)然,其中也有一些值得改進(jìn)的地方。本實(shí)驗(yàn)讓我對反射式全息照相和透射式全息照相的基本理論和基本技術(shù)有了基本的了解,也讓我掌握了在光學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行光路調(diào)整的基本方法和技能。通過利用二次曝光法進(jìn)行全息干涉計(jì)量和對鋁板的彈性模量的測定,了解到有關(guān)照相的一些基礎(chǔ)知識(shí),并和實(shí)際聯(lián)系起來,了解到了日常生活中照相的一些概念和原理,以及二者的區(qū)別和不同。通過這次綜合性實(shí)驗(yàn),我了解到了很多關(guān)于照相的原理知識(shí)——照片的拍攝、物體的再現(xiàn)及照片的沖洗方面的有關(guān)知識(shí)。希望學(xué)校的物理實(shí)驗(yàn)教研室能夠?qū)?shí)驗(yàn)設(shè)備增加和改良一些,比如更貼近生活的一些照相類儀器,使同學(xué)們能夠在實(shí)驗(yàn)中以更貼近生活的方式掌握原理和技巧。⑤對教學(xué)改革或任課教師的評(píng)價(jià)、意見和建議：北航的物理實(shí)驗(yàn)課已經(jīng)陪我走過了一年的路程,我從心底里覺得自己的收獲很大,與此同時(shí),我也覺得自己做實(shí)驗(yàn)的水平有很大的提高。記得第一次做實(shí)驗(yàn)時(shí),沒做好預(yù)習(xí)工作,導(dǎo)致手忙腳亂