全息照相实验报告

班级：XXX      姓名：XXX     学号：XXX     时间：XXX

【实验目的】

1.了解全息照相的基本原理。

2.掌握全息照相以及底片的冲洗方法。

3.观察物象再现。

【实验仪器】

防震光学平台、氦氖激光器、曝光定时器及快门、扩束透镜（两个）、分束器、反射镜（两个）、全息Ⅰ型干版、显影液和定影液及暗房设备。

【实验原理】

全息照相与普通照相无论是在远离上还是在方发生都有本质的区别。普通照相是用几何光学的方法记录物体上各点的发光强度分部，得到的是二维平面像，像上各点的照度与物体上的各点发光强度一一对应。而全息照相的记录对象是整个物体发出的光波（即物体上各点发出的光波的叠加），借助于参考光用干涉的方法记录这个物光波的振幅和位相（周相）分布，即记录下物光波与参考光波相干后的全部信息。此时，记录信息底片上得到的不是物体的像，而是细密的干涉条纹，就好像一个复杂无比的衍射光栅，必须经过适当的再照明，才能重建原来的无广播，从而再现物体的三维立体像。由于底片上任何一小部分都包含整个物体的信息，因此，只利用拍摄的全息底片的一小部分也能再现整个物像。

1.全息记录

全息照相的光路图如下图所示：

  

用激光光源照射物体，物体因漫反射发出物光波。波场上没一点的振幅和相位都是空间坐标的函数。我们用O表示物光波没一点的复振幅与相位。用同一激光管员经分光板分出的另一部分光直接照射到地板上，这个光波称为参考光波，它的振幅和相位也是空间坐标的函数，其复振幅和位相用R表示，草考光通常为平面或球面波。这样在记录信息的底板上的总光场是物光与参考光的叠加。叠加后的复振幅为O+R，如图从而底板上各点的发光强度分布为

                                                        （式1）

式子中，O*与R*分别是O和R的共轭量；I。，IR分别为物光波和参考光波独立照射底版时的放光强度。

2.物相再现

3.底板经过曝光冲洗后，形成各处透光率不同的全息照片，它相当于一个复杂的光栅。一般来说，光透过这样的全息照片时，振幅以及位相都要发生变化。如果令

t＝透过光的复振幅/入射光的复振幅                     （式2）

则复振幅透过率t一般为复数。但对于平面吸收型全息照片t为实数。如果曝光及冲洗合适，可使得

                        （式3）

物象再现是用光照射已经摄制好的全息照片并观察透过光。这个过程称为波前重现，通常再照光与拍摄全息照片的参考光束R相同，因此，透过的光波的复振幅与位相用W表示，则：

   （式4）

第一项与参考波R成正比，是按一定比例重建的参考波，或者说是直接透过再找光相当于零级衍射波。

第二项与原来的物光成正比，是按一定比例重建的物光波，相当于一级衍射波。这个光波根据惠更斯原理继续传播，与原来物体在原来位置发出的光波相同，仅仅是振幅按一定比例改变，位相改变180度。因此全息照片后面的观察者对这个光波方向观察时，可以看到原来物体的三维立体像。如图所示：

 

第三项与物光波的公轭光波O*有关。它是因衍射而产生的另一个一级衍射波，称为孪生波。这意味着在须向的相反一侧会聚称一个共轭的实像。

【实验内容与测量】

1.全息照相

（1）设计光路系统如下图，打开激光光源预热，激光器的电流指示为6～7mA，光路系统应该满足下列条件：

①物光束和参考光束由分光板至感光版之间的光程大致相等

②用透镜将物光束扩展到保证整个被摄物都能受到光照，参考光束也应扩展使感光板有均匀光照

③照在感光板上的物光束和参考光束之间的夹角在之间为宜

④参考光束应强于物光束，在放感光板的地方她们的强度比约为3：至5：1

（2）关闭室内照明灯，用光电池测量放感光板处参考光束和物光光束的强度，以检验发光强度比是否符合要求。曝光时间应该控制在20～60s之间。

（3）上快门，调好曝光定时器的曝光时间，装感光板。使乳胶面向着入射光，静置几分钟使防震台不振动后曝光。

（4）显影和定影。显影液用D-19显影液，显影时间为2min。取出感光板后用自来水冲洗。然后放在定影液中……再水洗2～3min即可观察物象再现。

2.物象再现

1）用激光照射全息照片的正面。尽可能使光照方向与原来参考光束方向一致，从照片反面观察物象。

2）用1）的方法观察到正立的三维图象后，旋转全息照片180度，使其反面被激光照射。

3）用自己所想的方法观察全息照片。

【数据处理实验结论】

在这次光学实验中，对于再现像的观察我们没有得到再现像的实验结果，对此我觉得我们必然在某处有错误，或者是由于实验仪器造成，因此我展开分析，下面是一些分析结果。

实验中决定成功的因素：

一、系统稳定性对实验结果的影响由于全息图上所记录的是参考光和物光的干涉条纹, 而这些条纹非常细, 在曝光过程中, 极小的振动和位移都会引起干涉条纹的模糊不清, 甚至使干涉条纹完全不能记录下来。

二、光路对实验结果的影响

(1) 参考光和物光的光程差的影响。参考光和物光的光程差[ 1 ]不能太大, 不能大于所用激光的相干长度, 否则两者不能相干, 无法在全息干板上获得干涉条纹。

(2) 参考光和物光的夹角的影响。假如全息干板上干涉条纹的间距为d, 光源波长为λ。根据干涉原理, d 与参考光和物光之间的夹角θ有关, 而干板分辨率η 与d 有关。可以看出, θ角愈大, 所记录的干涉条纹就越细, 对干板的分辨率要求越高,故夹角θ不能太大。而夹角θ对全息图再现象时的观察窗(视角) 有影响, 夹角大, 可在较大范围内从不同角度观察物象, 反之, 观察窗则小, 因此夹角θ也不能太小。

(3) 参考光和物光的光强比的影响。全息照相是物光与参考光的双光束干涉. 对于一般双光束干涉来说, 如果2束光的光强相同, 干涉条纹可得到最大的对比度, 这对一般线性接受元件是合适的。而对全息照相的记录介质来说, 曝光量( T) 和振幅(H) 透过率的特性曲线是非线性的, 在曲线两端发生奇变, 如图3所示, 产生较高阶的衍射光,使衍射效率降低。干板的曝光特性

另一方面, 当物光比参考光强, 斑纹比较显著, 产生较大量的晕轮光围绕零级衍射光, 降低了成象的光通量, 致使效率降低。

(4) 全息干板固定不牢或夹持位置偏差大, 以及把有药面的一面与玻璃面放反, 都会造成实验的失败。

三、曝光与显影对实验结果的影响

(1) 曝光时间的影响。如果曝光时间太短, 底板上条纹太浅甚至没有, 复杂的衍射光栅无法形成, 当然也就无法再现像。若曝光时间太长, 底板可能太黑, 光线的透过率降低。另外, 曝光时间越长, 保持系统稳定性越难, 曝光时间内突然的躁声和振动会使拍摄失败[。

(2) 显影时间的影响。显影的程度是否适当对全息图质量影响很大。若显影时间太长, 全息干板发黑, 光线的透射率降低, 无法再现像; 而显影时间太短, 干板上条纹不能出现, 无法形成复杂的衍射光栅, 甚至是一块透明玻璃片, 也无法再现像。

改进方法：

光路的选择

(1)单物光束反射、透射全息照相光路

实验装置如图１、图２所示[2]，从激光器Ｓ发出的光波被分束镜Ｔ分成2束，一束经Ｍ１反射和凸透镜扩束后照射在被摄物体上，经物体反射（ 图1 ） 或透射（ 图2 ） 的光再照射到全息干板Ｐ上，这束光为物光波。另一束经Ｍ２反射和扩束后直接照射在全息干板Ｐ上，这束光为参考光波。由于这2束光是相干的，所以在全息干板上就形成明暗相间的干涉条纹并被记录。条纹的形状和疏密反映了物光的位相分布情况，而条纹明暗的反差反映了物光的振幅。感光底片上将物光的信息都记录下来，经过显影、定影处理后，便形成与光栅相似结构的全息图，即全息照片。优点：实验装置简单，照射到物体上的光较强，容易控制物光和参考光的光比，再现照片反差大，轮廓分明。缺点：由于被摄物体不是平面物体，而光又是沿线传播的，所以物体不能被全部照亮，干板上记录的影像信息只是物光束能照射到的部分，其他部分的像是暗的，照片层次较差。

（2）双物光束漫反射全息照相光路

为了克服单物光束拍摄全息照片的缺点，可以用2束光照射物体，照亮原单束光照不到的地方[3]，并在想突出表现的部位打上较强的光，从而使全息片层次更丰富，表现力更强。从全息照相的原理考虑，物光束和参考光束必须是相干光，因此，它们必须来自同一光源，从同一光束中分离出来。在单光束光路中又增加一个分束器T1，将原来的物光束一分为二，再经过反射镜1 M′ 、1 M′′从2个不同方向照射到被摄物体。

光路如图3所示，其中T1为50%的分束器， 1 M′ 和1 M′′为新增加的反射镜， 1 L′′为第二束光的扩束器。优点：克服了单光束光路在光线不能到达的地方产生暗区的缺点，使全息照片影像更清晰，层次更丰富。缺点：实验装置较复杂，光路调整耗时较多。

(3)多物光束漫反射全息照相光路 用普通照相机拍摄物体时，为了使照片层次丰富，或为突出表现某种特殊效果时，摄影师往往用多束光来照射被摄物体。全息照相也可以借鉴该方法，例如用透射全息照相光路，给物体一个背景光，光路如图4所示，使全息照片出现很强的立体感。优点：全息照片影像层次更加丰富，并有很强的立体感。缺点：实验装置更为复杂，光路和每个光束的光比调整较为困难。

另外的具体做法有：

一、保证拍摄系统的稳定

对于我们所用的激光波长为632. 18 nm的HJ 2Ⅱ型氦氖激光器, 在曝光过程中, 必须保证拍摄系统的移动不得超过干涉条纹间距的1 /4。我们实验室用的是GSZ 2 Ⅱ型光学实验平台, 全息台上的所有光学器件都用磁性材料牢固地吸在工作台钢板上。将各光学元件夹持稳定, 将被照物体粘牢在载物台上或夹紧在架上, 将曝光定时器离开全息台放置。由于气流通过光路, 声波干扰以及温度变化都会引起周围空气密度的变化, 因此, 在准备拍摄前必须远离全息台, 保持安静, 静止2 min以上再启动曝光定时器, 并且在曝光期间不能讲话、走动和发出任何声响, 保证环境稳定, 曝光后再静等20s[ 4 ]以上, 才能取下干板, 用黑纸包好。

二　安排和调整光路的具体做法

(1) 光路摆放。按图1所示光路将, 各元件大致摆放到各自的相应位置上, 调整各元件, 使各光束都与台面平行且与各元件中心重合, 开始时不要加扩束镜。

(2) 测量光程。测量物光与参考光的光程, 从分束镜开始, 沿着光束的前进方向量至全息干板为止, 按等光程按排光路为好, 光程差不得大于1 cm。

(3) 夹角选择。根据上面的分析, 本实验中选择参考光和物光的夹角取20°～30°[ 5 ]为宜。

(4) 调节光强比。由上所述可知, 要达到较好的效果, 应使参考光增强, 以避开非线性区, 减少斑纹效应。但尽管用一束强光做物光, 物光照到物体上经物体吸收后再反射到干板上的光已比参考光弱得多了, 对于我们功率只有5 mW的激光器, 参考光和物光的光强比太大, 会造成对比度差、象不清楚, 所以又必须使物光增强。多次实验研究表明: 被摄物如果是瓷器, 应与全息干板距离较近(3～5 cm) , 若拍摄硬币可与全息干板距离远一些(可达10 cm) 。放入扩束镜后, 调节物体方位, 使物体漫反射光的最强部分均匀地落在全息干板上,参考光应均匀照明并覆盖整个全息干板, 两光光强比为3∶1～5 ∶1较为合适。

三、拍摄全息图及再现观察

(1) 拍摄底片。关闭室内所有光源, 在全暗条件下学会判断全息干板药膜面的方法, 即用两手指同时摸全息干板两面, 较涩的一面为药膜面, 光滑的一面为玻璃面。取下白屏, 将全息干板药膜面面向被摄物体固定在干板架上。

(2) 设置曝光时间。曝光时间的长短与光源的功率有关, 对于功率较大的光源, 曝光时间可适当短些, 若光源功率小, 则曝光时间可适当长些。一般文献上要求曝光时间为3 ～4 min, 实际上, 曝光时间长很难保证拍摄过程中周围环境绝对安静, 对于我们使用的功率为5 mW的HJ 2Ⅱ型氦氖激光器和天津感光胶片厂生产的Ⅰ型全息干板来说, 曝光时间选择在30 s左右就可以了, 但也要看被摄物体的反光程度, 对于反光较强的物体, 曝光时间可适当缩短, 反之, 则适当加长。

(3) 设置显影时间。选择显影时间应与曝光量、显影液的浓度及温度等情况加以综合考虑。在曝光量正常的情况下, 用D 2 19显影液, 其温度在20 ℃ ±015 ℃时, 显影时间一般十几秒即可, 但在温度较高、且新配的药水的情况下, 可能几秒钟干板就变黑, 显影时间应视实际情况而定(但不要超过3 min) 。应将干板放在显影液中并轻轻搅动液体, 几秒钟后将干板对着暗绿灯观察, 看到微黑时即可用清水冲洗, 冲洗干净放入定影液中2 ～4min, 定影过程中也应不断搅动定影液, 之后放入清水中冲洗5～15 min[ 6 ] , 再进行干燥。另外, 配置好的药水应放在茶色玻璃瓶中避光保存, 学生操作时要避免将一种药水带入另一种药水中。万一显影或曝光过度, 可放入漂白液中进行减薄处理, 减薄处理可在白光下进行, 不停地拿出观察, 减薄程度适可而止, 不可太过, 否则全息图消失。

(4) 再现观察。将处理好的全息底片放在图2光路中观察全息图, 再现时也可用强光照射全息图, 以增加其亮度。

结 论：综上所述，不同光路拍出的全息照片的效果有所不同。单物光束反射、透射全息照相光路，照射到物体上的光较强，容易控制物光和参考光的光比，再现照片反差大，轮廓分明，一般的全息照相实验大多选用该光路。但该方法拍摄的照片清晰度不高，层次较差。双物光束漫反射和多物光束漫反射2种全息照相光路，尽管整个光路和每个光束的光比调整过程较为复杂，但拍摄的全息照片影像层次更加丰富，并有很强的立体感。因此，它在信息存贮和处理、遥感技术和生物医学等方面有着广泛的应用。应根据不同的被摄物体，选择不同的光路，以达到最佳的拍摄效果。另外，能否成功拍摄好全息照片，不仅要根据需求选择光路，而且光路的调整也是至关重要的。一个好的光路，既要使物光和参考光能够发生干涉，还要保证干涉条纹间隔清晰，反差合适。所以要首先调整好物光和参考光的光程，以保证干涉能够发生，然后再调整物光与参考光束之间的夹角及物光和参考光的光强比，保证全息照片的清晰度和反差。

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第二篇：全息照相实验报告

全息照相实验

【目的要求】

1．  了解全息照相记录和再现的基本原理；

2．  掌握漫反射全息照片的摄制方法及加深对全息照片特点的理解。

【仪器用具】

JQX－1型激光全息实验台，He-Ne激光器，分束镜（50％）一个，扩束镜（40倍）两个，全反射镜两个，被摄物体（如：小瓷猪，小瓷马等）及放置物体的底座，全息干版及底架，暗室技术使用的设备。

【原    理】

普通照相底片上所记录的图象只反映了物体上各点发光（辐射光或反射光）的强弱变化，也就是只记录了物光的振幅信息，于是，在照相纸上显示的只是物体的二维平面像，丧失了物体的三维特征。全息照相则不同，它是借助于相干的参考光束和物光束相互干涉来记录物光振幅和相位的全部信息。这样的照相把物光束的振幅和相位两种信息全部记录下来，因而称为全息照相。

    全息照相的基本原理早在1948年就由伽伯（D. Gabor）发现，但是由于受光源的限制（全息照相要求光源有很好的时间相干性和空间相干性），在激光出现以前，对全息技术的研究进展缓慢，在60年代激光出现以后，全息技术得到了迅速的发展。目前，全息技术在干涉计量、信息存储、光学滤波以及光学模拟计算等方面得到了越来越广泛的应用。伽伯也因此而获得了1971年度的诺贝尔物理学奖。

（一）、全息照相与全息照相术

在介绍全息照相的基本原理之前，首先看一下全息照相和普通照相有什么区别。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，不再存在视差，改变观察角度时，并不能看到像的不同侧面。

图1 波前干涉实物光路图

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。

具体来说，全息照相包括以下两个过程：

1、波前的全息记录

利用干涉的方法记录物体散射的光波在某一个波前平面上的复振幅分布，这就是波前的全息记录。通过干涉方法能够把物体光波在某波前的位相分布转换成光强分布，从而被照相底片记录下来，因为我们知道，两个干涉光波的振幅比和位相差决定着干涉条纹的强度分布，所以在干涉条纹中就包含了物光波的振幅和位相信息。典型的全息记录装置如图2所示：从激光器发出的相干光波被分束镜分成两束，一束经反射、扩束后照在被摄物体上，经物体的反射或透射的光再射到感光底片上，这束光称为物光波；另一束经反射、扩束后直接照射在感光底片上，这束光称为参考光波。由于这两束光是相干的，所以在感光底片上就形成并记录了明暗相间的干涉条纹。干涉条纹的形状和疏密反映了物光的位相分布的情况，而条纹明暗的反差反映了物光的振幅，感光底片上将物光的信息都记录下来了，经过显影、定影处理后，便形成与光栅相似结构的全息图—全息照片。所以全息图不是别的，正是参考光波和物光波干涉图样的记录。显然，全息照片本身和原来物体没有任何相似之处。

图2 漫反射全息光路图

2、衍射再现

物光波前的再现利用了光波的衍射，如图3所示。用一束参考光（在大多数情况下是与记录全息图时用的参考光波完全相同）照射在全息图上，就好像在一块复杂光栅上发生衍射，在衍射光波中将包含有原来的物光波，因此当观察者迎着物光波方向观察时，便可看到物体的再现像。这是一个虚像，它具有原始物体的一切特征。此外还有一个实像，称为共轭像。应该指出，共轭波所形成的实像的三维结构与原物并不完全相似。

图3 衍射再现图示

（二）、全息照相的主要特点和应用

全息照片具有许多有趣的特点：

1、片上的花纹与被摄物体无任何相似之处，在相干光束的照射下，物体图像却能如实重现。

2、立体感很明显（三维再现性），如某些隐藏在物体背后的东西，只要把头偏移一下，

也可以看到。视差效应很明显。

3、全息图打碎后，只要任取一小片，照样可以用来重现物光波。犹如通过

小窗口观察物体那样，仍能看到物体的全貌。这是因为全息图上的每一个小的局部都完整地记录了整个物体的信息（每个物点发出的球面光波都照亮整个感光底片，并与参考光波在整个底片上发生干涉，因而整个底片上都留下了这个物点的信息）。当然，由于受光面积减少，成像光束的强度要相应地减弱；而且由于全息图变小，边缘的衍射效应增强而必然会导致像质的下降。

4、在同一张照片上，可以重叠数个不同的全息图。在记录时或改变物光与参考光之间的夹角，或改变物体的位置，或改变被摄的物体等等，一一曝光之后再进行显影与定影，再现时能一一重现各个不同的图像。

由于具有这些特点，全息照相术现在已经得到了广泛的应用。如前面提到的全息信息存储和全息干涉分析就是分别应用了所述的第三和第四个特点。

四、实验条件

    为了实现全息照相，实验装置必须具备下述的三个基本条件：

1、一个好的相干光源。全息原理在1948年就已提出，但由于没有合适的光源而难以实现。激光的出现为全息照相提供了一个理想的光源，这是因为激光具有很好的空间相干性和时间相干性。本实验用多纵模He-Ne激光器，其波长为632.8 nm，其相干长度约为20 cm。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。

2、   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。从布拉格法则可知：条纹宽度，由此公式可以估计一下条纹的宽度。当物光与参考光之间的夹角时，，则。可见，在记录时条纹或底片移动1 mm，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。从公式可知，当角减小时，d增加，抗干扰性增强。但考虑到再现时使衍射光和零级衍射光能分得开一些，角要大于30⁰，一般取45⁰左右。还有适当缩短曝光时间，保持环境安静都是有利于记录的。

3、高分辨率的感光底片。普通感光底片由于银化合物的颗粒较粗，每毫米只能记录几十至几百条，不能用来记录全息照相的细密干涉条纹，必须采用高分辨率的感光底片（一般采用条纹宽度d的倒数表示空间频率或感光材料的分辨率）。我们采用的是天津感光胶片厂出品的GS-I型红光干版。其极限分辨率为3000条每毫米。

其实，要获得最终的全息图，充分了解和学习感光底片的显影、定影、冲洗等有关摄影的暗室技术知识也是不可缺少的。

【实验步骤】

（一）全息记录

1．  调节防震台。分别对三个低压囊式空气弹簧充气，注意三个气囊充其量要大致相同，然后成等腰三角形放置，气嘴应向外。然后再把钢板压上。用水平仪测量钢板的水平度，如果不平，可稍稍放掉一些某个气囊中的空气，直到调平为止。

2．   打开激光器，参照图1、2摆好光路，使光路系统满足下列要求：

（1）物光和参考光的光程大致相等；

（2）经扩束镜扩展后的参考光应均匀照在整个底片上，被摄物体各部分也应得到较均匀照明。

（3）使两光束在底片处重叠时之间的夹角小于30度为宜。

（4）在底片处物光和参考光的光强比约为1:2 ～ 1:6，具体要视情况而定。

3．   关上照明灯（可开暗绿灯），确定曝光时间，调好定时曝光器。可以先练习一下快门的使用。

4．   关闭快门挡住激光，将底片从暗室中取出装在底片架上，应注意使乳胶面对着光的入射方向。静置三分钟后进行曝光。曝光过程中绝对不准触及防震台，并保持室内安静。

5．   显影及定影。显影液采用D－19，定影液采用F－5。它们由实验室提供。如室温较高，显影后底片应放在5%冰醋酸溶液中停显后再定影。显影定影温度以20摄氏度最为适宜。显影时间2～3分钟，定影时间5～10分钟。定影后的底片应放在清水中冲洗5～10分钟（长期保存的底片定影后要冲洗20分钟以上），晾干。

（二）物像再现

将全息照片放回原处，遮住物光，用参考光束照亮全息片，可观察到：

1、物的虚像－正1级衍射光，在全息片后，用眼睛直接观察，在原物处有物的虚像。改变观察角度，看到虚像有何不同？通过有小孔的纸片观察，在不同的部位看到的虚像有无不同？改变参考光束的强弱与远近，看到的情况有何不同？

2.  物的共轭像－负1级衍射光（在0级光的另一侧），用毛玻璃屏接收物体的共轭像。