全息照相 实验报告

实验人：白林鹭 201411941047

实验时间：20##/10/12

指导教师：曹惠贤

实验目的

1．了解光学全息照相的基本原理及其主要特点。

2．学习全息照相的拍摄方法和实验技术。

3．了解全息照相再现物像的性质、观察方法。

实验器材

全息实验台*1、激光器*1、分束镜*1、反射镜*2、扩束镜*2、载物台*1、被摄物*1、快门*1、干板架*1、全息干板*1、显影、定影器材。

实验原理

光路图

实验原理

全息照相是一种二步成像的照相技术。第一步采用相干光照明，利用干涉原理，把物体在感光材料（全息干版）处的光波波前纪录下来，称为全息图。第二步利用衍射原理，按一定条件用光照射全息图，原先被纪录的物体光波的波前，就会重新激活出来在全息图后继续传播，就像原物仍在原位发出的一样。需要注意的是我们看到的“物”并不是实际物体，而是与原物完全相同的一个三维像。

   1．全息照相的纪录——光的干涉

由光的波动理论知道，光波是电磁波。一列单色波可表示为：

                       （1）

式中，A 为振幅，ω 为圆频率，λ 为波长，φ 为波源的初相位。

一个实际物体发射或反射的光波比较复杂，但是一般可以看成是由许多不同频率的单色光波的叠加：

                    （2）

因此，任何一定频率的光波都包含着振幅（A）和位相（ωt+φ-2πr/λ）两大信息。

全息照相的一种实验装置的光路如图（1）所示。激光器射出的激光束通过分光板分成两束，一束经透镜扩束后照射到被摄物体上，再经物体表面反射(或透射)后照射到感光底片(全息干版)上，这部分光叫物光。另一束经反射镜改变光路，再由透镜扩大后直接投射到全息干版上，这部分光称为参考光。由于激光是相干光，物光和参考光在全息底片上叠加，形成干涉条纹。因为从被摄物体上各点反射出来的物光，在振幅上和相位上都不相同，所以底片上各处的干涉条纹也不相同。强度不同使条纹明暗程度不同，相位不同使条纹的密度、形状不同。因此，被摄物体反射光中的全部信息都以不同明暗程度和不同疏密分布的干涉条纹形式记录下来，经显影、定影等处理后，就得到一张全息照片。这种全息照片和普通照片截然不同，一般在全息照片上只有通过高倍显微镜才能看到明暗程度不同、疏密程度不同的干涉条纹。由于干涉条纹密度很高，所以要求记录介质有较高的分辨率，通常达1000 条线／毫米以上，故不能用普通照相底片拍摄全息图。

2．全息照相的再现——光的衍射

由于全息照相在感光板上纪录的不是被摄物的直接形象，而是复杂的干涉条纹，因此全息照片实际上相当于一个衍射光栅，物象再现的过程实际是光的衍射现象。要看到被摄物体的像，必须用一束同参考光的波长和传播方向完全相同的光束照射全息照片，这束光叫再现光。这样在原先拍摄时放置物体的方向上就能看到与原物形象完全一样的立体虚像。如图2 所示把拍摄好的全息底片放回原光路中，用参考光波照射全息片时，经过底片衍射后有三部分光波射出。

0 级衍射光——它是入射再现光波的衰减。

+1 级衍射光——它是发散光，将形成一个虚像。如果此光波被观察者的眼睛接收，就等于接收了原被摄物发出的光波，因而能看到原物体的再现像。

-1级衍射光——它是会聚光，将在与原物点对称的位置上形成物体的再现虚像的共轭实像。

图2

3．全息照相原理的数学描述

下面对全息照相原理作一简单的数学描述。设全息底片所在平面为xy 平面，物光在底片上的振动表达式为

                   （3）

参考光为

                    （4）

为方便起见，采用复数形式表示，写成

        

对于相干波的叠加，真正起作用的是振幅和相位，常用复振幅来表示，即省去时间相位因

子eiωt，剩下的部分既含振幅，又含随空间变化的相位，把它称为复振幅。于是，在底片

上任一点物光和参考光复振幅分别为

                                 （5）

                                  (6)

相干叠加后的合成光场为

                                （7）

干涉条纹的光强为

                                 (8)

式中为为H的共轭复数。为使关系式简洁，各量中的x，y 均省略。将上式展开得

经简化后上式可简写为

                              （9）

这正是干涉条纹光强的表达式。上式表明，光强I（x，y）包含了物光波的全部信息(振幅和相位)。采用适当的两光波强度比，感光底片经曝光并进行线性冲洗后，就得到一张全息照片。

假定用照明光R′（x，y）照射全息图，设再现光在全息图上的复振幅为

如把全息照片看作衍射屏，则透过全息照片后衍射波的复振幅为

                                        （10）

式中t（x，y）为全息照片的复振幅透射率，对于经线性处理的全息照片，复振幅透射率与

曝光时的光强成线性关系，即

                                          （11）

于是，透过全息照片后衍射波的复振幅

 

将I（x，y）值代入得

                                             (12)

式中第一项U0 除了系数（t0+βAo2+βAR2）外，与再现光相同，为零级衍射波，代表照明光的透射波，形成一个背景象，从物光重现的角度来看，可以不予考虑。

第二项U+1 为+1 级衍射波，当再现光和参考光完全相同时，即AR′=AR=AR，φR′=φR，

则+1 级衍射波在全息照片上的复振幅为

                                     

与原物光只差一个常数因子，实现了原物光的再现。观察者将在原物体所在位置上看到逼真的立体虚像，在不同的角度看到物体不同的侧面。

第三项U-1 为-1 级衍射波，当再现光是参考光时，则-1 级衍射波在全息照片上的复振幅为

与原物光的共轭波O﹡（x，y）除相差一个常数因子外，还多一个位相因子ei2φR，表示衍射波会聚于以全息照片为对称面的原物体的对称位置上，观察者将在此位置上看到一个实像，在实像中的那些细节与虚像是相反的。

4．全息照相的特点

⑴ 全息照相应用了光的干涉、衍射原理，记录了光波的全部信息，因此全息照片再现的被摄物形象是完全逼真的三维立体形象。

⑵ 全息照片可以分割。因为全息照片上每一点纪录的干涉图像是由物体所有点漫射来的光与参考光相干涉而成的，所以打碎的全息照片仍能再现出原被摄物的全部形象。

⑶ 一张全息照片可以多次曝光，不同景物可以采用不同角度入射的参考光束，也可以改变底片的角度拍摄多次，在全息照片的不同角度就会出现不同图像。再现时只要适当转动全息照片即可。

⑷ 全息照片没有正负之分，因此易于复制。复制照片再现出来的像仍然和原来照片的再现像一样。

⑸ 全息照片的再现像可放大或缩小。当用不同波长的激光照射全息照片时，由于拍摄时所用的激光波长不同，再现像就会放大或缩小。

5．全息照相的实验要求

⑴ 要有足够稳定的系统即全息实验台的防震性能要好。在全息照相时，物光和参考光相干涉形成的干涉条纹密度达每毫米近千条或更高，如果物光波和参考光波稍有抖动，就会造成干涉图样模糊不清。因此要求全息平台有很好的抗震性能，同时采取一些必要的减震措施，如在平台支座上加减振器、充气轮胎、沙箱等。对全息台上的光学元件需进行仔细检查，看是否牢固。在曝光过程中身体任何部位都不要触及全息台，避免高声谈话，更不要在室内随意走动、开关门、窗等，以确保干涉条纹无漂移。

⑵ 要有好的相干光源。一般采用He-Ne 激光器作为光源，同时要求物光波和参考光波的光程尽量相等，光程差尽量小，以保证物光波和参考光波具有良好的相干性。

⑶ 物光和参考光的光强比要合适。一般选择Io/ IR=1/4～1/10 为宜；两者间的夹角30°左右，不宜超过40°，因为夹角越大，干涉条纹间距越小，条纹越密，对全息底片分辨率的要求也越高。同时不宜过小，否则会造成可观测的角度变小。

实验步骤

1.       调整光路

首先调整元件使所有元件近似等高。按光路图排列元件，并使物光、参考光光程大致相等，两束光夹角大约为30°。注意干板正对被摄物，调整使参考光均匀照满干板所在位置。调整快门曝光时间为5秒。

2.       曝光

关闭快门，使干板药膜一面正对物体，保持安静一分钟后打开快门进行曝光。取下干板。

3.       冲洗

将取下的干板先放入显影液一分钟左右，待干板略微变黑，用清水冲洗干净，再放入定影液中定影2~3分钟，取出用流水冲洗干净，用电吹风吹干。

4.       观察

用经扩束后的激光沿原参考光入射方向照明全息图，透过底片并朝着放置原物位置方向进行观察，可看到一个清晰、立体的原物虚像。这就是理想的漫反射全息拍照图像。

 

第二篇：全息照相实验报告-hologram

班 级_*****___________   组 别___E组__________

姓 名__***___________   学 号_********___________

日 期__2013.11.6___________   指导教师_***________

【实验题目】 全息照相                                                       

【实验目的】

1.了解全息摄影的基本原理、实验装置以及实验方法；

2.掌握激光全息摄影和激光再现的实验技术；

3.通过观察全息图像的再现，弄清全息照片和普通照片的本质区别。

【实验仪器】

  防震全息台，氦—氖激光器，扩束透镜，分束棱镜（或分束板），反射镜，毛玻璃屏，调节支架，米尺，计时器，照相冲洗设备等。

【实验原理】

全息照相在原理上与普通照相方法完全不同，它所记录的并不是用光学方法所形成的物体的像，而是物体光波本身，它利用了干涉原理。

全息图种类很多，有菲涅耳图、夫琅和费图、傅立叶变换全息图、彩虹全息图、像全息图、体积全息图等。不管哪种全息图都要分成两步来完成，即用干涉法记录光波全息图，称波前记录；用衍射原理使原光波波前再现，称波前再现。

1.全息照相的过程

物体发出的包含振幅和位相信息的光可以用下式表示：

                                   (14-1)

其中：为振幅， 为位相。普通摄影只能记录物体光波的振幅信息，而位相信息全部丢失，因此照片没有立体感。数学表达式为：

                    (14-2)

实际上没有任何一种感光材料可以直接记录光波的位相，在全息摄影中我们利用光的干涉原理来记录光波的振幅和位相信息。如图14.1所示，激光器L发出的激光由

 

图14.1  全息图的记录光路

分束镜BS将光线一分为二，透射光线经反射镜M2反射再经过扩束后照射在被摄物体上，这束光线称为物光(O光)；反射光线经反射镜M1反射再经过扩束后直接照射在感光材料上，因而称为参考光(R光)；两束光线在P处相干并形成干涉条纹，这些条纹记录了物光的所有振幅和位相信息。

数学表达式为：

物光为：                            

参考光为：                         

两光相干后总光强为：

  (14-3)

式（14-3）说明全息图中包念着物光的振幅和位相信息，它们全部被记录在感光材料上，并以干涉条纹的形式表现出来。感光材料（全息干板或胶片）经过曝光、显影和定影后，即可得到一张菲涅耳全息图。

2.全息相片的再现过程：

将制作好的全息图放回原处，遮挡住物光()并取走被摄物体，用原参考光照明，则透过这张全息图的光强为：

    （14-4）

式（14-4）中的第二项与原物光光波只相差一个系数R，这说明通过全息图的出射光包含原物光的全部信息。所以我们透过全息图可以看到在原来放置物体的地方有物体的虚像，就像物体没有被取走一样。如图14.2所示。物体的虚像具有明显的视差效应，当人们通过全息图观察物体的虚像时，就像通过一个“窗口”观察真实物体一样，具有强烈的三维立体感。当人眼在全息图前面左右移动或上下移动时，我们可以看到物体的不同部位。即使全息干板破损、变小，但原物光的信息还保存在干涉条纹之中，所以我们通过参考光的照射同样可以看到物体的虚像，只是大小发生了变化。

【实验内容】

（1）按图布置好光路（在某些特殊情况下由实验室给出）。

 

（2）打开激光器电源开关，点燃激光，当光线强度稳定后开始调整光路：①调整光束等高；②用自准直法调整各光学元件，使其表面与激光束垂直。

（3）调整分束镜使物光和参考光的光程基本相等，同时使两光束之间的夹角小于（一般可在~之间选择，角度稍大些为好，这样再现时+1级衍射光和0级光以及-1级衍射光可以分得开些，便于观察虚像），并且使物光和参考光的光强之比在1 ：2 ~ 1 ：9之间，通常根据物体表面漫反射的情况来定，一般选择1 ：4左右为宜。可用光强测量仪在固定全息干板的位置处测量，也可用毛玻璃放在这一位置,通过目测来大致判断物光与参考光的比例。

（4）在全息干板支架上固定白屏或毛玻璃，调节扩束镜 使物光均匀地照射在被摄物体上，调节物体的方位使物体漫反射光的最强部分均匀地照射在白屏上。调节扩束镜 使参考光均匀地照射在整个白屏上。这时物光和参考光在白屏上完全重叠。

（5）完全挡住光源。拿掉全息干板支架上的白屏，换上全息干板，并将药膜面（手感发涩）朝着光的方向安装在全息干板支架上。稳定1 ~ 2min后开始曝光，曝光时间可根据物光和参考光的强度选择合适的曝光时间（几秒到几十秒）。

（6）将曝光后的全息干板在暗室内进行常规的显影、停显、定影、水洗、干燥等处理，即可得到一张漫反射的三维全息图。

（7）将冲洗好的全息图放回到干板支架上，拿去被摄物体，挡住物光，用原参考光照明全息图，在其后面观察重现的虚像。我们可以看到在原来放置被摄物体的地方有一虚像，人眼上下左右缓慢地移动，可以看到物体的各个部位。将全息图挡去一部分，观察虚像有何变化。

注意事项

曝光时注意不要碰台面。

【原始数据】

【思考题】

1.全息照相与普通照相的区别？

答：全息照相照出物体的立体感，而普通照相只是平面图。

2.为什么全息照相的每一碎片都能再现整个物体？

答：全息照相是以光的干涉和衍射等物理光学理论基础，借助于参考光和物光的相互作用记录了包括物光波的振幅和位相的全部信息，记录介质（全息片）上的每个点的光强是参考光与到达该点的整个物光波干涉的结果，物体上各点发出的光到达感光板上的这一点，都是对这一点的光强有贡献，全息片任一小部分都包括整个问题的全部信息，物体上的每一点的信息都记录在整个感光板上（点-面对应）及（面-点对应），碎片上记录了完整的信息，所以能再现整个物体。