光学设计性实验报告

（一步彩虹全息）

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学院：物理学院

一步彩虹全息   

    摘要     彩虹全息是用激光记录全息图, 是用白光再现单色或彩色像的一种全息技术。彩虹全息术的关键之处是在成像光路( 即记录光路) 中加入一狭缝, 这样在干板上也会留下狭缝的像。本文研究了一步彩虹全息图的记录和再现景象的基本原理、一步彩虹全息图与普通全息图的区别和联系、一步彩虹全息的实验光路图，探讨了拍摄一步彩虹全息图的技术要求和注意事项，指出了一步彩虹全息图的制作要点, 得出了影响拍摄效果的佳狭缝宽度、最佳狭缝位置及曝光时间对彩虹全息图再现像的影响。  

  关键词：一步彩虹全息；狭缝；再现

1 光学实验必须要严密，尽可能地减少实验所产生的误差；

2 实验仪器 

  防震全息台  激光器  分束镜  成像透镜  狭缝  干板架   光学元件架若干   干板备件盒  洗像设备一套  线绳  辅助棒  扩束镜2个  反射镜2个 

3 实验原理 

3.1 像面全息图 

像面全息图的拍摄是用成像系统使物体成像在全息底板上，在引入一束与之相干的参考光束，即成像面全息图，它可用白光再现。再现象点的位置随波长而变化，其变化量取决于物体到全息平面的距离。 

像面全息图的像（或物）位于全息图平面上，再现像也位于全息图上，只是看起来颜色有变化。因此在白光照射下，会因观察角度不同呈现的颜色亦不同。 

3.2 彩虹全息的本质 

彩虹全息的本质是要在观察者与物体的再现象之间形成一狭缝像，使观察者通过狭缝像来看物体的像，以实现白光再现单色像。若观察者的眼睛在狭缝像附近沿垂直于狭缝的方向移动,将看到颜色按波长顺序变化的再现像。若观察者的眼睛位于狭缝像后方适当位置, 由于狭缝对视场的限制, 通过某一波长所对应的狭缝只能看到再现像的某一条带, 其色彩与该波长对应, 并且狭缝像在空间是连续的。观察者所看到的物体像具有连续变化的颜色, 像雨后天空中的彩虹一样, 因此这种全息图称为彩虹全息图。 

一步彩虹全息图的记录光路是在三维照相的光路中，在记录干板与物体之间插入一个成像透镜和一个水平狭缝，把物体和狭缝的像一次记录下来，由于狭缝放置的位置不同，一步彩虹全息图的记录光路有两种；一种是赝像的记录光路，一种是真像记录光路。 

3.2.1 赝像的记录光路 

狭缝紧贴成像透镜后面放置，成像透镜只对物体成实像对狭缝不成实像，狭缝位于透镜焦点之内在焦点外成虚像。用会聚光作参考光。

3.2.2 真像的记录光路 

狭缝和物体O均放在透镜L的焦点以外，狭缝位于物体和透镜之间。成像透镜对物体和狭缝均成实像，二者的像均在透镜的另一侧，物体的实像和狭缝的实像分别成在记录干板的前边和后边，物体的像离全息干板近一些。

3.3 彩虹全息真像纪录的参考光路

3.4 彩虹全息再现 

白光被全息图衍射后即形成一簇从红到紫连续错开排列的彩色物像和色彩分立的狭缝实像。由于狭缝像限制了衍射物光的传播方向和观察范围，观察者的瞳孔对准某一狭缝像只能看到一个准单色物像，所以狭缝起了滤波器的作用，有了它，彩虹全息图才可以用白光再现。但是因视角受透镜孔径限制，狭缝又只允许一定方向和范围的物光通过，所以再现像只保留了沿缝方向的透视效果。

4 实验内容及操作步骤 

 一步彩虹全息图的记录与再现 

1、设计光路，如图3所示；  2、布置和调整全息光路；   （1）调激光束与工作台面平行 

（2）调所有光学元件处于等高同轴位置处：使用辅助棒将所有元件调至等高且使各光学

元件的表面与激光束的主光线垂直即同轴 （3）按设计的光路图摆设光路  

     ①调整物光路和参考光光路，先不放狭缝和两个扩束镜。构建好光路的整体框架。对

于物光光路加入成像透镜L以后，在L的后方用毛玻璃寻找物体的实像。透过L看实像，沿光轴方向移动物体，调整物距和像距，使人眼恰好能看到整个实像。调整好后在实像后面一定位置放置干板架。同时使参考光可以直接照射在玻璃片上 

     ②分别在物光路和参考光路中放入扩束镜 

     ③加入狭缝S，狭缝的宽度约1.5mm左右，通过狭缝的像观察物体的实像是否完整，若

狭缝的像左右不全，可适当加大狭缝宽度或更换较小的物体 

④调整M2的位置，使参考光光程和物光光程相等，且参考光与物光的夹角大约在30度到45度之间 

⑤参考光与物光的光强比在4：1~8：1间选择   

3、曝光9秒 

4、冲洗 

        先在显影液中显影至底片上黑白十分清晰后，放入清水中清洗，再在定影液中定影约5分钟，然后取片清洗  

5、再现。用白光源再现彩虹全息像  。

5 实验结果 

实验台的摆放情况如下图：

实验最后在灯光下看到的结果如下：

6注意事项

  1、一定要使用辅助棒将各光学元件调到等高同轴位置处；

  2、摆光路图时光线要在同一高度, 否则所测量的光程有误差; 物光光程与参考光要近似相等, 并尽可能地减小测量误差。若误差大, 在记录干版上将记录不到物光和参考光的干涉条纹；

  3、参考光与物光的夹角大约在30度到45度之间； 

  4、物像和底片的距离要大概是是两倍焦距，物体呈的像正好打在底片上，形成等大倒立的实像；

  5、由于狭缝的作用, 物光明显减弱, 需很好地调整物光与参考光的光强比。物光不能太弱, 否则干涉条纹的对比度会下降。要尽可能使物光增强, 以缩短曝光时间。曝光时间愈长, 对全息台的稳定性要求愈高。如果曝光时间过长,

干涉条纹漂移, 将记录不到清晰的干涉条纹； 

  6、杂散光要挡掉, 否则干涉条纹的对比度下降, 再现时将得不到清晰的物体像；

  7、曝光时,严禁有任何振动,否则会引起干涉条纹偏移,若干涉条纹偏移条纹间距的一半时, 将记录不到干涉条纹； 

  8、显影时,要控制好显影时间。显影时间既不能过短,也不能过长。显影时间过短或过长都会影响再现像的清晰度；

  9、定影要充分；

7 实验讨论 

1、一步彩虹全息图与全息照相和像面全息的区别与联系 全息照相：是物反射的光与参考光发生干涉；使用激光再现； 

像面全息：是光通过物与干板之间放的凸透镜成的像与参考光发生干涉；使用白光就可看见，但是效果并不明显； 

一步彩虹全息：在像面全息的凸透镜与物之间放一个狭缝，起到空间滤波的作用，使衍射光与参考光发生干涉；使用白光就可再现； 

同时，彩虹全息和像面全息均可以用白光照明再现。二者的区别是像面全息的记录成 像光束的像面与记录干版的距离非常小,而彩虹全息则没有这种限制。 2、彩虹全息图的特点： 

（1）可以用白光再现； 

（2）再现像呈现彩虹状的彩色，但再现像的色彩与原物体的色彩无关，而仅与再现照明光包含的波长组分有关。例如：用白炽灯照明和用日光灯照明，得到的彩虹效果有很大差异； 

（3）彩虹全息属于假彩色全息； 

8 实验结论 

1、狭缝愈窄, 再现像颜色愈纯。但是狭缝过窄, 物光太弱, 会给记录带来麻烦。一般狭缝宽度取1.5m m—2.5 m m 左右较为适宜； 

2、透镜位于物体像与狭缝像之间, 再现时, 眼睛所看到的是透镜与狭缝共同作用的效果；

 3、曝光量及显影时间需很好地控制; 

4、光程应适中，光程太长空气散射会影响效果；实验过程中要保持防震台的稳定性； 5、彩虹全息术的关键之处是在成像光路（即记录光路）中加入一狭缝。这样在干板上也会留下狭缝的像。当用白光再现时，可以限制再现光，降低像模糊、减少噪声、提高被摄 物的成像质量； 

9 实验总结 

第一次做全息照相时，理论和实际操作中有一些接不上，并没有意识到等高同轴的调节对实验的重要性，在操作上有一些失误；经过老师和同学们的帮助进一步了解了实验要领 ，能独立完成实验。

第二次做实验时（彩虹全息）对等高同轴调的非常好，参考光和物光的光程大致相等，夹角适宜，同时使物与成像透镜距离大概是两倍焦距，物体呈的像正好打在底片上，形成等大倒立的实像。增大曝光时间至9秒，同时在老师的细心指导下，最后拍出了成功的一步彩虹全息图。 

10 感想体会 

虽然这次实验并不是特别困难，但在实验中我们也遇到了一些问题，不过都最终解决了。通过这次的实验，我了解了彩虹全息的原理和实验方法，学会了一步彩虹全息图的拍摄方法及拍摄技巧。同时我深切地感受到做光学实验时一定要细心、耐心，对整个实验必须有很好的整体把握，同时光学实验对每一步的操作都有较为严格的要求，只有掌握了正确的方法才能实验成功。光学实验马虎不得一定要严格按照实验步骤来做实验。

 

第二篇：彩虹全息实验

目 录

1 实验目的. 1

2 实验原理. 1

3 实验仪器. 3

4 实验内容. 3

4.1 一步彩虹全息真像纪录. 3

4.2 方孔一步彩虹全息像的再现. 4

5 实验结果. 4

6 实验总结. 5

7 感想体会. 6

8 参考文献. 6

                                              

方孔一步彩虹全息实验研究

1 实验目的

     1、了解像全息白光再现的原理及一步彩虹全息和像面全息的原理。

    2、掌握一步彩虹全息图制作方法。

       3、了解像面全息实验方法。

 2 实验原理

    像面全息图的拍摄用成像系统使物体成像在全息底板上，在引入一束与之相干的参考光束，即成像面全息图，它可用白光再现。再现象点的位置随波长而变化，其变化量取决于物体到全息平面的距离。像面全息图的像（或物）位于全息图平面上，再现像也位于全息图上，只是看起来颜色有变化。因此在白光照射下，会因观察角度不同呈现的颜色亦不同。彩虹全息的本质是要在观察者与物体的再现象之间形成一狭缝像，使观察者通过狭缝像来看物体的像，以实现白光再现单色像。一步彩虹全息图的记录光路是在三维照相的光路中，在记录干板与物体之间插入一个成像透镜和一个水平狭缝，把物体和狭缝的像一次记录下来，由于狭缝放置的位置不同，一步彩虹全息图的记录光路有两种；一种是赝像的记录光路，一种是真像记录光路。

赝像记录原理如图1所示。狭缝紧贴成像透镜后面放置，成像透镜只对物体成实像对狭缝不成实像，狭缝位于透镜焦点之内在焦点外成虚像。用会聚光作参考光。

   

 图1 一步彩虹全息赝像记录原理图

 图2 一步彩虹全息真像记录原理图

    真像记录原理如图2所示，狭缝和物体O均放在透镜L的焦点以外，狭缝位于物体和透镜之间。成像透镜对物体和狭缝均成实像，二者的像均在透镜的另一侧，物体的实像和狭缝的实像分别成在记录干板的前边和后边，物体的像离全息干板近一些。图3为彩虹全息真像纪录的参考光路。

图3 彩虹全息记录光路

S：激光器 SF：扩束镜 BS：分束镜 L1：成像透镜

M1、M2：放射镜 O：物体 H：全息干板 S1：狭缝

    两种记录光路所拍摄的彩虹全息图，如用记录时的单色光再现，可以通过再现出的狭缝实像观察到所记录物体的明亮虚像（如图4）。用白光再现，则形成七色图像。

图4 彩虹全息再现

3 实验仪器

    激光器：1台，扩束镜：2个，分束镜：1个，成像透镜：1个，反射镜：2个，载物台：1个，干板架：1个，毛玻璃：1片，观察屏：1个，光学元件架若干，干板备件盒：1个，洗像设备一套。

4   实验内容

4.1 一步彩虹全息真像纪录

1、设计光路

2、光路调节  

激光束与工作台面平行，各光学元件的表面与激光束的主光线垂直，检查工 作台稳定性（迈克尔逊干涉光路）。

    3、按设计的光路图摆设光路

 注意：（1）、调整物光路，先不放狭缝，物体躺倒放置。加入成像透镜L以后，在L的后方用毛玻璃寻找物体的实像。透过L看实像，沿光轴方向移动物体，调整物距和相距，使人眼恰好能看到整个实像。调整好后在实像后面一定位置放置干板架。

 （2）、加入狭缝S（水平方向放置），在干板架后面用毛玻璃朝狭缝的像S`，移动狭缝（沿光轴方向）使S`到干板的距离为40cm左右。狭缝的宽度约1mm左右，通过狭缝的像观察物体的实像是否完整，若狭缝的像左右不全，可适当加大狭缝宽度或更换较小的物体。

 （3）、调整M2的位置，使参考光光程和物光光程相等。

     （4）、参考光与物光的光强比在4：1~8：1间选择。

    4、曝光

 5、冲洗

 6、再现

       （1）、用记录时的参考光进行再现，观察物体的像和狭缝的像。

       （2）、用白光源再现彩虹全息像。  

4.2 方孔一步彩虹全息像的再现

设想以波长为λ_１的再现光按记录时的参考光方向入射到全息图上（图3），观察者既能见到物的像又能见到狭缝的实像Ｉ_Ｓ１。看到像点Ｏ₁^′的条件是瞳孔位于从Ｉ_Ｓ１发射的衍射光场中，最佳观察位置是瞳孔恰好在Ｉ_Ｓ１处，如隔窗观景，越近窗口视野越大。同理，对于波长为λ_２的再现光，则因衍射角的变化得到错开位置的像点Ｏ₂^′和缝像Ｉ_Ｓ2（图3）。如此推广，白光被全息图衍射后即形成一簇从红到紫连续错开排列的彩色物像和色彩分立的狭缝实像。由于狭缝像限制了衍射物光的传播方向和观察范围，观察者的瞳孔对准某一狭缝像只能看到一个准单色物像，所以狭缝起了滤波器的作用，有了它，彩虹全息图才可以用白光再现。但是因视角受透镜孔径限制，狭缝又只允许一定方向和范围的物光通过，所以再现像只保留了沿缝方向的透视效果。

5   实验结果

实验台的摆放情况如下图

                     图五 实验台摆放图

实验最后在灯光下看到的结果如下

                 图六 实验结果图

6 实验总结

排这个光路的时候理论和实际操作有一些接不上，透镜的位置和狭缝的宽度作了多次调整，但始终没能作出能在白光下就能看出的彩虹全息，后来知道物象和底片的距离要正好是两倍焦距，物体呈的像正好打在底片上，形成等大倒立的实象，狭缝贴紧凸透镜，形成衍射。因为此时物光太暗，经老师指导，暴光时间要稍微放长一点，显影时间不能太长，黑度不能太大。这个实验做过几次，效果不是太理想。

7 感想体会

这次实验并不时特别困难，虽然实验中我们遇到了一些问题，但都有惊无险的解决了，通过这次的实验，我们有学习到了新的知识，掌握了全息图的制作方法，了结了彩虹全息的原理和试验方法。

8 参考文献

[1] 杨振寰. 光学信息处理.

[2] 苏显渝、李继陶.信息光学.科学出版社.