激光全息照相實驗-2

激光全息照相實驗教學(xué)目的：1．了解全息照相的發(fā)展過程及應(yīng)用,比較全息照相與普通照相的區(qū)別；2．掌握全息照相的原理和特點；3．學(xué)習(xí)全息照相的拍攝方法和觀察再現(xiàn)全息圖。重難點：1．漫反射-體積全息的實驗光路調(diào)試；2．全息干板的正確沖洗。教學(xué)方法：講授、討論、實驗演示相結(jié)合。3個學(xué)時一、前言全息照相的基本原理是以光波的干涉和衍射為基礎(chǔ)的,1948年物理學(xué)家伽伯(D1Gabor)首先提出一種無透鏡兩步成像法,稱做波前再現(xiàn)或全息術(shù),1964年利思(Lefth)等成功地獲得三維圖象的全息照片。1960年激光器的問世促進(jìn)了全息術(shù)的發(fā)展,成為科學(xué)技術(shù)上一個嶄新的領(lǐng)域。激光全息攝影技術(shù)正飛速發(fā)展,并在干涉計量學(xué)、無損檢測、信息處理、遙感技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、國防工程等科技領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用,有著廣闊的發(fā)展前景。目前全息技術(shù)的應(yīng)用已涉及到各個領(lǐng)域：軍事上模擬真實目標(biāo)，進(jìn)行駕駛訓(xùn)練；藝術(shù)上可以復(fù)制歷史文物，制作全息首飾、全息肖像、全息風(fēng)景；工業(yè)上制作防偽商標(biāo)；科學(xué)上用于全息干涉計量、測量診斷技術(shù)等。全息圖記錄了物光波的全部信息,再現(xiàn)時可看到一個逼真的三維圖象,立體感強。全息圖上的每一點都攜帶有被攝物的全部信息,全息攝影圖具有可分割性,分割后的每一小塊干板都可再現(xiàn)完整的物體象。一張全息干板可重疊攝制多個全息圖。二、實驗儀器全息平臺及其光學(xué)附件，He-Ne激光器，曝光定時器，Ⅰ型全息干板，暗室設(shè)備。三、實驗原理(1)人眼視物的簡單機理光是電磁波,在光波中產(chǎn)生感光作用和生理作用的是電場強度E0.一列單色光波可表示為E=E0cos(ωt-2πrΠλ+φ0)物體上的每一點都向空間各個方向發(fā)出光波:透射波、反射波、散射波等,統(tǒng)稱為物波.物波攜帶著物體的信息,如顏色、明暗、凹凸等.這些信息在物波的函數(shù)中用頻率f(ω=2πf)、振幅E0、相位(ωt-2πΠλ+φ0)表示.人眼之所以能看到物體,是因為人眼接受到物體各部分所發(fā)出的物波.物波所能到達(dá)的任一點,都包含有物體上各部分所有的信息,所以盡管眼睛的瞳孔直徑很小,卻仍能觀察到物體的全貌.如果能將物波保存下來,即使物體不存在了,只要物波還在,人們?nèi)阅芸吹轿矬w.用照相的辦法就可以保存物波.但普通照相只能存儲物波中振幅的信息,丟失了相位的信息.全息照相則能把物波的全部信息存儲起來.(2)普通照相及其缺陷光可以引起照相底片(感光材料)上乳膠層的化學(xué)變化,而且這化學(xué)變化的深度隨入射光的強度增大而增大.因而照相底片可以“感受”(記錄)光強的分布,不同的光強在底片上反映為不同的濃淡;但是底片不能“感受”相位的分布,不同的相位在底片上并無區(qū)別.基于幾何光學(xué)成像原理的普通照相,是通過照相機鏡頭使物體成像于底片上,底片只記錄了光強(振幅)分布,反映了物體各部分的明暗.而對相位的差別則不能分辨,也就無法反映物體表面的凹凸和距底片的遠(yuǎn)近,從而失去了立體感.(3)全息照相的物理思想普通照相所不能記錄的相位分布在全息照相中是如何被記錄的?它的創(chuàng)造性的思想就是:把感光材料所不能“感受”的相位分布,利用光的干涉現(xiàn)象,使之轉(zhuǎn)化為底片能記錄的光強分布.具體地說,把來自物體的光波稱為物光(O光),再引入一束與之相干的參考光(R光),讓參考光和物光同時照在底片上.在底片上的各點處,R光相位都相同,而O光的相位不相同,從而O光與R光在各處的相位差也不同,經(jīng)干涉后各處的條紋亮暗程度就不同.這樣底片就可以在記錄下物光振幅分布的同時,也記錄下了其相位分布,即記錄下了物光的全部信息,這就是全息照相的重要物理思想.本實驗就是從實踐上實現(xiàn)這一物理思想的.(4)全息照相的實驗過程全息照相包含兩個過程：1．全息照相的記錄——光的干涉拍攝全息照片的光路如圖2所示，相干性極好的氦氖激光器發(fā)出激光束，經(jīng)分束鏡被分成兩束光，透射的一束光經(jīng)反射鏡(2)和擴束鏡射向被攝物體上。再經(jīng)物體表面漫反射后到達(dá)全息干版上，這束光稱為物光；反射的一束光經(jīng)反射鏡(6)和擴束鏡直接均勻地射向全息干版上，這束光稱為參考光。參考光和物光在全息干版上疊加便產(chǎn)生了干涉現(xiàn)象，在這種干涉場中的全息干版經(jīng)曝光、顯影和定影等處理，就將被攝物體的全部信息——振幅和相位的分布狀況以干涉條紋的形式全部記錄下來。所得到的全息圖顯然是一組復(fù)雜而不規(guī)則的干涉圖樣。2．全息照相的再現(xiàn)——光的衍射由于全息干版上記錄的并不是物體的幾何圖樣，因而直接觀察只能看到許多明暗不同的條紋、小環(huán)和斑點等干涉圖樣，要看到原來物體的像，必須使全息圖再現(xiàn)原來物體發(fā)出的光波，這個過程就稱全息圖的再現(xiàn)過程，它所利用的是光柵衍射原理。圖1全息圖的再現(xiàn)再現(xiàn)過程的觀察光路如圖1所示，一束從特定方向或與原來參考光方向相同的激光束(通常稱為再現(xiàn)光)照射全息圖，全息圖上每一組干涉條紋相當(dāng)于一個復(fù)雜的光柵，按光柵衍射原理，再現(xiàn)光將發(fā)生衍射，其+1級衍射光是發(fā)散光，與物體在原來位置時發(fā)出的光波完全一樣，將形成一個虛像，與原物體完全相同，稱為真像；-1級衍射光是會聚光，將形成一個共軛實像；稱為膺像。當(dāng)沿著衍射方向透過全息圖朝原來被攝物的方位觀察時，就可以看到那個逼真的三維立體圖像(虛像)。四、實驗內(nèi)容與步驟1．檢查全息平臺的穩(wěn)定性因為全息底板上記錄的干涉條紋間距很小，如果全息底片在曝光過程中條紋移動超過半個條紋的寬度，就不能形成全息圖；條紋移動小于半個條紋寬度，全息圖像雖然可以形成，但清晰度會受到影響。物光與參考光夾角份越大，條紋的間距就越小，曝光過程中所受到的限制也就越大?？纱钜粋€邁克爾遜干涉儀光路，如獲得穩(wěn)定的干涉條紋，說明工作臺已處于穩(wěn)定的可拍攝全息照片的狀態(tài)。2．調(diào)整光路按圖2所示光路布置各光學(xué)元件，調(diào)節(jié)時要注意；(1)調(diào)整光學(xué)元件支架，使光路中各光學(xué)元件的光學(xué)中心共軸。(2)沿光路前后移動擴束鏡的位置，使擴束后的光均勻照亮被攝物體和全息干版，光斑不能太大，以免浪費能量。(3)物光和參考光的光程差要盡量小，一般常使兩者光程大致相等。注意：被攝物體離全息干版的距離不能太遠(yuǎn)(約10cm)。（4）物光和參考光束間的夾角在30°—45°之間為宜。(5)物光和參考光的光強比要合適．一般取1：2到1：5的光強比。圖2全息照相光路圖3．曝光調(diào)好光路后，選擇預(yù)定的曝光時間(由實驗條件來定)，然后關(guān)閉光開關(guān)，在暗綠燈下將全息干版安裝在照相框架上，藥膜面向著被攝物體，放好底片后稍等1分鐘，待整個系統(tǒng)穩(wěn)定后開始曝光(在曝光過程中，切勿走動，保持安靜，以保證干涉條紋無漂移)。4．沖洗將曝光后的全息干版取下，在顯影液中顯影。在1min左右顯出曝光區(qū)和未曝光區(qū)的黑白界限較佳。顯影時只能在暗綠燈下觀看。停止顯影后經(jīng)水洗，再放入定影液中定影5~10min，然后用水漂洗，晾干后即成為全息照片。5．全息圖的再現(xiàn)觀察（觀察方法見教材）虛像觀察：判別再現(xiàn)虛象的視角范圍大小與觀察者離全息照相距離和全息照相尺寸的關(guān)系。（注意感光藥膜面應(yīng)向著再現(xiàn)光束）。五、注意事項1．各種光學(xué)鏡面嚴(yán)禁用手觸摸；2．實驗過程中切忌用眼睛直視激光束，以免損傷視網(wǎng)膜；3．各組應(yīng)在相同時間統(tǒng)一暴光，以避免相互干擾，暴光時不能走動，說話及任何振動，以提高拍攝成功率；4.沖洗干板時應(yīng)嚴(yán)格遵守暗房操作規(guī)程六、教學(xué)后記1．影響本實