物理實驗研究性報告

./物理實驗研究型報告全息照相和全息干涉法的應用及其改進院系名稱電子信息工程學院作者姓名龔小川學號390226222011年5月摘要本實驗以"全息照相和全息干涉法的應用"實驗為研究對象。此實驗利用光的干涉,以激光作光源,通過全息記錄和再現(xiàn)過程實現(xiàn)照相功能。它的主要特點是能夠同時記錄光波的振幅和位相信息,在各領域中具有很大的優(yōu)越性,應用前景十分廣闊。此報告主要對實驗原理、過程以及數(shù)據計算做了詳細分析,并且提出了部分改進方案。在末尾處附上了一些自己的總結體會,同時對北航物理實驗課程做了部分評價和建議。關鍵字：全息照相楊氏模量二次曝光法一、實驗目的了解全息照相的基本原理,熟悉反射式全息照相和透射式全息照相的基本技術和方法。掌握在光學平臺上進行光路調整的基本方法和技能。學習用二次曝光法進行全息干涉計量,并以此測定鋁板的彈性模量。通過全息照片的拍攝和沖洗,了解有關照相的一些基本知識。二、實驗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的全部信息。而感光乳膠和一切光敏元件都是只對光強敏感,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的兩側,則為反射全息；若物光和參考光位于記錄介質的同側,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兩點相遇并相干,于是在垂直紙面方向產生平行的明暗相間的干涉條紋,并設A、O兩點為相鄰的明條紋,則通過計算可得：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。設物光球面波的源點o和參考光球面波的源點r均處于OXZ平面內。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,相當于一塊有復雜光柵結構的衍射屏,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,物光和參考光從底片的正反兩面分別引入而在底片介質中形成駐波,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,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驗光路如右圖所示,L為擴束鏡。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。激光束經過擴束鏡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作第一次曝光,然后通過加力裝置對梁的自由端加力進行第二次曝光,再現(xiàn)時間時復現(xiàn)懸臂梁兩個狀態(tài)下的物光波前,在這兩個波前發(fā)生干涉,形成一簇等光程差的干涉條紋?？梢愿鶕缮鏃l紋計算出梁在不同位置處的位移量。假設在梁上有任意一點A,當梁受力后,A發(fā)生位移,位移方向垂直于梁表面,并由A點移到A`點,位移量dy,假設照相時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點與A`點發(fā)出光波之間的光程差為dy〔>。根據下列條件：=1\*GB3①=2\*GB3②共同推得三、實驗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,砝碼加載器及待測鋁板1套,載物臺1個,底板架1個,擴束鏡2塊,透鏡1塊,白屏1塊,純凈水,質量分數(shù)分別為40%,60%,80%,100%的異丙醇溶液適量,竹夾1個,RSP-Ι型紅敏光致聚合物全息干板。四、實驗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經擴束鏡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,構成反射全息。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比要求。oH之間的距離通常在1cm以內,而且盡量使物體面平行于H。光路調整好后,遮擋激光安放感光板,H的乳膠面應正對物體。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進行第一次曝光,時間大約為10s。隨后用砝碼加載器給懸臂梁自由端施加適當大小的力,穩(wěn)定1min后,進行第二次曝光,時間約15s?！?透射式全息照相按圖布置光路。G為分束鏡,、和為平面鏡,和為擴束鏡,H為感光板。=1\*GB3①首先粗調激光器水平,判斷方法是當白屏沿平臺移動時,激光光點大致處于同一高度；其次改變平面鏡俯仰,使激光光點回到激光器出口,此時平面鏡與激光束垂直；然后轉動平面鏡將激光反射到其他各元件上,分別調整各元件高度,使光點落入其中心,完成等高調節(jié)。=2\*GB3②布置物光光路。移動擴束鏡,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,同時使物光與參考光夾角在左右。=4\*GB3④前后調整擴束鏡的位置,使參考光均勻照在整張感光板上,并使物光與參考光光強比為1:4~1:10。=5\*GB3⑤檢查各光學元件是否用螺釘擰緊并將磁性表座鎖定,避免曝光時元件間發(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。排除一切振動因素,如走動、大聲講話、對臺面的碰撞〔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量分數(shù)為40%、60%、80%的異丙醇溶液中各脫水10~15s后取出,注意每次進入相鄰溶液時,都需將干板上的溶液濾盡。=3\*GB3③將感光板放入質量分數(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,將干板迅速用吹風機吹干。再現(xiàn)像的觀察=1\*GB3①反射全息圖的觀察經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。取不同級數(shù)的亮紋或暗紋,測量條紋所在處的x坐標,然后測定鋁板的長度、寬度和厚度。由此計算彈性模量。=3\*GB3③透射全息圖的再現(xiàn)將已經制成的全息圖放回原底板架上,不要改變全息圖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)據處理公式推導可知和均近似為0,由于k無法確定,故將=1\*GB3①式變換如下〔設任意級為0級,第N個條紋級數(shù)則為=。N為離散正整數(shù),無測量誤差,故設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)據點處理〔取點為所測第一個條紋位置,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uab=ua(E)=b×1回歸函數(shù)具有形式又在沒有其他附加條件下,應估計x的各值點為等權重的,即x在取值范圍內均勻分布。故的估計值應為,最終結果可表述為六、討論〔1對結果或誤差來源的進一步分析：在完成此次實驗時。我們可以知道鋁的楊氏模量的理論值為,可知此實驗所得結果的數(shù)量級與理論值保持一致,但是數(shù)值上存在一定的誤差,但仍然在允許范圍之內。同時,根據對和的比較,可知,所以刻度尺的誤差對結果的影響較大。其次,激光束的強度不足導致了測量值偏小的結果。由于在規(guī)定時間內曝光而光強不足,會產生一定影響。最后,在整個測量中,不能避免拍攝系統(tǒng)的嚴格防振,這個因素對實驗的測量結果也具有一定的干擾,使拍攝出的干涉條紋存在很多毛刺?！?完成實驗后的經驗教訓總結：在完成此次實驗之后,自己發(fā)現(xiàn)有以下幾個方面需要注意：一是,在保證了曝光時間的同時,可能還需要確定激光強度,這些應該就需要以往做過此實驗的同學提供經驗；二是,在進行實驗的途中,決不能觸碰桌子,甚至不能大聲說話,盡可能的減少對實驗儀器的振動,才能在在最大程度上保證實驗儀器的穩(wěn)定；三是,在浸泡溶液的時候,應該及時觀察成像效果,在固定且合適的時間內將干板拿出來看看,再確定還得浸泡多久。我們也應該在不斷的實驗中積累經驗,才能夠獲得最好的實驗效果。〔3對實驗方法、內容和儀器的改進建議：傳統(tǒng)的數(shù)字全息測量物體的位移和應變,都是采用多靈敏度下的二次曝光法,這使得實驗較為復雜,記錄時間較長,不利于測量迅速變化物體。為了使實驗設備更簡單,光路更簡潔,實驗手續(xù)更方便,在更短的時間內記錄兩張數(shù)字全息圖,可對上述方法進行簡化。a二次曝光法測量物體應變的初步改進物體的法線方向上記錄兩張數(shù)字全息圖求出物體應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,分別對應于物體形變前后的狀態(tài),并重建出它的物光波和,這兩個物光波有如下關系=。其中是物體形變前后的相位差,跟物體的位移有關。用的共軛乘以,得*=||。用數(shù)值計算的方法在計算機對進行復振幅位移?？芍ㄟ^改變和的大小和正負,便可得到不同方向的和。采用平移復振幅,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的應變。b二次曝光法測量物體位移的進一步改進對于上面的改進,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算,只有一個,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位移。為了解決這個問題,可采用球面光照明,用于離面和面內位移的測量。光路如上圖所示,照明光采用的是點源,位于Z軸上；觀察面在點源的共軛位置<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個分量可表示為:。假設物體只發(fā)生位移<包括平動和轉動>,沒有發(fā)生應變<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,我們便可算得面內位移和,把條紋方程寫為,把求得的面內位移和代入上式,可求得離面位移?！?實驗后的感想、收獲、體會、意見或建議：這一次實驗,我們組做的還是比較順利的,當然,其中也有一些值得改進的地方。本實驗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有了基本的了解,也讓我掌握了在光學平臺上進行光路調整的基本方法和技能。通過利用二次曝光法進行全息干涉計量和對鋁板的彈性模量的測定,了解到有關照相的一些基礎知識,并和實際聯(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。通過這次綜合性實驗,我了解到了很多關于照相的原理知識——照片的拍攝、物體的再現(xiàn)及照片的沖洗方面的有關知識。希望學校的物理實驗教研室能夠將實驗設備增加和改良一些,比如更貼近生活的一些照相類儀器,使同學們能夠在實驗中以更貼近生活的方式掌握原理和技巧。⑤對教學改革或任課教師的評價、意見和建議：北航的物理實驗課已經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,我也覺得自己做實驗的水平有很大的提高。記得第一次做實驗時,沒做好預習工作,導致手忙腳亂