全息照相实验报告

实验报告

学生姓名：学号：指导教师：

实验地点：实验时间：

一、实验室名称：全息照相实验室

二、实验项目名称：全息照相实验

三、实验学时：

四、实验原理：

普通照相是把物体通过照相物镜成像于照相底片上，每个物点转换成一个对应的像点。并将被摄物体在某个瞬时漫射的光波（物光波）所反映的物体的亮度分布成像于底片上，底片记录的是与物光波振幅的平方成比例的强度分布，它丢失了物光波的相位信息，所以普通照片上的物像没有立体感。全息照相虽然也是一种照相过程，但在概念上同普通照相根本不同。全息照相记录的不是物光的强度分布，而是干涉条纹。干涉条纹的可见度反映了物光波的振幅，干涉条纹的疏密和取向则由物光波的相位决定。物体上每个点发出的光波记录在整个底片上，换言之，底片上的每个点都记录了所有物点发出的光波。这样用干涉法把物光波场的“全部信息”都记录下来所获得的照片，称为全息照片或全息图。由全息图可以再现物光波，从而形成与原物体逼真的三维像。这个物光波的完整记录与再现的过程，便称为全息术或全息照相。

（一）透射式全息照相

1. 物光波波前的记录

物光波波前信息包括它的振幅和相位，而现有的记录介质只对光的强度即振幅的平方产生响应。因此，在波前记录时必须把相位信息转换为强度信息。为此，人们借助于参考光与物光的干涉来实现上述转换。显然，参考光和物光应具有很好的相干性，而且记录物光波波前的光路需按一定的规则布置，以保证获得更佳的干涉效果。

一种常用的静物全息记录光路如图所示。激光束经分束镜分为两束光，一束

经全反射镜反射并扩束后，均匀照明被摄物，再经被摄物漫反射，带有了被摄物

的信息，照射在记录介质——干板上，这束光称为物光；另一光束经全反射镜反

射与扩束镜扩束后，直接均匀地照明干板，这束光不带物的信息，称为参考光。

两光波在干板上相遇产生相干叠加形成干涉图样，使感光物质感光记录在干板

上。经暗房操作处理后，成为可永久保存并随时重现光波波前的全息照片。

拍摄全息照片的典型光路

设在干板面上，物光波为

式中，),(0y x O 和),(0y x Φ分别表示振幅和与空间相关的相位；ω为光波的角频率；

t 为时间。

参考光波为

式中，),(0y x R 和),(y x R Φ分别代表参考光波的振幅和与空间相关的相位。

两光波在干板面上相干叠加，合成光的强度分布为

由式可见，强度分布不随时间变化，所有的项只与空间有关，其中前两项分别为

参考光和物光被记录的强度；第三项代表两光波之间的干涉，产生干涉条纹。条

纹的可见度

且由两光波的振幅确定。若||R 为常量，则它只随物光波的振幅变化。干涉条纹

的形态由相位差[]),(),(0y x y x R Φ-Φ确定。参考光波的作用正好将物光波前的相位

分布转换成了强度分布。

2. 物光波波前重现——全息图的衍射

用原参考光束照明全息图片，就可得到清晰的物体的像。这个过程称为全息

图的再现或物光波前重现。在再现过程中，全息图将再现光衍射而产生表征原物

光波波前特性的所有光学现象。即使原来的物体已经拿走，它仍可以形成原来物

体的像。如果再现波前被一观察者的眼睛截取，则其效果与观察原物一样，能看

到原物体的真实的三维像。当观察者改变观察方向时，景像的配景改变，视差效

应是很明显的。当观察点由景物中的较近物体改变到较远物体时，观察者必须让

眼睛重新调整。如果全息图的记录和再现都用同一单色光源完成，那么，就会不

存在原物体与再现像的任何视觉标准所能够辨认的差别。

观察再现像的一种光路如图所示。当用原参考光照明再现全息图时，通过全

息图后的光场分布为

式中，第一项]||)|(|[2201O R t R E ++=β为零级衍射光，代表与再现光波相同的透射

光波场；第二项O R E 22||β=，其中2||R β为常量，E 2与原始物光波相同，观察者截取此光波将观察到一个宛如原物的虚像，它是+1级衍射光；第三项*23O R E β=为-l 级衍射光，为物光的共轭光波，观察到的是一个空间倒置的原物体的实像，此实像还受到再现光波R 的位置调制，产生相位畸变。

全息图的再现

如果用原参考光波的共轭光波（即与参考光波波前相同反向传播的光波）照明再现全息图时，全息图片后面的光场分布为

式中，2E 为有相位畸变的虚像；3E 为物光波的共轭光波，显然是一个无畸变的实像。

（二）全息记录介质

记录全息图的介质应该是性能良好的感光材料。主要性能指标是分辨率、灵敏度和感光敏感波长。 全息记录介质要求具有较高的分辨率。理论指出，全息干涉条纹的平均间距

?取决于物光波和参考光波的平均夹角θ，

如图所示。我们得到

条纹的空间频率η定义为条纹平均间距?的倒

数，用于表示记录介质记录这样的条纹所需要

的最小分辨率，即每毫米长度上能记录的干涉

条纹数。我们有

λθη??? ??=?=2sin 21 平均间距?与夹角θ的关系

一般全息图的干涉条纹间距很小，故要求记录介质的分辨率1000>η条/毫米。而普通照相胶片的分辨率极低，仅50~100条/毫米。因而记录全息图应采用专门的全息干板。全息干板的暗室处理方法与普通感光胶片的处理方法相似。其程序为显影——水洗——停显——定影——水洗——漂白——水洗——干燥。

五、 实验目的：

1、了解全息照相的基本原理和主要特点；

2、学习由全息图再现物像的原理；

3、学习并掌握全息照相的基本实验技术和技巧。

六、实验内容：

1、拍摄制作静物的全息照片；

2、观察全息图片的再现物象。

七、实验器材（设备、元器件）：

He-Ne激光器（1—3mW），全息平台及其光学附件【分束板，全反射镜（2个），扩束镜（2个），有关光学元件调整架】，电磁快门，搪瓷盘，全息干板，洗相设备(显影、定影及漂白药水)，安全灯。

八、实验步骤及操作：

1．光路调节

光路调节是本实验的重要内容，也是拍好全息图的关键。首先了解各仪器的结构与功能，熟练掌握其使用与调节方法。并在干板架上插入白屏（用以接收光），然后按图4在全息平台上布置光路。

光路调节要点：

（1）激光器发出的光线及经过全反镜（total mirror）、分束镜反射后的光线构成的平面应与平台平面平行。

具体作法是，在光具座上插入带有十字刻线的白屏（也可利用扩束镜的通光小孔），首先调节激光器的俯仰，使十字屏在平台上移动到不同位置时，细激光束始终照在十字中心，说明激光器出射的细光束与平台平行（这一步实验室已经调节好）。然后，按图布置各元件（先不要放置扩束镜，且各元件合理分布在平台的较大范围，不要挤在一块。分束镜反射的光作为参考光，其透射光（transmission light）作物光）。调节分束镜、反射镜的高低、俯仰，使它们反射的细激光束均照在白屏的十字中心，这样，细激光束构成的平面与全息平台平行。调节物体的高低，使细激光束照在物的中心。

（2）参考光与物光中心线的夹角 约为20ο～30ο左右。物离干板在10～20cm为宜，太远则物光太弱。M1反射的细激光束尽量照在物的正面，且尽量使干板平面正对物的正面（如同一般照相时，灯光从人的正前方照射，照相机也在人的正面拍摄一样）。

（3）为了保证物光和参考光相干，用分束镜将一束光分为两束光，它们经过不同的路径在干板平面相遇干涉，但必须保证物光光程与参考光光程相等。物光与参考光的起点是分束镜，终点是干板平面。实验中用线绳测量判断两束光的光程是否相等。

扩束的光（4）细激光束直射在物中心和白屏中心，最后加入扩束镜，L

1

把物均匀照亮，L

2

扩束的光把白屏均匀照亮。然后去掉白屏，眼睛处于干板位置的后方观察，微微转动物（不可移动，否则改变光程）使看到的物形象最好，且反射的光最强。

（5）物光与参考光光强之比满足要求。具体做法是，关掉照明灯和电磁快门，在干板架上插好光电池，打开灵敏电流计，调节零点；再打开电磁快门，挡住物光测量参考光照射时灵敏电流计偏转的格数；然后挡住参考光测量物光照射时灵敏电流计偏转的格数，格数之比即为光强之比。如果不满足要求，可以调

节L

1到物或L

2

到干板的距离，再次测量。（注意：测量时不要碰任何元件，防止

光路变化；测量完毕，把电流计旋置短路。）

注意：光路调节中严禁用手触摸所有的光学元件表面，也不允许用擦镜纸、干棉花、手帕擦拭。发现有污垢或灰尘，请教师处理。

本实验所用分束镜透过率为70%左右，故选用透过光作为物光源，针对实际情况，可先调节物光。在调节激光器、分束镜、反射镜的高低、俯仰，使它们出射、反射的细激光束均照在白屏的十字中心的基础上，按图4放置分束镜S、全反镜M1、被拍物及白屏。调节M1反射角度以及物的高低，使反射的点光束射在物体中部，旋转放置物体的底座或白屏的角度，使白屏接收到的被物体反射的光斑最强且在白屏中部，然后在M1及物体之间加入扩束镜L1，以将M1反射的点光束扩束并正好照亮整个物体，此时沿着被物体反射的光线方向在白屏中应看到清晰的物体轮廓像，至此物光调节完毕。然后按照物光、参考光等光程、夹角合适的要求，调整分束镜S的反射角度以及全反镜M2的位置与反射角度，使参考光入射到白屏中部，再加扩束镜L2将点光束扩束合适。

2．干板曝光

一切准备工作就绪后，关掉电磁快门，在全暗或极暗绿灯下放置干板，乳胶面朝着物体（用干净的手指拿着干板的棱边，用手指在干板一角的两面轻轻一摸，粗糙者即为乳胶面）。曝光时间与光强大小、显影温度有关，视具体情况而定。

注意：一切准备就绪后，稳定几秒钟再打开电磁快门曝光；在曝光过程中严防震动，身体不要接触平台，不能说话和来回走动。

3．干板的冲洗

曝光后的干板在暗室冲洗，按显影－水洗－定影－水洗－晾干的程序处理。显影时间由实验室提供，显影过程中可在暗绿光下观察，防止显影不足和过度。显影时须注意：干板不能长时间置于绿灯下，以防干板二次曝光，影响衍射光的透过率。

注意：显影时干板不能长时间置于绿灯下，以防干板二次曝光，影响衍射光的透过率；显影液和定影液不要搞混；干板的乳胶面朝上；不要用手摸乳胶面，防止脱落；水洗后自然晾干；保持暗室的卫生整洁。

干板的冲洗详细操作流程是分别在暗室的操作台1和2上完成。

操作台1（暗室进门左前方靠窗户处）：极暗绿灯辅助照明(绿光灯朝向墙壁).

操作台2（暗室进门右侧）：

4．全息图再现

虚像观察：将晾干的全息图放回原位置，用原参考光照射，去掉物，在全息图的后方观察，即可看到位置、大小与原物一模一样的清晰逼真的三维立体像。

（1）改变参考光到物的距离，可以使再现像放大或缩小，此时，再现像的清晰程度有所改变。

（2）挡掉全息图的一部分，仍然可看到完整的物体像。

实像观察：去掉扩束镜，用细激光束照射（增大再现光的强度），在全息图的另一边用白屏可以接收到共轭实像。

九、实验数据及结果分析：

本实验无数据记录及处理，对实验结果的分析如下：

1. 全息照相是否成功？为什么？有哪几条成功的经验？

本实验比较成功，经过拍摄和冲洗后的感光干板可以再现出三维虚像和实像。成功的经验如下：首先，调节光路时注意把握物光和参考光的光程差尽量小、夹角介于30度至50度之间、光强比例较接近（在实验室条件下通常参考光要强些）；其次，感光干板注意避光保存，尤其是其他同学拍摄时注意保护自己的干板；第三，拍摄过程中要保持安静；第四，冲洗时注意把握显影和定影的时间。

实验虽然获得了成功，但是再现像的效果不佳，原因可能有两个，一是物光较弱，应该适当增加曝光时间，二是拍摄过程中环境不够安静。

2. 分析全息照相与普通照相的异同。

普通照相时底片记录的是由被拍摄物体发射或者反射的光的振幅，因而只能获得被拍摄物体的平面图像。而全息照相时感光干板还记录了相位信息，所以可以获得被拍摄物体的三维图像。

十、实验结论：

了解了全息照相的基本原理和主要特点，并学习了由全息图再现物象的原理，基本掌握了全息照相的实验技术和技巧。

十一、总结及心得体会：

该实验的光路比较复杂，各个器件的摆放都要满足要求，而且拍摄和冲洗过程均在暗室中完成，是有一定难度的光学实验，同学们的成功率不太高。调节光路时一定要认真、耐心，反复确认物光和参考光应满足的三个条件，不能凭感觉差不多就行。

三人合作完成实验，要注意相互配合，还要注意保护光学元件，轻拿轻放，不要用手触摸元件的光学表面。

十二、对本实验过程及方法、手段的改进建议：

三人合作实验时，一旦前面的同学在取放干板时破坏了光路，后面的同学都会拍摄失败，希望能够扩充实验台套数，尽量减少合作的情况，这样也可以更充分地锻炼动手能力。

很多光学器件应该更换了，尤其是扩束镜，扩束后的光质量比较差，为了增强物光，不得不牺牲光照范围，导致无法拍摄出完整的物体。

能否更换一批被拍摄物体，选择反光更好、立体感更强的物体。

冲洗时定影需要3分钟，可否放置一个定时器，3分钟后自动提醒定影时间到，避免因为定影时间不足导致失败。

虽然实验成功了，但是再现像必须在激光下才能观察到，希望能够拍摄白光下可再现的全息像。

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