全息照相实验报告.doc

北京科技大学 物理实验报告

一、实验目的与实验仪器
实验目的：
1. 了解全息照相的基本原理。
2. 掌握全息照相的方法和冲洗底片的方法
3. 观察物像再现
实验仪器：
1. 氦氖激光灯，成套全息照相工具元件及防振装置
2. 曝光定时器，光点检流计，硅光电池，全息底片
3. 被照物体，显影液，定影液等

二、实验原理
全息照相与普通照相无论是在远离上还是在方发生都有本质的区别。普通照相是用几何光学的方法记录物体上各点的发光强度分布，得到的是二维平面像，像上各点的照度与物体上的各点发光强度一一对应。而全息照相的记录对象是整个物体发出的光波（即物体上各点发出的光波的叠加），借助于参考光用干涉的方法记录这个物光波的振幅和位相（周相）分布，即记录下物光波与参考光波相干后的全部信息。此时，记录信息底片上得到的不是物体的像，而是细密的干涉条纹，就好像一个复杂无比的衍射光栅，必须经过适当的再照明，才能重建原来的无广播，从而再现物体的三维立体像。由于底片上任何一小部分都包含整个物体的信息，因此，只利用拍摄的全息底片的一小部分也能再现整个物像。
相关原理图：
（1）实验光路图

物象再现原理

干涉方法制作光栅方法：

三、实验步骤
1.预热激光源，调整光源
各元件大致摆放到各自的相应位臵上, 调整各元件, 使各光束都与台面平行且与各元件中心重合, 开始时不要加扩束镜，测量物光与参考光的光程, 从分束镜开始, 沿着光束的前进方向量至全息干板为止, 按等光程按排光路为好, 光程差不得大于1 cm。
2.检验光照强度，确定曝光时间
3.感光片曝光
将激光器出射的激光遮挡住，装夹好全息干板，使乳胶面向着被拍摄的物体，静置几分钟使防震台不震动后取消遮挡，激光曝光10-20s。特别要注意再曝光过程中绝对不要触及防震台并保持室内安静。
4. 显影和定影
按显影-水洗-定影-水洗-晾干的程序处理。显影时间约为2min。从显影液中取出感光板后用水冲洗，放定影液中定影2-4min，最后在水洗2-3min
5. 物象再现
将晾干的全息图片放回原来的位置，感光乳胶面仍向着物体，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、大小与原物体一样的三维立体像。

四、分析讨论
1. 光路布置的原则：
(1) 物光和参考光到达感光片的光程大致相等（光程差应小于2cm）
(2) 物光和参考光夹角不宜过大，试验中控制在30°左右。
(3) 物光和参考光光强比约1：3至1：5
2．实验注意事项：
(1)保持各光学元件清洁，切勿用手或手帕擦拭
(2)曝光过程中切勿触及全息试验台
(3)绝对不能用眼睛直视未扩束的激光束
(4)全息底片为玻璃片基，应小心轻放
(5)根据光强和室温选择合适的曝光与显影的房间。
3. 全息照相的特点、与普通照相的区别：
普通照相：记录了物体的光强信息，显影出二维平面图象，只记录光强分布（敏感度反应物光振幅）
全息照相：它是以干涉、衍射等波动光学的规律为基础的。全息图记录的是物体各点的全部光信息，包括振幅和相位；全息图中每一局部都包含了物体各点的光信息，所以全息底片的每一部分都能观察到一幅非常逼真的立体图像。
4. 拍摄全息照片时，全息照相记录的是参考光和物光的干涉条纹,显然只有两者的光程相近时,才会发生干涉.全息照相一般用激光,单色光,饱和度好,也有用白光拍摄的,那样拍出来的照片在日光下就能看出立体的影像,但是那种拍摄有比较高的要求.激光拍摄在原光路中就能看出立体影像。
5. 由于现有的记录介质只对光强有响应，而对相位变化无响应，因此要记录光波的相位，就需要设法把位相关系转换成光强（即振幅）变化才行，在全息照相中正是巧妙利用了波的干涉原理达到了，同时纪录包括光波相位和振幅在内的全部信息的目的。确切的说，全息照相记录下来是两光波之间相位差的分布。
6. 观察到再现像后，将全息片旋转或倒置，透过全息照片能否观察到原再现图像？
若全息照片绕垂直轴旋转180度，则引起一个倒转的像，若让全息照片绕以水平轴旋转180度，也产生一个倒转的像，但让全息照片绕一个垂直于全息图平面的轴线转180度（即倒置）则不引起像的倒转。
7. 实验失败因素：
（1） 曝光过程中有噪音或防震效果不够好，因为全息底片上所记录的干涉条纹很细，相当于波长量级，在照相过程中极小的干扰都会引起干涉条纹的模糊，不能形成全息图，因此要求整个光学系统的稳定性良好。再记录时条纹或底片移动1mm，将不能成功得到全息图。因此在记录过程中，光路中各个元件（包括光源和被摄物体）都必须牢牢固定在防震台上。
（2） 调节光束时，没有使光束等高，减小光束在竖直方向产生夹角影响两光的相干。
（3） 为了保证两光较好的相干，应使物光与参考光成30至45度角度。
（4） 在调解光路过程中，应尽量使光成一均匀圆斑，并使其均匀照射底片和物体。

五、实验结论
通过这节课的学习，我们了解了全息照相的基本方法和原理，全息照相的基本原理是以光波的干涉和衍射为基础的，全息图可以记录物光波的全部信息，进行物象再现时可以看到一个逼真的三维图像，立体感强，并且全息图上每一点都携带有被摄物的全部信息，并且掌握了拍摄全息图的实验方法，学习到如何对像的性质进行研究。并得到以下结论：
(1) 光源必须是相干光源
通过前面分析知道，全息照相是根据光的干涉原理，所以要求光源必须具有很好的相干性。激光的出现，为全息照相提供了一个理想的光源。这是因为激光具有很好的空间相干性和时间相干性，实验中采用He-Ne激光器，用其拍摄较小的漫散物体，可获得良好的全息图。
(2) 全息照相系统要具有稳定性
(3) 物光与参考光应满足相等的光程差
(4) 使用高分辨率的全息底片
因为全息照相底片上记录的是又细又密的干涉条纹，所以需要高分辨率的感光材料。