實驗人：宋易知***指導教師：曹惠賢
實驗時間：2015.10.16
一．實驗目的
1．了解光學全息照相的基本原理及其主要特點。
2．學習全息照相的拍攝方法和實驗技術。
3．了解全息照相再現物像的性質、觀察方法。
二．實驗器材
全息實驗台*1、雷射器*1、分束鏡*1、反射鏡*2、擴束鏡*2、載物台*1、被攝物*1、快門*1、乾板架*1、全息乾板*1、顯影、定影器材。
三．實驗原理
光路圖全息照相是一種二步成像的照相技術。第一步採用相干光照明，利用干涉原理，把物體在感光材料（全息幹版）處的光波波前紀錄下來，稱為全息圖。第二步利用衍射原理，按一定條件用光照射全息圖，原先被紀錄的物體光波的波前，就會重新啟用出來在全息圖後繼續傳播，就像原物仍在原位發出的一樣。
1．全息照相的紀錄——光的干涉
由光的波動理論知道，光波是電磁波。一列單色波可表示為：
（1）式中，a 為振幅，ω 為圓頻率，λ 為波長，φ 為波源的初相位。
乙個實際物體發射或反射的光波比較複雜，但是一般可以看成是由許多不同頻率的單色光波的疊加：
（2）因此，任何一定頻率的光波都包含著振幅（a）和位相（ωt+φ-2πr/λ）兩大資訊。
全息照相的一種實驗裝置的光路如圖（1）所示。雷射器射出的雷射束通過分光板分成兩束，一束經透鏡擴束後照射到被攝物體上，再經物體表面反射(或透射)後照射到感光底片(全息幹版)上，這部分光叫物光。另一束經反射鏡改變光路，再由透鏡擴大後直接投射到全息幹版上，這部分光稱為參考光。
由於雷射是相干光，物光和參考光在全息底片上疊加，形成干涉條紋。因為從被攝物體上各點反射出來的物光，在振幅上和相位上都不相同，所以底片上各處的干涉條紋也不相同。強度不同使條紋明暗程度不同，相位不同使條紋的密度、形狀不同。
因此，被攝物體反射光中的全部資訊都以不同明暗程度和不同疏密分布的干涉條紋形式記錄下來，經顯影、定影等處理後，就得到一張全息**。這種全息**和普通**截然不同，一般在全息**上只有通過高倍顯微鏡才能看到明暗程度不同、疏密程度不同的干涉條紋。由於干涉條紋密度很高，所以要求記錄介質有較高的解析度，通常達1000 條線／公釐以上，故不能用普通照相底片拍攝全息圖。
2．全息照相的再現——光的衍射
由於全息照相在感光板上紀錄的不是被攝物的直接形象，而是複雜的干涉條紋，因此全息**實際上相當於乙個衍射光柵，物象再現的過程實際是光的衍射現象。要看到被攝物體的像，必須用一束同參考光的波長和傳播方向完全相同的光束照射全息**，這束光叫再現光。這樣在原先拍攝時放置物體的方向上就能看到與原物形象完全一樣的立體虛像。
如圖2 所示把拍攝好的全息底片放回原光路中，用參考光波照射全息片時，經過底片衍射後有三部分光波射出。
0 級衍射光——它是入射再現光波的衰減。
+1 級衍射光——它是發散光，將形成乙個虛像。如果此光波被觀察者的眼睛接收，就等於接收了原被攝物發出的光波，因而能看到原物體的再現像。
-1級衍射光——它是會聚光，將在與原物點對稱的位置上形成物體的再現虛像的共軛實像。
圖23．全息照相原理的數學描述
下面對全息照相原理作一簡單的數學描述。設全息底片所在平面為xy 平面，物光在底片上的振動表示式為
（3）參考光為
（4）為方便起見，採用複數形式表示，寫成
對於相干波的疊加，真正起作用的是振幅和相位，常用復振幅來表示，即省去時間相位因
子eiωt，剩下的部分既含振幅，又含隨空間變化的相位，把它稱為復振幅。於是，在底片
上任一點物光和參考光復振幅分別為
（5）6)
相干疊加後的合成光場為
（7）干涉條紋的光強為
8)式中為為h的共軛複數。為使關係式簡潔，各量中的x，y 均省略。將上式展開得
經簡化後上式可簡寫為
（9）這正是干涉條紋光強的表示式。上式表明，光強i（x，y）包含了物光波的全部資訊(振幅和相位)。採用適當的兩光波強度比，感光底片經**並進行線性沖洗後，就得到一張全息**。
假定用照明光r′（x，y）照射全息圖，設再現光在全息圖上的復振幅為
如把全息**看作衍射屏，則透過全息**後衍射波的復振幅為
（10）
式中t（x，y）為全息**的復振幅透射率，對於經線性處理的全息**，復振幅透射率與
**時的光強成線性關係，即
（11）
於是，透過全息**後衍射波的復振幅
將i（x，y）值代入得
12)式中第一項u0 除了係數（t0+βao2+βar2）外，與再現光相同，為零級衍射波，代表照明光的透射波，形成乙個背景象，從物光重現的角度來看，可以不予考慮。
第二項u+1 為+1 級衍射波，當再現光和參考光完全相同時，即ar′=ar=ar，φr′=φr，
則+1 級衍射波在全息**上的復振幅為
與原物光只差乙個常數因子，實現了原物光的再現。觀察者將在原物體所在位置上看到逼真的立體虛像，在不同的角度看到物體不同的側面。
第三項u-1 為-1 級衍射波，當再現光是參考光時，則-1 級衍射波在全息**上的復振幅為
與原物光的共軛波o﹡（x，y）除相差乙個常數因子外，還多乙個位相因子ei2φr，表示衍射波會聚於以全息**為對稱面的原物體的對稱位置上，觀察者將在此位置上看到乙個實像，在實像中的那些細節與虛像是相反的。
4．全息照相的特點
⑴全息照相應用了光的干涉、衍射原理，記錄了光波的全部資訊，因此全息**再現的被攝物形象是完全逼真的三維立體形象。
⑵全息**可以分割。因為全息**上每一點紀錄的干涉影象是由物體所有點漫射來的光與參考光相干涉而成的，所以打碎的全息**仍能再現出原被攝物的全部形象。
⑶一張全息**可以多次**，不同景物可以採用不同角度入射的參考光束，也可以改變底片的角度拍攝多次，在全息**的不同角度就會出現不同影象。再現時只要適當轉動全息**即可。
⑷全息**沒有正負之分，因此易於複製。複製**再現出來的像仍然和原來**的再現像一樣。
⑸全息**的再現像可放大或縮小。當用不同波長的雷射照射全息**時，由於拍攝時所用的雷射波長不同，再現像就會放大或縮小。
5．全息照相的實驗要求
⑴要有足夠穩定的系統即全息實驗台的防震效能要好。在全息照相時，物光和參考光相干涉形成的干涉條紋密度達每公釐近千條或更高，如果物光波和參考光波稍有抖動，就會造成干涉圖樣模糊不清。因此要求全息平台有很好的抗震效能，同時採取一些必要的減震措施，如在平台支座上加減振器、充氣輪胎、沙箱等。
對全息台上的光學元件需進行仔細檢查，看是否牢固。在**過程中身體任何部位都不要觸及全息臺，避免高聲談話，更不要在室內隨意走動、開關門、窗等，以確保干涉條紋無漂移。
⑵要有好的相干光源。一般採用he-ne 雷射器作為光源，同時要求物光波和參考光波的光程盡量相等，光程差盡量小，以保證物光波和參考光波具有良好的相干性。
⑶物光和參考光的光強比要合適。一般選擇io/ ir=1/4～1/10 為宜；兩者間的夾角30°左右，不宜超過40°，因為夾角越大，干涉條紋間距越小，條紋越密，對全息底片解析度的要求也越高。同時不宜過小，否則會造成可觀測的角度變小。
四．實驗步驟
1．全息照相光路調整
按圖 1 所示光路安排各光學元件，並作如下調整：①使各元件基本等高；②在底片架上夾一塊白屏，使參考光均勻照在白屏上、入射光均勻照亮被攝物體，且其漫反射光能照射到白屏上，調節兩束光夾角約為30°；③使物光和參考光的光程大致相等，可分別擋住物光和參考光調節其光強比約 1∶4～1∶10，兩光束有足夠大的重疊區；④所有光學元件必須通過磁鋼與平台保持穩定。
2．全息**的記錄
在底片夾上裝夾全息幹版，注意使底片的藥膜面對著物光和參考光，稍等片刻(約1～2 min)，待系統穩定後，開啟快門6秒。然後關閉雷射器，取下底片待處理。
3．照相底片的沖洗
取下**後的底片，用清水打濕，放入顯影液一分鐘左右，發現有顯影時，用清水沖洗，再放入定影液中，定影3 分鐘，取出用流水沖洗3～5 分鐘，使多餘的銀粒衝去。再用電吹風吹乾。
4．全息**的再現觀察
用經擴束後的雷射沿原參考光入射方向照明全息圖，透過底片並朝著放置原物位置方向進行觀察，可看到乙個清晰、立體的原物虛像。這就是理想的漫反射全息拍照影象。
五．實驗結論及現象分析
實驗現象：
按照實驗要求擺放好光路後，物體表面上有經過發散的紅光，且光強合適。安裝好底片後進行照相，**時間為6秒，期間沒有干擾情況，**效果較好。定影並清洗後再進行觀察可看到清晰的物像，但需要多次觀察找到觀察物像的最合適的角度。
實驗結論：
試驗中獲得清晰的再現像的關鍵是要選用具有良好的相干性和穩定性的雷射作光源。光路的調整是至關重要的。乙個好的光路既要使物光和參考光發生干涉，還要保證干涉條紋間隔清晰，反差合適。
所以首先調好物光和參考光的光程，再調整物光與參考光之間的夾角及物光和參考光的光強比，保證清晰度和反差。在**時系統要穩定，不能漏光，選好**時間，避免人為干擾。
全息照相實驗報告
西安交通大學高階物理實驗報告 課程名稱 高階物理實驗實驗名稱 光全息照相系列實驗第 1 頁共6頁 系別實驗日期 2014年12月9日 姓名班級學號 實驗名稱 光全息照相系列實驗 一 實驗目的 了解全息照相基本方法和原理。掌握拍攝全息圖的實驗方法。二 實驗儀器 全息臺 he ne雷射器及電源 分束鏡 ...
全息照相實驗心得體會
n實驗擴充套件 l物光擴充套件拍攝大體積物體三維的全息圖 雷射全息照相景深擴充套件方法之一 物體三維的全息照相是以干涉條紋的形式記錄下物光波的資訊，只有和參考光波干涉的物資訊才能記錄下來，沒有和參考光干涉的物資訊將損失掉。當被拍攝物體的尺寸大於雷射器的相干長度是，從物體上各點漫射出的物光的光程和參考...
數碼照相實驗報告
實驗報告樣本 電子稿大學物理實驗 實驗二十四數碼照相技術基礎 學號班號姓名合作者相機編號 no.1 一 實驗目的 1 了解數碼照相的基本原理 基本結構及一些重要概念 2 學習數位相機的基本操作 3 學習數位相機在科學技術照相中常用的一些高階功能。二 實驗原理 按下面的提示完成對實驗原理的描述 1.參...