实验

光学全息照相

光学全息照相是利用光波的干涉现象，以干涉条纹的形式，把被摄物表面光波的振幅和位相信息记录下来，它是记录光波全部信息的一种有效手段。这种物理思想早在1948年伽柏（D.Gabor）即就已提出来了，但直到1960年，随着激光器的出现，获得了单色性和相干性极好的光源时,才使光学全息照相技术的研究和应用得到迅速地发展。光学全息照相在精密计量、无损检测、遥感测控、信息存储和处理、生物医学等方面的应用日益广泛，另外还相应出现了微波全息，X光全息和超声全息等新技术，全息技术已发展成为科学技术上的一个新领域。

本实验通过对三维物体进行全息照相并再现其立体图像，了解全息照相的基本原理及特点，学习拍摄方法和操作技术，为进一步学习和开拓应用这一技术奠定基础。

实验目的

了解光学全息照相的基本原理和主要特点；

学习静态光学全息照相的实验技术；

观察和分析全息全图的成像特性。

仪器用具

全息台、He—Ne激光器及电源、分束镜、全反射镜、扩束透镜、曝光定时器、全息感光底版等。

基本原理

全息照片的拍摄

全息照相是利用光的干涉原理将光波的振幅和相位信息同时记录在感光板上的过程.相干光波可以是平面波也可以是球面波，现以平面波为例说明全息照片拍摄的原理。如图1所示，一列波函数为、振幅为a、频率为υ、波长为λ的平面单色光波作为参考光垂直入射到感光板上。另一列同频率、波函数为的相干平面单色光波从物体出发，称为物光，以入射角θ同时入射到感光板上，物光与参考光产生干涉，在感光板上形成的光强分布为

(1)

由此可见，在感光板上形成了明暗相间的干涉条纹。条纹的间距为

(2）

可见，在感光底板上的光强分布和干涉条纹间距都受光波的振幅和相位所调制。

在实际情况中，物光是来自于物体上的漫反射光，其波阵面很复杂，因此，感光底板上的干涉条纹并不是等间距的平行条纹，而是呈现出非常复杂的干涉图样，只是在极小的范围内可近似看作等间距的平行条纹。

激光束经分束镜后分成两束，一束光经反射镜M1反射后又经L1扩束均匀地照在被摄物体上，再从物体表面反射到感光底板上，这束光称为物光。同时使另一束光通过反射镜M2反射后又经L2扩束后直接照在感光底板上，这束光称为参考光。当物光和参考光满足相干条件时，在感光底板上形成干涉图样。由于物光的振幅和相位与物体表面各点的分布和漫反射光的性质有关，所以，干涉图样与被摄物体有一一对应的关系，这种把物光波的全部信息都拍摄下来的方法称为全息照相。

2．物体的再现

由于全息照相在感光底板上形成的是干涉图样，所以，观察全息照片时，必须用与原来参考光完全相同的光束去照射，这束光称为再现光。物体的再现的光路原理如图3所示。对于再现光，全息照片相当于是一个透过率不同的复杂“光栅”，而再现过程实际上是干涉图样的衍射过程。再现光经全息照片衍射后的光强分布为

其中c为常数。可见，再现光经全息照片衍射后沿三个方向衍射，第一项为再现光沿原来方向的光波，相当于光栅衍射的零级衍射光波。第二、三项相当于光栅衍射的+1、-1级衍射光波。第一项光强没有变化，不储存信息，所以没有使用价值。第二项光波光强与物光的振幅和相位成正比，传播方向与物光的传播方向相同，这时如将被摄物体移开，眼睛迎着物光的传播方向观察全息照片，就能够在被摄物体的原处观察到被摄物体的虚象。第三项光波光强与第二项光波光强共轭。当物光为发散光时，共轭光为会聚光。如果在被摄物体的对称位置上放一接收屏，可再现被摄物体的实象，此实象与被摄物体共轭，称赝象。

3．全息照相的特点

全息照相是利用光的干涉和衍射原理，而普通照相则是利用光的透镜成象原理。另外，全息照片上的每一点都记录了整个物体的信息，因此，所以全息照片具有可分割的特点。由于全息照片记录了物光的全部信息，所以再现出的物体的象是一个与被摄物体完全相同的三维立体象。

实验装置与实验环境

1. 相干性好的光源。对于一般较小的漫射物体，常用He—Ne 激光器作为相干光源，它输出激光束的波长为632.8nm，功率为1―3 mW 这种激光器工作稳定、相干性好, 能获得较好的全息图象。

2.合理的光路。选择合适的光路是获得优质全息图的关键之一。氦氖激光器相干长度一般不小于激光器腔长的1/4—1/2，图2是拍摄反射全息照片的光路图。对光路的一般要求有：尽可能减少物光与参考光的光程差，一般控制在2厘米以内；参考光与物光的光强比一般选在2：1 —10：1范围内，为此需要选取合适的分束镜或在光路中加入衰减镜来控制。投射在感光底版上的参考光与物光之间的夹角一般选取在15°～45°之间,这样可以使干涉条纹的间距大些，从而降低对照相底板分辨率和系统防震要求，并避免再现象与零级衍射重和，而影响对再现象的观察。为了减少光的损失和提高抗干扰能力，在设计光路系统时所使用的光学元件应越少越好。

3.高分辨率的记录介质。记录全息图象需要采用分辨率、灵敏度等性能良好的感光底

版，因为一般全息干涉条纹是非常密集的，干涉条纹密度为n=sinθ/λ, n是条纹的空间频率，θ是物光和参考光的夹角，λ是记录光波的波长。对于θ=45°时，全息图上的干涉条纹可达1200条/毫米，故要采用每毫米大于1200线的感光底版。分辨率的提高使感光度下降，所以嚗光时间比普通照片长，且与激光强度、被摄物大小和反光性能有关，一般需几秒、几十秒，甚至更长。用于氦氖激光的全息底版对红光最敏感，所以全息照相的全部操作可在暗绿灯下进行。嚗光后的显影、定影等化学处理过程与普通感光底片相同。

良好的减震装置。拍摄全息照片必须在防震性能良好的全息台上进行，以保证光学

系统各元件有良好的机械稳定性，拍摄时每一光学元件都不能有任何微小移动或震动。轻微的震动或气流的扰动,只要使光程差发生波长数量级的变化，条纹即会模糊不清,再现像的亮度和再现视场范围大小会受到影响。所以被摄物体、各光学元件及全息底版必须严格固定。

实验的内容

熟悉全息设备，了解各部件的性能、作用和使用方法。

全息照片的拍摄

如图2所示在全息台上布置并牢固装夹各光学元件，调节各光学元件的中心等高，

使激光的光束大致与实验平台平行。

调整光路元件，不放L1 、L2 ,使经过分光镜的两束光即物光和参考光都均匀照射

到光屏上。调物光路和参考光路大致等光程，并且两束光的夹角在15°～45°范围内。

放入L1 、L2 ,使激光均匀照亮被摄物，使物光和参考光均匀地照射在光屏的同一

区域内，并且避免杂散光的干扰。严格防止扩束后的物光束直接照射在感光底板上。

调节参考光与物光的光强比在合适范围。

光路图如下图所示：

由余弦定理得cosθ==0.826

θ≈34.3°

安装感光底板时需要用遮光板遮住激光，使底版的感光乳胶面面向激光束。

静置数分钟后曝光，进行曝光，曝光时间由实验室给出。

底板用D—19显影液显影后，用清水冲洗干净，再放入F—19定影液中进行定影，

定影后晾干即可在激光下观察再现像。

2．全息照片的观察

利用原拍摄光路并用与参考光相同的方向照亮全息照片，观察其再现虚像的位

置、大小和亮度，并与原被摄物体进行比较。

位置、大小、亮度与原像基本相同

将开有小孔的遮挡板覆盖在全息照片上，并改变位置，观察其再现虚像，记录观

察结果。

总结观察到的全息照片的特点，比较全息照相与普通照相的区别。

答;全息照片利用光的干涉形成底片，得到的像是立体的。常规照相只是记录了被摄物体表面光线强弱的变化，即只记录了光的振幅；而全息照相则记录了光波的全部信息，除振幅外，还记录了光波的相位。这样就把空间物体光波场的全部信息都贮存记录了下来。然后利用全息照片对特定波长单色照明光的衍射，把原空间景象显现出来。

注意事项

勿用手、手帕、纸片等物擦光学元件。

曝光时切勿触及全息台

拍摄时应防止杂散光干扰,以免破坏全息图.

不能用眼睛直接观看未扩束的激光束.

全息底板是玻璃片基,注意轻放,以免弄碎.

思考题

为什么要求光路中物光和参考光的光程尽量相等？

答：因为激光的干涉长度有限，所以尽量使光程相等

为什么光学元件安置不牢，将导致拍摄失败？

答：因为安置不牢会引起微小振动，光程差改变，使干涉条纹变化，导致拍摄失败。

如何判断所观看到的再现物像是虚像还是实像？

答：在玻片后加一光屏，若光屏有像则再现物象是实像，若无像则为虚像。

第二篇：全息照相实验报告

全息照相实验报告

学院：土环学院

班级：采矿1502

学号：***

姓名：***

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.掌握全息照相方法及底片冲洗方法；

3.观察物象再现。

实验仪器

激光器，成套全息照相光具原件及隔振光学平台，白屏，硅光电池及电压表，全息干板，被照物体，显影液和定影液等。

二、实验原理（要求与提示：限400字以内，实验原理图须用手绘后贴图的方式）

全息记录

由光的波动理论知道，光波是电磁波。

一个实际物体发射或反射的光波比较复杂，但是一般可以看成是由许多不同频率的单色光波的叠加。因此，任何一定频率的光波都包含着振幅和位相两大信息。

全息照相的一种实验装置的光路如图1所示。激光器射出的激光束通过分光板分成两束，一束经透镜扩束后照射到被摄物体上，再经物体表面反射后照射到感光底片上，这部分光叫物光。另一束经反射镜改变光路，再由透镜扩大后直接投射到全息干版上，这部分光称为参考光。由于激光是相干光，物光和参考光在全息底片上叠加，形成干涉条纹。因为从被摄物体上各点反射出来的物光，在振幅上和相位上都不相同，所以底片上各处的干涉条纹也不相同。强度不同使条纹明暗程度不同，相位不同使条纹的密度、形状不同。因此，被摄物体反射光中的全部信息都以不同明暗程度和不同疏密分布的干涉条纹形式记录下来，经显影、定影等处理后，就得到一张全息照片。这种全息照片和普通照片截然不同，一般在全息照片上只有通过高倍显微镜才能看到明暗程度不同、疏密程度不同的干涉条纹。由于干涉条纹密度很高，所以要求记录介质有较高的分辨率，通常达1000 条线／毫米以上，故不能用普通照相底片拍摄全息图。

物象再现

由于全息照相在感光板上纪录的不是被摄物的直接形象，而是复杂的干涉条纹，因此全息照片实际上相当于一个衍射光栅，物象再现的过程实际是光的衍射现象。要看到被摄物体的像，必须用一束同参考光的波长和传播方向完全相同的光束照射全息照片，这束光叫再现光。这样在原先拍摄时放置物体的方向上就能看到与原物形象完全一样的立体虚像。如图2 所示把拍摄好的全息底片放回原光路中，用参考光波照射全息片时，经过底片衍射后有三部分光波射出。

0 级衍射光——它是入射再现光波的衰减。

+1 级衍射光——它是发散光，将形成一个虚像。如果此光波被观察者的眼睛接收，就等于接收了原被摄物发出的光波，因而能看到原物体的再现像。

-1级衍射光——它是会聚光，将在与原物点对称的位置上形成物体的再现虚像的共轭实像。

三、实验步骤

（要求与提示：限400字以内）

1．全息照相光路调整

按图 1 所示光路安排各光学元件，并作如下调整：

①使各元件基本等高；

②在底片架上夹一块白屏，使参考光均匀照在白屏上、入射光均匀照亮被摄物体，且其漫反射光能照射到白屏上，调节两束光夹角约为30°；

③使物光和参考光的光程大致相等，可分别挡住物光和参考光调节其光强比约 1∶3～1∶5，两光束有足够大的重叠区；

④所有光学元件必须通过磁钢与平台保持稳定。

2．全息照片的记录

拿下白屏，关掉激光器，在底片夹上装夹全息干版，注意使底片的药膜面对着物光和参考光，稍等片刻，待系统稳定后，根据实验室提供的参考曝光时间，打开激光器进行曝光。然后关闭激光器，取下底片待处理。

3．照相底片的冲洗

取下曝光后的底片，用清水打湿，放入显影液一分钟左右，取出在暗绿灯下观察，发现有显影时，用清水冲洗，再放入定影液中，定影1～2分钟，取出用流水冲洗1～3 分钟，使多余的银粒冲去。再用电吹风吹干，在白炽灯下观察是否有彩带，如有彩带说明拍摄成功。

4．全息照片的再现观察

用经扩束后的激光沿原参考光入射方向照明全息图，透过底片并朝着放置原物位置方向进行观察，可看到一个清晰、立体的原物虚像。这就是理想的漫反射全息拍照图像。

四、数据处理

（要求与提示：对于必要的数据处理过程要贴手算照片）

五、分析讨论

（提示：分析讨论不少于400字）

在这次光学实验中，制作全息照片失败了，对此我觉得我们必然在某处有错误，或者是由于实验仪器造成，因此我展开分析，实验失败原因可能有：

1.在曝光过程中有振动或位移，由于全息图上所记录的是参考光和物光的干涉条纹, 而这些条纹非常细, 在曝光过程中, 极小的振动和位移都会引起干涉条纹的模糊不清, 甚至使干涉条纹完全不能记录下来。

2.没有更好的调整好参考光和物光的光程差。参考光和物光的光程差不能太大也不能太小, 不能大于所用激光的相干长度, 否则两者不能相干, 无法在全息干板上获得干涉条纹。

3.没有更好的调整好参考光和物光的夹角。θ愈大, 所记录的干涉条纹就越细, 对干板的分辨率要求越高,故夹角θ不能太大。而夹角θ对全息图再现像时的观察窗(视角) 有影响, 夹角大, 可在较大范围内从不同角度观察物象, 反之, 观察窗则小, 因此夹角θ也不能太小。

4.光路中使用过多反光镜导致光强过小，从而影响干涉效果。

5.曝光时间没有控制得很好，曝光时间太长, 导致干板太黑, 光线的透过率降低。

6.在用清水清洗干版时水温没有严格控制在30-32℃，影响实验结果。

7.在显影定影时，冲洗时间不够，导致成像范围过小，成像不清晰。

六、实验结论

实验中获得清晰的再现像的关键是要选用具有良好的相干性和稳定性的激光作为光源。光路的调整更是至关重要的。一个好的光路，既要使物光和参考光能够发生干涉，还要保证干涉条纹间隔清晰，反差合适。所以要首先调整好物光和参考光的光程，以保证干涉能够发生，然后再调整物光与参考光束之间的夹角及物光和参考光的光强比，保证全息照片的清晰度和反差。另外，在曝光时系统要稳定。

七、原始数据

（要求与提示：此处将原始数据拍成照片贴图即可）