为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划大物实验激光全息照相实验报告实验32激光全息照相物理科学与工程技术学院光信息科学与技术学号陈海域与材料物理陈嘉平合作完成实验时间：XX/4/12XX/4/19地点：基础物理实验室激光全息照相实验室1号桌【实验目的】1学习全息照相的基本原理和方法2了解全息照相的主要特点3学习观察全息照片的方法【实验仪器】全息照相的整套装置(PHYWE)，如图1所示:【全息照相的特点】全息照相与普通照相无论在原理上还是方法上都有本质上的差别。普通照相是以几何光学的折射定律为基础，利用透镜把物体成像在平面上，记录各点的光强或振幅分布，物象之间各点一一对应，但却是二维平面像上的点与三维物体各点之间的对应，因此并不完全逼真，即使一般所谓的“立体照相”也多是利用双目视差的错觉，而不是物体的真正三维图像。而全息照相是以光的干涉、衍射等物理光学的规律为基础，借助于参考光波记录物光波的振幅与位相的全部信息，在记录介质上得到的不是物体的像，而只有在高倍显微镜下才能观察得到的细密干涉条纹，称之为全息图。条纹的明暗程度和图样反映了物光波的振幅与位相分布，好像是一个复杂的衍射光栅，只有经过适当的再照明才能重与普通照片相比，全息照片还具有如下几个特点：1）全息照片在适当的照明下重建物光波与原来的物光波具有相同的深度和视差。改变观察的位置，就可以看到景物被遮拦的物体，观察近距离的物体，眼睛必须重新调焦。2）把全息照片分成小块，其中每一小块都可以再现整个图像。因为照片上每一点都受到参考光和被摄物体所有部分的光的作用，所以这些点就用编码的形式包含了整个图像的信息。但是当小块逐渐减小时，分辨率逐渐变差。这是因为分辨率是成像系统孔径的函数。3）全息照片可以用接触法复制，但无正负片之分，不论是原来的还是复制的都再现被摄物体的正像。而且无论照明乳剂的反差特性如何，再现影像的反差同原物体的反差都非常接近。4）全息照片绕垂直轴线转180，引起一个倒转的像，让全息照片绕一水平轴线旋转180，也产生一个倒转，也产生一个倒转的像，但让全息照片绕一个垂直与全息图平面的轴线转180，则不引起像的倒转。5）最后一个特点是在同一张底片上用连续曝光方法可以重叠几个影像，而每一张影像又不受其它影像的干扰而单独显现。【实验原理】全息照相是一种采用相干光源的两步光学成像过程。第一步是在记录介质上记录由参考光和物光形成的复杂的干涉图样全息图，第二步是在适当的照明下从全息图再现出物体通常的图像，所以全息照相的基本理论，实质上就是一种较为广义的双光束干涉场的计算。由激光器发出的相干光经分束器之后，一束照明物体成为景物光，另一束为参考光。两光束成一定的夹角入射到记录介质上，相互干涉而记录下全息图。由于记录介质只能记录振幅，可见物波的位相记录也是利用干涉的原理转换成相应的振幅关系加以记录的。为简单起见，我们从点光源发出的球面波相干涉着手来讨论全息图的一些基本特点。因为广延光源和被照明的物体可以看作点源的集合，平面波可看成点源在无穷远发出的球面波。所以讨论具有一般性。1全息照相记录的信号如图2所示，(x1，y1，z1=-d)为物点所在的物平面，(x1，y1，z1=0)为记录介质所在的像平面，P(x1，y1，z1=-d)为物点，R(xr，yr，zr)在任意平面(xr，yr，zr),上，R点源与平面的距离为Zr。Q为记录介质平面上任一点。若物光与参考光是相干的，则记录介质上的光强分布为I=a02+r02+r*a+ra*(1)其中,a=a0exp(ia)为物点源到达全息图平面的光波的复振幅，r=r0exp(ir)为全息图上参考波的复振幅。由于做全息照相时，总是尽量使参考光和物光独立在记录介质上的照度均匀，所以在全息图上a02和r02变化比较缓慢。所以这里主要注意相干项r*a+ra*=2a0r0cos(r-a)其中?a?r?2?2?12?(PQ?PO)(PQ?RO)?12?r?a?1(RQ?PQ)?1?l其中?l?(RQ?PQ)为光波从P进行到Q和由R进行到Q的光程差。由图可见，当P点和Q点离z轴不太远，而且z1很大时，?a可以由1/z一级近似求得1?a?2?1?2?y2?2?2x2?x1?2y2?y1?x2?1?2Z1?同理?r?2?122?x?y?2xx?2yy?222r2r?1?2Zr?可见干涉项产生的是明暗以(?r?a)为变量按余弦规律变化的干涉条纹并被记录介质记录下来。由于这些干涉条纹在记录介质上各点的强度决定于物光波在各点的振幅与位相，因此记录介质上就保留了物光波的振幅和位相的信息。2波前重建常用于记录全息图的介质是照相干版或胶片，假定记录全息图的干版经曝光、冲洗以后，把曝光时的入射光强线形变换为显影振幅的透射率，并假定曝光量的变化范围限于该种干版的t-E曲线的线形区内，则干版的透射率为t=t0-KI即t(x,y)=t0-K(a02+r02+r*a+ra*)式中，t0为未曝光部分的透射率，K为比例系数。对同一干版，t0和K都可认为是常数。I1=a02，I2=r02分别为入射到干版的物光强和参考光强，它们在全息图面上接近均匀。因此对于点源的全息图，只有透过率与r*a+ra*成正比的空间变化干涉项，在照明后能产生衍射。假设在全息图形成后和再现前有可能把它放大或缩小，为此把全息图平面坐标再标记为x2=mx2,y2=my2,式中m为线放大率。假设再现波长2不必和形成波长1相同，它们的比值由2/1给出。再现波或照明波由一点光源C(xc,yc,zc)发出，如图3所示。则全息图平面的衍射波复振幅C与上述透射率的乘积为Cr*a?Cra*?C0a0r0?exp?i?v?exp?i?R?其中C?C0exp?i?c?v?c?a?r?v?xv,yv,zv?(11)?R?c?r?a?R?xR,yR,zR?(12)为使全息图能产生点源物体P的像，全息图上的再现波的位相?v和?R必须和球面波相当，在全息图上球面波位相分布的一级近似值可按式写成?x2,y2?2?122x?y?2xx?2yy?(13)?2?2z3?其中z3为全息图到像平面的距离，x3和y3代表像平面上像点P的坐标。我们必须使V和R与有相同的形式。如果做到这一点，那么在一级近似下影像波是会聚的平面波还是发散波将按V和R的正负号而定。这就是点源的完全一级近似成像的情况。可是、V和R的展开式中略去了代表像差的高次项，因此，将与实际情况略有不同。一般来说，全息图的再现波所成的物象比较复杂，像的位置、大小、和虚、实将会生变化，而且还可能存在畸变等现象。详细的讨论可参考有关资料。但是，若再现波和原参考光波完全一样时，式变为rr*a?rra*?a0r02exp?i?a?a0r02exp?i(2?r?a)?显然，式右边第一项是按一定的比例重建的物光波，它离开全息片以后按照惠更斯菲涅耳原理继续传播时，其行为与原物在原来位置发出的光波相同，因此在全息片后面的观察者对着这个衍射而产生的另一个一级衍射波，称为孪生波。在一定的条件下，它是一束会聚光，形成一个有畸变的，并且在观察者看来物体的前后关系与实物相反的实像。如果用参考光波r和共轭光波r*照射全息片，此时透过全息片的光波，干涉项可仿照式写成r*a?ra*?a0r02exp?i(?a?2?r)?a0r02exp?i?a?式中等号右边第二项与原来物光波a的共轭光波a*成正比，由于a*是会聚于原来物点所在位置的光束，因此这一项所代表的衍射光束在原来物体所在的位置形成一个无畸变的实象，如图4所示，从图可以看到，观察者好像是跑到原来物体的背后去观察，而且能透过原来处于后面的部分看到前面的部分。在上面的讨论中，利用公式(8)分析透过全息片的衍射光束时，实际上是把全息片二维的衍射光栅来处理，再照光经衍射后，除了直接透过的零级光束外，同时存在正、负一级衍射光束。由于感光板上的乳胶有一定的厚度，而且是透明的，故其内部也存在物光波与参考光波的相互干涉，干涉条纹也被记录下来，经过处理后得到的三维全息图，相当于三维衍射光栅。三维光栅的衍射受到布拉格条件的限制，只有物光束和参考光束的夹角较小时才能同时出现正、负一级衍射。当物光束和参考光束的夹角较大时，(如接近180时)和x射线在晶格中的衍射一样，三维光栅对光的衍射也具有波长的选择性，因此可以用单色相干光制作全息片，用普通的白光照射它实现波前重建。这一重建过程是三维光栅衍射的结果，从效果上看，好像是从全息片的反射光束中得到的，因此称为反射全息，又因为波前的重建利用了白光，所以又称为白光重现全息照相。反射式全息片的制作法是让物光束和参考光束分别从照相底版的两面进入乳胶层，如图(a)所示(图中用直接透过底版的参考光作为物体的照明光)，两束光的干涉极大值在显影后形成基面波的相互干涉来估计这些银层的间距。图6中和分别代表参考光束和物光束的传播方向，它们的夹角为2并假设都是平面波。显然，两组波阵面的夹角也是2，每一组波阵面中相邻两波阵面之间的距离为，图中竖直线代表干涉极大所在的平面，它们的间隔为d，这些平面是物光束与参考光束的分角面，从图上画粗线的三角形可得2dsin?用上式计算d的大小时，和应取乳胶介质中的数值。由式(416)可得d?/2sin?通常物光束和参考光束之间的夹角接近于180，从而d=/2，若采用西安交通大学高级物理实验报告课程名称：高级物理实验实验名称：光全息照相系列实验系别：实验日期：XX年12月9日姓名：班级：学号：第1页共6页实验名称：光全息照相系列实验一、实验目的：了解全息照相基本方法和原理。掌握拍摄全息图的实验方法。二、实验仪器：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、全息感光底板等。三、实验原理：1.全息照片的拍摄：全息照片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。两列相干光波，一列直接来自于激光源，另一列通过物体反射，分别入射到感光板上，由于二者是相干光，所以在感光板上干涉形成明暗相间的干涉条纹，感光板上的光强分布及干涉条纹间距与光的振幅和相位都有关，这样就不仅能记录物体的颜色，还能够记录物体的位置远近等信息。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，所以观察全系照片时必须用和与原来参考光完全相同的光束去照射，称为再现光。再现过程是干涉图样的衍射过程。3.全息照相的特点：全息照相是利用光的干涉和衍射原理，而普通的照相则是利用广德透镜成像原理；全息照片上的每个点都记录了整个物体的信息，因此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。四、实验任务环境温度：。1.激光全息图的拍摄按照如图所