基础物理实验课件—全息照相和全息干涉法的应用

全息照相和全息干涉法的应用实验目的1．了解全息照相的基本原理2．熟悉反射式全息照相合透射式全息照相的基本技术和方法3．通过对反射式、透射式全息照片的摄制和观察，了解反射式、透射式全息照相的特点4．了解全息干涉法及其应用全息照相的概念全息照相术是一种新型的照相技术，其成像过程是：利用光的干涉和衍射现象，在照相干板或胶片上以干涉条纹的形式把图像记录下来，然后用光照射这种干板（称作全息干板），就能以立体形式再现出原来的物体像。与普通照相不同，全息照相有一些突出的特点，比如它的像有三维立体性、其干板具有可分割性、可多次记录性等等。全息照相之所以具有上述特点，是因为全息照相与普通照相的方法截然不同。普通照相在胶片上记录的仅是物光的振幅信息（即光强分布），而全息照相在记录振幅信息的同时，还记录了物光的相位信息，“全息”也因此而得名。全息照相术的起源全息术最初是由英国科学家丹尼斯·伽柏（DennisGabor）于1948年提出来的，伽柏并因此在1971年获得了诺贝尔物理学奖，当初的目的是想利用全息术提高电子显微镜的分辨率，伽柏当初使用汞灯作为光源，但是汞灯作为光源还不是很理想，这种技术由于要求高度相干性及高强度的光源而一度发展缓慢。1960年梅曼（Maiman）研制成功了红宝石激光器，第二年（1961年）贾范（Javan）等制成了氦氖激光器。从此，一种全所未有的优质相干光源诞生了。1962年美国科学家E.N.利思（E.N.Leith）和J.乌帕特尼克斯（J.Upatnieks）用激光器对伽柏的技术做了划时代的改进，全息术的研究从此获得了突飞猛进的发展，近40年来，全息技术的研究日趋广泛深入，逐渐开辟了全息应用的新领域，成为近代光学的一个重用分支。请看图1，使从点光源（可以认为是从物体上的一点反射出来的光，也可考虑为有一个针孔）发出的相干激光束A与另一方向射来的激光束B在照相干板上叠加而产生干涉，形成如图2、3所示的那样的干涉条纹。如果将这种干板冲洗后则可变成一种衍射光栅，即全息照片（或称作全息图）。如果将全息照片置于原来的位置，并在与记录干涉条纹是参考光照射的方向相同的方向上用相干光照射，则此照射光在冲洗后的干板（衍射光栅）上被衍射。由图4可知，在衍射光栅的栅格间距小的地方，光的衍射角大；在衍射光栅的栅格间距大的地方，光的衍射角小。结果，整个衍射光就好像从原来点光源所在位置传播过来的方向上被衍射。同样，如果放置两个点光源，通过与另外的相干光形成干涉条纹，并记录在干板上，则自然会有两种不同的干涉条纹相重叠地被记录下来。并且，每种干涉条纹都具有与各自的点光源的光强相应的反差，从而起衍射光栅的作用，使得衍射光象是从原来两个点光源所在位置传播过来似的被衍射。在类似的点光源极多的情况下，也可按这种方式处理。被光照射的物体可以看作是无数点光源的集合体。在这种情况下，非常复杂的干涉条纹被记录下来，当用相干光照射干板时，光在与原物体存在时相同的方向上被衍射。换言之，在物体原来所在的位置上将再现它的像，这就是全息照相的原理。下面，根据实际装置，再从稍微从不同的角度来说明全息照相术的原理。如图5所示，如果用分束镜将一束相干光（激光）分为两束，它们再以某一角度θ在干板上叠加，则会形成大致一样的干涉条纹，这些干涉条纹的间距为Δx的大小由光波长λ和两束光的夹角θ决定，这从图中也很容易理解。这样产生的干涉条纹如图6所示，是黑白相间周期性重复的排列。每一毫米内存在的干涉条纹数称作空间频率或空间载波，这样产生的空间载波未受任何调制。如图7所示，如果在一个方向上的光束中途放置一块幻灯片之类的透射体，利用从透射体透射出来的光，或者是利用照射物体时产生的反射光，与另一方向上的相干光（即参考光）叠加而形成干涉条纹，则这样形成的干涉条纹不再是规则排列的清晰条纹，而是变成了复杂的干涉条纹。这种情况，可以认为是空间载波被物体所调制。这样记录下来的受到物体光波调制了的干涉条纹，就是全息图。图8时全息图实际记录过程的图解，如果要由全息图再现原物的形状和位置，则如图9那样，用同一波长的相干光照射全息图，被调制的空间频率就像一种衍射光栅一样把光波衍射。由于被衍射的光是沿着与透过物体的光或被物体反射的光相同的方向行进，所以再现的像在空间也有景深，从而可观测到三维的立体象。相对而言，一般照相技术仅仅是个记录过程，而全息照相术具有记录过程和再现过程两个阶段，再现出来的像恰是来自物体的光的波面本身。一、反射式全息照相反射式全息是利用后照相乳胶的布拉格衍射效应来实现的。反射式全息的记录光路如图10所示，激光细光束经扩束镜L0扩束后照射在全息干板H上作为参考光，透过H的光照明物体，经物体漫反射的光成为物光，干板的乳胶面向着物体，由于乳胶感光材料的透过率为30%～50%，若物体的反射率较高，则光束比能满足全息图的记录条件。在这种记录中，物光和参考光之间的夹角接近180°，因而在记录介质中能建立起驻波，所形成的干涉条纹基本上平行于记录介质表面，条纹实际上是层状的，其间距约为介质中光波长的一半，对于光的衍射作用与三维光栅的衍射一样。布拉格条件在再现像的过程中，根据布拉格衍射的原理，再现光在这种三维干涉面上的衍射极大值必须满足下列条件：⑴光从衍射面上反射时，反射角等于入射角；⑵相邻两干涉层的反射光之间的光程差必须是λ。这就是布拉格条件。当照明干板的光束为单色光时，只有在某些特定的角度下才能观察到再现像；当不同波长的混合光（例如白光）以一确定的入射角照明干板时，只有某些特定的波长满足布拉格条件而产生再现像，其中只有一种波长的衍射效率为最高。这就是反射式全息图的角度选择性和波长选择性。实验步骤和注意事项：⑴选择合适的目标。由于光束比无法通过光路来调整，故应选择表面具有较高反射率且具有一定漫射性的物体作为目标（本实验选用一元或一角的硬币），以提高再现像的质量；⑵调整光路。物体用橡皮泥固定在载物台上，全息干板也夹持在载物台上，为得到较高的衍射效率，物体与干板之间的距离不能太大，一般不大于1cm；⑶将激光器出射的激光遮挡住，装夹好全息干板，使乳胶面对象目标。稳定一分钟后取消遮挡激光曝光10～20秒；⑷经冲洗吹干的全息干板在白光下反射再现，在一定的角度下可看到绿色的再现像，再现像变成绿色是由于乳胶层收缩所致。二、两次曝光法测定金属板的杨氏模量全息干涉计量是全息术应用的一个重要方面。全息干涉与普通干涉十分相似，其干涉理论和测量精度基本相同，只是获得相干光的方法不同。普通干涉中获得相干光的方法基本分成两大类：分振幅法和分波阵面法。全息干涉的相干光则是采用时间分割法而获得的，也就是将同一束光在不同的时刻记录在同一张全息干板上，然后使这些波前同时再现并产生干涉。时间分割法的特点是相干光束由同一光学系统产生，因而可以消除系统误差，从而可以降低对光学系统中各光学元件的精度要求，这也是全息干涉计量的一个很重要的特点。普通干涉只能测量表面经过抛光的透明物体或反射面，全息干涉则不仅可以测量透明物体，也可以测量不透明物体，并且表面可以使散射体。此外采用全息干涉还可以通过表面的变化来检测物体内部的缺陷，这就是全息无损检测。本次实验所安排的 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 是用二次曝光法测定金属板的杨氏模量，通过本实验有助于加深对全息干涉计量基本原理的理解，以及了解全息干涉法的基本技术及其应用。实验光路如图11所示，激光束经扩束镜照射在干板上为参考光，透过干板后的光束经铝板反射后照射在干板上即为物光。首先在铝板自由端未受力时作第一次曝光，干板上记录了铝板处于原始状态时的全息图，然后通过加力装置对铝板的自由端加力后作第二次曝光，干板上又记录了铝板受力变形后的全息图。再现时同时复现铝板两个状态下的物光波前，这两个波前产生干涉，形成一簇等光程差的干涉条纹。如果能测出某一级亮纹或暗纹所在处沿铝板纵轴方向的位置，即可计算出其杨氏模量。实验步骤和注意事项：⑴按图11布置好光路，注意铝板与干板的距离要尽量小，干板的乳胶面应对向铝板，并且系在铝板上用于给其加力的细绳一定要与铝板垂直；⑵首先不给铝板的自由端加力，在砝码托盘静止的条件下进行第一次曝光，时间大约为10秒钟；⑶在砝码托盘上加上砝码，通过砝码加载器给铝板自由端加力，稳定一两分钟后，并且在砝码托盘静止的条件下进行第二次曝光，时间约为15秒，注意加载砝码时动作要轻；⑷经冲洗吹干的全息干板在白光下反射再现，可以看到一簇明暗相间的干涉条纹，取不同级数的亮纹或暗纹，测量条纹所在处沿铝板纵轴的坐标并计算杨氏模量的大小。三、透射式全息照相透射式全息拍摄的光路如图12所示，由激光器输出的细激光束经反射镜M１反射后被分束镜Ｇ分成两束：反射的一束经反射镜Ｍ3再次反射并经扩束镜Ｌ2扩束后，照在全息干板上作为参考光束；透射的一束由反射镜Ｍ2反射折转，再经过扩束镜L１扩束后照明物体，经物体漫反射形成的物光束也到达全息干板Ｈ上。物光与参考光在全息干板上发生干涉将形成复杂的干涉图样，全息干板经冲洗吹干后即可得到一张透射式全息图。将制得的全息图放回原位，遮住物光束并取走物体，用原参考光照明，则透过全息图可以看到原来放置物体的地方有物体的虚像，犹如物体没有取走一样，物体的虚像具有明显的视差效应，人眼通过全息图观察物体的虚像，就像通过一个“窗口”观察真实物体一样，具有强烈的三维真实感，当人眼在全息图后面左右移动观察时，可以看到物体的不同部位。实验步骤和注意事项：⑴按实验光路图布置各元件并调好光路，注意应使到达全息干板的物光和参考光的光程差尽量小，并且被摄物体与全息干板之间的距离不超过１０ｃｍ，物光与参考光的夹角控制在４０°左右；⑵参考光与物光在全息干板处的光强比２：１～１０：１的范围内，可分别遮挡参考光及物光，直接用人眼观察在光屏上两者的光强比，当感觉参考光的平均光强稍微超过物光的平均光强而又相差不大时即可。应注意尽量使物光在干板上的光强均匀分布，参考光应均匀照明并覆盖整块全息干板；⑶遮挡激光束，安装全息干板然后进行曝光，曝光时间在８０～１００秒，曝光过程中应排除一切振动因素；⑷将干板冲洗吹干后放回原底版架上，不要改变全息图与原底版之间的方位关系，挡去物光，移去原物，便可在原物位置上显现出与原物同等大小的三维立体像。