实验报告实验三十四全息照相
物理学院1300061311
二下 6 组 03 号 2015.4.15
一. 实验目的
1•了解全息照相的基本原理；
2•学习全息照相的实验技术，拍摄合格的全息图;
3 •了解摄影暗室技术.
二. 实验仪器
光学平台，He-Ne 激光器及电源，快门及定时曝光器，扩束透镜，反射镜和 分束器，光功率计，全息底片，被摄物体，显微镜，暗室技术使用的设备.
三. 实验原理
全息照相中所记录和重现的是物光波前的振幅和相位，即全部信息，这是全 息照相名称的山来•但是，感光乳胶和一切光敬元件都是“相位盲S 不能直接记 录相位•必须借助于一束相干参考光，通过拍摄物光和参考光的干涉条纹，间接 记录下物光的振幅和相位•直接观察拍好的全息图，看不到像•只有照明光按一定 方向照在全息图上，通过全息图的衍射，才能重现物光波前，使我们看到物的立 体像•故全息照相包括波前的全息记录和重现两部分内容。
下面是透射式全息照 相原理。
1•全息记录
如果将物光和参考光的干涉条纹用感光底片记录下来，那就记录了底片所在位 置物光波前的振幅和相位
物光一点发出的球面波波前：
〃0（如刃=人（忑y ）exp ［诫）（兀y ）］
参考光波前：
则底片上总复振幅:
光强分布：
Ig) = UU
感光底片在曝光后经显影和定影等暗室技术处理，成为全息图•适当控制曝光 量及显影条件，可以使全息图的振幅透过率:与曝光量E （正比于光强1）成线性关 系，即
心,刃=山一例（九y ）
〜 2兀
匕(兀 y) = A r exp[/ —
ysina] Ug y) = U Q (x.y)+U r (x, y)
上面讨论了物光作为一个点光源所产生的球面波和参考光的干涉•整个物是山 无数个点光源所组成，因而整个全息图就是无穷多个球面波与参考光波干涉所组 成的复杂干涉条纹.
2•物光波前的重现
用一束与参考光完全相同（即波长和方向相同）的平面波照在全息图上，则在 z=0平面上全息图透射光的复振幅分布为
整理后得
O t （X, y ） = [Fo - 0（A ； + 盃）]A r exp[/ 乎 y sin a]
_04；4）exp[i 如
-/X4；4）expl-讷）]cxp[i —2ysin a]
其第一项为0级衍射；
第二项为+1级衍射，经全息图+1级衍射后会重现物的虚像，大小，形状，位 置与原物完全相同；
第三项为・1级衍射，为一汇聚的球面波，成一实像，且有一附加角度变化。
若照明光方向与参考光方向相反，则实像会在原来物的位置上，虚像会有一附 加角度变化。
3•参考光为球面波的全息照相
记录全息图的参考光不一定是平面波，也常用发散的球面波•这时重现的1级 衍射不一定是一个虚像、一个实像，有可能两个都是虚像•另外，重现照明光的 点光源和原参考光点光源必须在相同位置（相对于底片）才能得到无畸变虚像•如 要得到无畸变实像，则应以参考光的共轨光一一束会聚在原参考光点源的会聚光 去照明底片•如果重现时点源位置不同于参考光点源，则重现像的位置不同于原 来物位置，重现像的放大倍数也不等于1 •照明点光源愈远，像愈大；反之，像缩 小. 实验条件
为了照好一张全息图必须具备以下儿个基本条件
1） 一个很好的相干光源，本实验用的氨氛激光器，相干长度约为20cmo 为保 证物光和参考光之间良好的相干性，要尽可能使两束光光程相等。
a •全息记录
b •全息再现
c •共辄光全息再现
2）保证全息照相所用系统的稳定性。
尤其是曝光的3-4秒内，千万要保持台面
的稳定。
3）高分辨率的感光底片，本实验用的感光底片分辨率为3000条/mm。
4）了解和使用显影、定影、冲洗等有关摄影暗室技术。
四. 实验内容
1•设计安排光路
应满足如下要求：
1）经透镜扩展的参考光均匀照在整个底片上，被摄物体各部分也应得到均匀照
明
2）物光和参考光光程大致相同
3）在底片处物光和参考光的光强比为1:2-1:6
4）物距感光底片约10cm
5）参考光垂直照射底片，参考光与物光夹角约为30度
大致步骤:
1）初步规划光路，放置各元件的大概位置
2）用分束器将激光分光，用透射光（较强）作为物光，用反射光（较弱）作为参考光
3）确定物光光路，并用卷尺测量光程，用此光程确定参考光光路的反射镜位置，调整过程中注意满足上述条件
4）加入两个透镜，将物光和参考光扩展，并注意均匀照明
5）加入快门，设置曝光时间为3-4秒
注：光路的安排搭建对于这个实验非常重要，是决定全息图品质的关键因素，因
此搭建时应仔细规划考虑，尤其注意要满足上述所有条件。
我们组正是因为搭建出好的光路才做出了比较好的全息照片。
实验光路示意图
7.曝光
关上照明灯，取出感光底片并安装，所有人安静后曝光3-4秒，注意曝光时要保持台面的稳定性，不能有人移动，说话。
3.显影定影
将感光底片取下，先在显影液中浸泡约10秒，再在定影液中浸泡约15分钟，最后用清水冲洗一分钟，在吹风机下烘干，光的全息照片制作完成。
4.透射式全息图的重现
五. 实验现象
透射式全息图的重现
1•原位观察虚像：
1）像的位置和物的位置相同，大小相同，正立。
2）从不同位置观察像，可以看到像的不同角度，这和从不同位置观察物体一模一样
3）改变底片与透镜距离，远离时像变大，拉近时像变小。
2.另一个像（-1级衍射像）
从另外一侧可以观察到另外一个像，是倒立的虚像，并且非常大，只能看到被放大的局部。
3.底片翻转180度，用共辄光照射底片
可以观察到两个相，一个是正立，原大小的实像（可以成在光屏上），这个像的位置和本来物的位置关于感光底片对称；另一个是在另外一侧倒立放大的虚像。
对于实验现象的解释
做实验时，实际情况并不是实验原理所说的参考光和再现光都是平面光，而采用的是凸透镜扩展的平面光
因而实际情况为，参考光波前
O r（x9 >'） = A r expH0r（x, y）］
根据
0（X, y） = 〃（）（X, y）+U r（x y y）
1）参考光和再现光相同时，可以推得
O t（X, y） = [r0 - 0（A： + A；）H exp[讷.] 一血：4）
exp[讷,]
- M2 A）exp[-讹]exp ⑵ 0」
其中
可以看到，第二项+1级衍射就是还原物的衍射虚像，位置大小正倒和原物体完全相同。
而第三项・1级衍射则可以等效为将物的共觇光经过一个焦距为/ = 2z°的透镜成像（因为5为负，这里等效成了一个凹透镜），因为f的不同可能成实像也可能成虚像，在实际观察中我们看到了倒立放大的虚像。
2）再现光是参考光的共轨球面波时，得
O t（X, y） = [r0- 0（ A： + A；））4 exp 卜砂」一卩*
A）exp[/如 exp 卜 2 讷.] 一04：人）exp[-讷）]
可以看到，此时，第三项・1级衍射是原物光波前的共辘波，因此在原物关于感光底片对称的位置成了一个等大正立的实像（对称位置是因为将底片旋转了 180度）。
而第二项+1级衍射则是将物光经过一个焦距为/ = -2z0的透镜成像，这个像应当与笫一种情况参考光和再现光相同时,-1级衍射成像的位置大小正倒相同，故也是倒立放大的虚像。
上述所有理论推导均和实验中所观察到的现象符合，故本次实验理论推导和实验现象均做的较为不错。
六. 实验反思与总结
本次全息照相实验，让我加深了对全息的理解，可以想象，再现物的全部信息是多么了不起的成就，而白光全息的发明也是更加令人迷醉。
另外实际情况（参考光为球面波）的推导也让我对于上学期光学所学知识进行了更深入的理解，从理论结合到了实际，我非常喜欢这次实验。