全息拍照实验方法阐述.doc全息拍照实验方法阐述王俊(，10级机械工程及手动化(2)班)摘要:该文在全面理解全息拍照“干涉记录,衍射重现”原理的基础上,剖析了影响激光全息拍照实验的诸诱因,并对这种诱因进行了深入的阐述,对提升全息图质量,提出了具体的解决方式。关键词:激光全息拍照;全息图;干涉;衍射;光程差skill(,and(2)class):Thiswascompthe“the,the”intheple,laser,andonthedeeptothesetoimprovethe,andpthe.Keywords:laser;;;;lightpath光是一种电磁波,它的全部信息包含:振幅(反映物体上各点发出的光的强弱,决定像的硬度),位相(反映物体上各点在空间的相对位置,决定像的形状)和频度(反映光的颜色)。
普通拍照只记录了振幅,得到的是二维平面像,而全息拍照在记录振幅信息的同时还记录了位相信息,即记录了光波的全部信息。因此这些拍照称为全息拍照。全息拍照得到的是三维空间的立体像,它所根据的基本原理一般概括为“干涉记录,衍射重现”。全息摄影技术的应用非常广泛,目前,已应用于精密检测、无损探伤、空气动热学、高速摄影、全息显微术、信息处理和信息存储等许多领域。1.全息拍照阐述由光的波动理论晓得,光波是电磁波。一列单色波可表示为x=A(cosωt+φ—2πr/λ)--(1)式(1)中A为振幅,ω为圆频度,λ为波长,φ为波源的初相位。一个实际物体发射或反射的光波比较复杂,并且通常可以看成是由许多不同频度的单色光波的叠加。光在传播过程中,利用于它们的频度、振幅和相位来区别物体的颜色(频度)、明暗(振幅平方)、形状和远近(相位)。普通拍照是通过成像系统(拍照机镜头)使物体成像在感光材料上,材料上的感光硬度与物体表面光强分布有关,由于光强与振幅平方成反比,所以它只记录了光波的振幅信息,未能记录物体光波的相位差异。因而普通拍照记录的只能是物体的一个二维平面像,缺少立体感。
全息拍照是通过光波的干涉原理作记录,它除了记录了物体发出或反射的光波的振幅信息,并且把光波的相位信息也记录出来,所以全息拍照技术所记录的并不是普通几何光学方式产生的物体像,而是物光光波本身。它记录了光波的全部信息,而且在一定条件下,能将所记录的全部信息完全重现下来,,把物因此重现的物像是一个逼真的三维立体像。全息拍照包括2个过程,第一体光波的全部信息记录在感光材料上,称为记录(拍摄)过程;第二,照明已被记录下全部信息的感光材料,使其重现原始物体的光波,称为重现过程。全息拍照的基本原理是以波的干涉为基础,所以除光波外,对其他的波动过程,如声波、超声波等也都适用。2.全息照向的拍摄原理拍摄全息相片的基本光路大致如图(1)一激光光源(波长为λ)的光分成两部份:直接照射到底片上的叫参考光;另一部份经物体表面散射的光也照射到拍照底片，称为物光。参考光和物光在底片上各处相遇时将发生干涉，底片记录的即是各干涉白色叠加后的图象。关于硬度:似乎参考光各处的硬度是一样的，但因为物体表面的反射率不同，所以物光的硬度各处不同。为此，参考光和物光叠加干涉时产生的干涉白色各处浓淡也就不同。
关于相位。如图(2)。设O为物体上某一发光点(图(1)图(2)3.影响全息拍照实验成功的诱因3.1系统稳定性对实验结果的影响因为全息图上所记录的是参考光和物光的干涉白色,而这种白色特别细,在爆光过程中,极小的震动和位移就会导致干涉白色的模糊不清,甚至使干涉白色完全不能记录出来。3.2光路对实验结果的影响3.2.1参考光和物光的光程差的影响。参考光和物光的光程差不能太大,不能小于所用激光的相干宽度,否则二者不能相干,未能在全息干板上获得干涉白色。3.2.2参考光和物光的倾角的影响。如果全息干板上干涉白色的宽度为d,光源波长为λ。按照干涉原理,d与参η考光和物光之间的倾角θ有关d=λ/2sinθ/2,而干板码率η与d有关=d=2sin((θ/2)/λ)。可以看出,θ角愈大,所记录的干涉白色就越细,对干板的倾角θ不能太大。而倾角θ对全息图再现象时的观察窗(视角)码率要求越高,故有影响,倾角大,可在较大范围内从不同角度观察物象,反之,观察窗则小,因而倾角θ也不能太小。3.2.3物光与参光度比对实验疗效的影响由实验原理可剖析出,得到满意的实验疗效涉及许多诱因,例如实验系统要有高抗振性、物光与参考光光路差要小、干板质量要高等。
其中,觉得物光与参考光硬度比列控制得当是影响实验成功率及疗效的关键诱因。对底片记录物像信息的过程作以下剖析。将座标轴取在全息像片(即图1中的H)上,取其中心为座标原点O,构建XYZ空间直角座标系。XOY面与全息像片重合,Z轴与其垂直。设物光和参考光在全振幅分别为:O(x,y)=O0(x,y)exp[i?O(x,y)](1)R(x,y)=R0(x,y)exp[i?R(x,y)](2)其中0(x,y)和R(x,y)是物光和参考的相位分布,O0(x,y)和R0(x,y)为物光和参考光的振幅分布。依据叠加原理,像片上的合光全振幅U(x,y)=O(x,y)+R(x,y)(3)O(x,y)=exp[iθo(x,y)]+R(x,y)exp[iθr(x,y)](4)第三、四项为物光与参考光之间的相干。它把物光的位相信息转化成不同光强的干涉白色记录在干涉场中的拍照底片上,储存了物像信息。由此可见,物光和参考光的光强是决定实验疗效最直接的化学量,而其比列也至关重要。
对于通常的双光束干涉而言,两束光光强相等时,干涉白色对比度最强。而对全息拍照的记录介质来说,爆光量和振幅透过率的特点曲线是非线性的,在曲线两端发生畸变,形成较高阶的衍射光,干涉效率增加。另一方面,当物光比参考光过强时,花斑比较明显,形成较大量的晕轮先围绕零级衍射光减少了成像的光通量,使得效率增加。因而物光与参考光光强比对于全息拍照的质量影响极大。经验表明,物光与参考光光强比在4:1至5:1之间时,实验疗效最好。往年实验中,中学生仅仅以肉眼简略判定两光光强,无法精确控制物光与参考光的光强比。为了解决这一困局,笔者提出了一种亮度检测方案。3.2.4全息干板的影响全息干板固定不牢或夹持位置误差大,以及把有药面的一面与玻璃面放反,就会导致实验的失败。3.3爆光与定影对实验结果的影响3.3.1爆光时间的影响假如爆光时间太紧,底板上白色太浅甚至没有,复杂的衍射光栅未能产生,其实也就难以重现像。若爆光时间太长,底板可能太黑,光线的透过率增加。另外,爆光时间越长,保持系统稳定性越难,爆光时间内忽然的躁声和震动会使拍摄失败。3.3.2定影时间的影响定影的程度是否适当对全息图质量影响很大。
若定影时间太长,全息干板发黑,光线的透射率增加,未能重现像;而定影时间太紧,干板上白色不能出现,未能产生复杂的衍射光栅,甚至是一块透明玻璃片,也未能重现像。4.提升激光全息拍照实验成功率的具体做法4.1保证拍摄系统的稳定对于我们所用的激光波长为632.18nm的HJ2?型氦氖激光器,在爆光过程中,必须保证拍摄系统的联通不得超过干涉白色宽度的1/4。我们实验室用的是GSZ2?型光学实验平台,全息台上的所有光学元件都用磁性材料牢靠地吸在工作台厚板上。将各光学器件夹持稳定,将被照物体粘牢在载物台上或夹紧在架上,将爆光定时器离开全息台放置。因为气流通过光路,声波干扰以及气温变化就会导致周围空气密度的变化,因而,在打算拍摄前必须远离全息台,保持安静,静止2min以上再启动爆光定时器,而且在爆光期间不能讲话、走动和发出任何响声,保证环境稳定,爆光后再静等20s以上,能够取下干板,用黑纸包好。4.2安排和调整光路的具体做法4.2.1光路摆放按图1所示光路将,各器件大致摆放到各自的相应位置上,调整各器件,使各光束都与台面平行且与各器件中心重合,开始时不要加扩束镜。
4.2.2检测光程检测物光与参考光的光程,从分束镜开始,顺着光束的前进方向量至全息干板为止,按等光程按排光路为好,光程差不得小于1cm。4.2.3倾角选择按照前面的剖析,本实验中选择参考光和物光的倾角取20,30?为宜。4.2.4调节光强比由上所述可知,要达到较好的疗效,应使参考光提高,以避免非线性区,降低花斑效应。但虽然用一束强光做物光,物光照到物体上经物体吸收后再反射到干板上的光已比参考光弱得多了,对于我们功率只有5MW的激光器,参考光和物光的光强比太大,会导致对比度差、象不清楚,所以又必须使物光提高。多次实验研究表明:被摄物假如是陶器,应与全息干板距离较近(3,5cm),若拍摄硬币可与全息干板距离远一些(可达10cm)。装入扩束镜后,调节物体方位,使物体漫反射光的最强部份均匀地落在全息干板上,参考光应均匀照明并覆盖整个全息干板,两光光强比为3?1,5?1较为合适。4.3拍摄全息图及重现观察4.3.1拍摄底片关掉室外所有光源,在全暗条件下学会判定全息干板药膜面的方式,即用双手指同时摸全息干板两面,较涩的一面为药膜面,光滑的一面为玻璃面。
取下死机,将全息干板药膜面面向被摄物体固定在干板架上。4.3.2设置爆光时间爆光时间的长短与光源的功率有关,对于功率较大的光源,爆光时间可适当短些,若光源功率小,则爆光时间可适当长些。通常文献上要求爆光时间为3,4min,实际上,爆光时间长很难保证拍摄过程中周围环境绝对安静,对于我们使用的功率为5MW的HJ2?型氦氖激光器和上海感光胶卷厂生产的?型全息干板来说,爆光时间选择在30s左右就可以了,但也要看被摄物体的反光程度,对于反光较强的物体,爆光时间可适当减短,反之,则适当长。4.3.3设置定影时间选择定影时间应与爆光量、显影液的含量及湿度等情况加以综合考虑。在曝,其体温在20??15?时,定影时间通常十光量正常的情况下,用D219定影液几秒即可,但在水温较高、且新配的药水的情况下,可能几秒钟干板就变黑,定影时间应视实际情况而定(但不要超过3min)。应将干板置于定影液中并轻轻搅乱液体,几秒钟后将干板对着暗绿灯观察,听到微黑时即可用清水冲洗,冲洗干净装入显影液中2,4min,显影过程中也应不断搅乱显影液,然后倒入清水中冲洗5,15min,再进行干燥。
另外,配置好的药水应置于白色玻璃瓶中避光保存,中学生操作时要防止将一种药水带入另一种药水中。万一定影或爆光过度,可装入漂白液中进行刻蚀处理,刻蚀处理可在白光下进行,不停地掏出观察,刻蚀程度适可而止,不可太过,否则全息图消失。4.3.4重现观察将处理好的全息底片置于图2光路中观察全息图,重现时也可用强光照射全息图,以降低其照度。参考文献():[1]陈国杰，谢嘉宁(化学实验教程[M](北京:湖南科学技术出版社全息照相实验视频全息照相实验视频，2004[2]高金光(对提升激光全息相片质量的研究[J](德州大学学报，2003[3]金保森,卢智先.材料热学实验[M].上海:机械工业出版社,2003.[4]王育平,边力.材料热学实验[M].上海:上海民航航天学院出版社,2004.[5]刘鸿文,吕荣坤.材料热学实验[M].3版.上海:高等教育出版社,2006.[6]刘鸿文.材料热学(下册)[M].3版.上海:高等教育出版社,1992.[7]孙训方,方孝淑.材料热学(上册)[M].3版.上海:高等教育出版社,1994.