全息照相和全息干涉法的应用-苗明川

E 09

全息照相和全息干涉法的应用北京航空航天大学物理实验中心

全息照相的概念

全息照相

全息照相是一种新型的 照相技术，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将 图像记录下来。用光照 射这种干板(称作全息 干板),就能以立体形 式再现出原来物体的像。

全息照相术的起源

全息照相

全息术由英国科学家丹尼 斯· 伽柏(Dennis Gabor) 于1948年提出，伽柏因此 在1971年获得了诺贝尔物 理学奖。伽柏的目的是想 利用全息术提高电子显微 镜的分辨率，当时使用汞 灯作为光源，但是汞灯作 为光源不是很理想。这种 技术要求高度相干性及高 强度的光源。

全息照相术的起源

全息照相

1960年梅曼(Maiman)研制成功 了红宝石激光器，1961年贾范 (Javan)等制成了氦氖激光器。 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，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。

全息照相的特点

全息照相

具有十分逼真的立体像，它与 观察实物完全一样，具有相同 的视觉效果(立体感强); 把全息片分成若干小块，每一 块都可再现原物完整的像； 同一张底片上，经过多次曝光， 可以重叠许多物体的像，每个 像能不受干扰地单独显示出来； 易于复制，仍保持和原来像完 全一样。 ……

全息技术的应用 全息干涉计量两次曝光或连续曝光，可记录物体的微小、高速运动。

全息照相

全息无损检测 全息存储拍摄全息照片，改变参考光束方向，可将不同物体摄在同一张底 片上。再现时偏转照明光束，物体将互不干扰地显现。

全息器件全息显微镜(用短脉冲激光在一张底片上记录粒子的运动。再现粒 子的运动状态及瞬时分布)

……

实验目的和要求

全息照相

了解全息照相的基本原理 (反射式和透射式全息照相的技术和方法) 学习用二次曝光法测定铝板的杨氏模量 学习光路调整的基本方法和技能 了解有关照相的一些基础知识

实验原理全息照相

全息照相

反射式全息再现时眼睛接受的 是白光在底片上的 反射光;物光和参 考光在记录介质的 异侧

透射式全息再现时观察研究的 是全息图透射光的 成像;物光和参考 光位于记录介质 (干板)的同侧

实验原理1—反射式全息反射式全息

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。 激光光束经扩束镜L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，乳胶感光材料的透过率为30%~50%, 物体的反射率较高，光束比能满足全息图的记录条件。

实验原理2—两次曝光法测定金属板的杨氏模量 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 过加力装臵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臵，即 可计算出其杨氏模量。

全息照相

实验原理2—两次曝光法测定金属板的杨氏模量

全息照相

反射式全息测法杨氏模量：Y方向的位移量为

dy

Fy x 2 6 EJ

3L x

L为梁的长度，E 为材料的杨氏模量，J=bh³ 12为梁 /的横截面的惯性矩，x为待测点的坐标位臵。

实验原理2—两次曝光法测定金属板的杨氏模量

全息照相

位移量的计算A点与A’点发出的光 波的光程差为dy k cos cos

dy cos cos 由干涉原理,亮纹处的位移量为

k dy cos cos

实验原理2—两次曝光法测定金属板的杨氏模量 综上所述：Y方向的位移量为dy Fy x 2 6 EJ

全息照相

3L x

亮纹处位移量为k ∴ 6 EJ (3L x) cos cos Fy x 2式中， J=bh³ /12。

k dy cos cos E Fy x 2 3L x 6 Jk

cos cos

α和β都近似为零，只要测出铝板的长度L、宽度b、厚 度h和悬臂梁自由端所加的力Fy,读出某一级亮纹或者暗

纹所在处的沿梁X轴方向的位臵x,即可得出其杨氏模量。

K的确定

全息照相

m为砝码重量=15.5gx为亮条纹到底座距离 L为铝板长度=70.1mm b为铝板宽度=40.5mm h为铝板厚度=1.7mm

632.8nm

E

2 Fy x 2 3L x k bh3

4mgx2 3L x cos cos k bh3

实验原理3—透射式全息 透射式全息

全息照相

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。

实验仪器

全息照相

35mW氦氖激光器及电源一套；分束镜一 块；平面镜三块；被摄物；砝码加载器及 待测铝板一个；载物台一个；底板架一个； 扩束镜两块；透镜一块；白屏一块；纯净 水；浓度分别为40%、60%、80%、100%的 异丙醇溶液；竹夹一个，RSP-Ⅰ型红敏光 致聚合物全息干板。

实验内容

全息照相

反射式全息 照相

测定铝板杨 氏模量

透射式全息 照相

1. 反射式全息照相

全息照相

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10~20s; 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。

2.两次曝光法测定铝板的杨氏模量

全息照相

⑴按图布臵好光路，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10s; 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15s, 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。

3. 透射式全息照相

全息照相

⑴按实验光路图布臵各元件并调好光路，注意应使到达全息干板的物光和参 考光的光程差为零，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4:1-10:1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80-100s,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，便可在原物位臵上显现出与原物同等大小的 三维立体像。

4.冲洗底版

全息照相

a. 将曝光后的感光板用竹夹夹住，放在纯净水 中浸泡10s取出，滤尽水。 b. 将感光板依次放入40%、60%、80%浓度的 异丙醇溶液中各脱水10~15s后取出。每次进 入相邻溶液时，都需要将干板上的溶液滤尽。 c. 将感光板放入100%浓度的异丙醇中脱水，直 至感光板呈现红色或黄绿色为止。 d. 将干板迅速用吹风机吹干。

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