全息拍照實(shí)驗(yàn)方法闡述.doc全息拍照實(shí)驗(yàn)方法闡述王俊(，10級(jí)機(jī)械工程及手動(dòng)化(2)班)摘要:該文在全面理解全息拍照“干涉記錄,衍射重現(xiàn)”原理的基礎(chǔ)上,剖析了影響激光全息拍照實(shí)驗(yàn)的諸誘因,并對(duì)這種誘因進(jìn)行了深入的闡述,對(duì)提升全息圖質(zhì)量,提出了具體的解決方式。關(guān)鍵詞:激光全息拍照;全息圖;干涉;衍射;光程差skill(,and(2)class):Thiswascompthe“the,the”intheple,laser,andonthedeeptothesetoimprovethe,andpthe.Keywords:laser;;;;lightpath光是一種電磁波,它的全部信息包含:振幅(反映物體上各點(diǎn)發(fā)出的光的強(qiáng)弱,決定像的硬度),位相(反映物體上各點(diǎn)在空間的相對(duì)位置,決定像的形狀)和頻度(反映光的顏色)。
普通拍照只記錄了振幅,得到的是二維平面像,而全息拍照在記錄振幅信息的同時(shí)還記錄了位相信息,即記錄了光波的全部信息。因此這些拍照稱為全息拍照。全息拍照得到的是三維空間的立體像,它所根據(jù)的基本原理一般概括為“干涉記錄,衍射重現(xiàn)”。全息攝影技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛,目前,已應(yīng)用于精密檢測、無損探傷、空氣動(dòng)熱學(xué)、高速攝影、全息顯微術(shù)、信息處理和信息存儲(chǔ)等許多領(lǐng)域。1.全息拍照闡述由光的波動(dòng)理論曉得,光波是電磁波。一列單色波可表示為x=A(cosωt+φ—2πr/λ)--(1)式(1)中A為振幅,ω為圓頻度,λ為波長,φ為波源的初相位。一個(gè)實(shí)際物體發(fā)射或反射的光波比較復(fù)雜,并且通常可以看成是由許多不同頻度的單色光波的疊加。光在傳播過程中,利用于它們的頻度、振幅和相位來區(qū)別物體的顏色(頻度)、明暗(振幅平方)、形狀和遠(yuǎn)近(相位)。普通拍照是通過成像系統(tǒng)(拍照機(jī)鏡頭)使物體成像在感光材料上,材料上的感光硬度與物體表面光強(qiáng)分布有關(guān),由于光強(qiáng)與振幅平方成反比,所以它只記錄了光波的振幅信息,未能記錄物體光波的相位差異。因而普通拍照記錄的只能是物體的一個(gè)二維平面像,缺少立體感。
全息拍照是通過光波的干涉原理作記錄,它除了記錄了物體發(fā)出或反射的光波的振幅信息,并且把光波的相位信息也記錄出來,所以全息拍照技術(shù)所記錄的并不是普通幾何光學(xué)方式產(chǎn)生的物體像,而是物光光波本身。它記錄了光波的全部信息,而且在一定條件下,能將所記錄的全部信息完全重現(xiàn)下來,,把物因此重現(xiàn)的物像是一個(gè)逼真的三維立體像。全息拍照包括2個(gè)過程,第一體光波的全部信息記錄在感光材料上,稱為記錄(拍攝)過程;第二,照明已被記錄下全部信息的感光材料,使其重現(xiàn)原始物體的光波,稱為重現(xiàn)過程。全息拍照的基本原理是以波的干涉為基礎(chǔ),所以除光波外,對(duì)其他的波動(dòng)過程,如聲波、超聲波等也都適用。2.全息照向的拍攝原理拍攝全息相片的基本光路大致如圖(1)一激光光源(波長為λ)的光分成兩部份:直接照射到底片上的叫參考光;另一部份經(jīng)物體表面散射的光也照射到拍照底片，稱為物光。參考光和物光在底片上各處相遇時(shí)將發(fā)生干涉，底片記錄的即是各干涉白色疊加后的圖象。關(guān)于硬度:似乎參考光各處的硬度是一樣的，但因?yàn)槲矬w表面的反射率不同，所以物光的硬度各處不同。為此，參考光和物光疊加干涉時(shí)產(chǎn)生的干涉白色各處濃淡也就不同。
關(guān)于相位。如圖(2)。設(shè)O為物體上某一發(fā)光點(diǎn)(圖(1)圖(2)3.影響全息拍照實(shí)驗(yàn)成功的誘因3.1系統(tǒng)穩(wěn)定性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響因?yàn)槿D上所記錄的是參考光和物光的干涉白色,而這種白色特別細(xì),在爆光過程中,極小的震動(dòng)和位移就會(huì)導(dǎo)致干涉白色的模糊不清,甚至使干涉白色完全不能記錄出來。3.2光路對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響3.2.1參考光和物光的光程差的影響。參考光和物光的光程差不能太大,不能小于所用激光的相干寬度,否則二者不能相干,未能在全息干板上獲得干涉白色。3.2.2參考光和物光的傾角的影響。如果全息干板上干涉白色的寬度為d,光源波長為λ。按照干涉原理,d與參η考光和物光之間的傾角θ有關(guān)d=λ/2sinθ/2,而干板碼率η與d有關(guān)=d=2sin((θ/2)/λ)。可以看出,θ角愈大,所記錄的干涉白色就越細(xì),對(duì)干板的傾角θ不能太大。而傾角θ對(duì)全息圖再現(xiàn)象時(shí)的觀察窗(視角)碼率要求越高,故有影響,傾角大,可在較大范圍內(nèi)從不同角度觀察物象,反之,觀察窗則小,因而傾角θ也不能太小。3.2.3物光與參光度比對(duì)實(shí)驗(yàn)療效的影響由實(shí)驗(yàn)原理可剖析出,得到滿意的實(shí)驗(yàn)療效涉及許多誘因,例如實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要有高抗振性、物光與參考光光路差要小、干板質(zhì)量要高等。
其中,覺得物光與參考光硬度比列控制得當(dāng)是影響實(shí)驗(yàn)成功率及療效的關(guān)鍵誘因。對(duì)底片記錄物像信息的過程作以下剖析。將座標(biāo)軸取在全息像片(即圖1中的H)上,取其中心為座標(biāo)原點(diǎn)O,構(gòu)建XYZ空間直角座標(biāo)系。XOY面與全息像片重合,Z軸與其垂直。設(shè)物光和參考光在全振幅分別為: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)是物光和參考的相位分布,O0(x,y)和R0(x,y)為物光和參考光的振幅分布。依據(jù)疊加原理,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、四項(xiàng)為物光與參考光之間的相干。它把物光的位相信息轉(zhuǎn)化成不同光強(qiáng)的干涉白色記錄在干涉場中的拍照底片上,儲(chǔ)存了物像信息。由此可見,物光和參考光的光強(qiáng)是決定實(shí)驗(yàn)療效最直接的化學(xué)量,而其比列也至關(guān)重要。
對(duì)于通常的雙光束干涉而言,兩束光光強(qiáng)相等時(shí),干涉白色對(duì)比度最強(qiáng)。而對(duì)全息拍照的記錄介質(zhì)來說,爆光量和振幅透過率的特點(diǎn)曲線是非線性的,在曲線兩端發(fā)生畸變,形成較高階的衍射光,干涉效率增加。另一方面,當(dāng)物光比參考光過強(qiáng)時(shí),花斑比較明顯,形成較大量的暈輪先圍繞零級(jí)衍射光減少了成像的光通量,使得效率增加。因而物光與參考光光強(qiáng)比對(duì)于全息拍照的質(zhì)量影響極大。經(jīng)驗(yàn)表明,物光與參考光光強(qiáng)比在4:1至5:1之間時(shí),實(shí)驗(yàn)療效最好。往年實(shí)驗(yàn)中,中學(xué)生僅僅以肉眼簡略判定兩光光強(qiáng),無法精確控制物光與參考光的光強(qiáng)比。為了解決這一困局,筆者提出了一種亮度檢測方案。3.2.4全息干板的影響全息干板固定不牢或夾持位置誤差大,以及把有藥面的一面與玻璃面放反,就會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的失敗。3.3爆光與定影對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響3.3.1爆光時(shí)間的影響假如爆光時(shí)間太緊,底板上白色太淺甚至沒有,復(fù)雜的衍射光柵未能產(chǎn)生,其實(shí)也就難以重現(xiàn)像。若爆光時(shí)間太長,底板可能太黑,光線的透過率增加。另外,爆光時(shí)間越長,保持系統(tǒng)穩(wěn)定性越難,爆光時(shí)間內(nèi)忽然的躁聲和震動(dòng)會(huì)使拍攝失敗。3.3.2定影時(shí)間的影響定影的程度是否適當(dāng)對(duì)全息圖質(zhì)量影響很大。
若定影時(shí)間太長,全息干板發(fā)黑,光線的透射率增加,未能重現(xiàn)像;而定影時(shí)間太緊,干板上白色不能出現(xiàn),未能產(chǎn)生復(fù)雜的衍射光柵,甚至是一塊透明玻璃片,也未能重現(xiàn)像。4.提升激光全息拍照實(shí)驗(yàn)成功率的具體做法4.1保證拍攝系統(tǒng)的穩(wěn)定對(duì)于我們所用的激光波長為632.18nm的HJ2?型氦氖激光器,在爆光過程中,必須保證拍攝系統(tǒng)的聯(lián)通不得超過干涉白色寬度的1/4。我們實(shí)驗(yàn)室用的是GSZ2?型光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),全息臺(tái)上的所有光學(xué)元件都用磁性材料牢靠地吸在工作臺(tái)厚板上。將各光學(xué)器件夾持穩(wěn)定,將被照物體粘牢在載物臺(tái)上或夾緊在架上,將爆光定時(shí)器離開全息臺(tái)放置。因?yàn)闅饬魍ㄟ^光路,聲波干擾以及氣溫變化就會(huì)導(dǎo)致周圍空氣密度的變化,因而,在打算拍攝前必須遠(yuǎn)離全息臺(tái),保持安靜,靜止2min以上再啟動(dòng)爆光定時(shí)器,而且在爆光期間不能講話、走動(dòng)和發(fā)出任何響聲,保證環(huán)境穩(wěn)定,爆光后再靜等20s以上,能夠取下干板,用黑紙包好。4.2安排和調(diào)整光路的具體做法4.2.1光路擺放按圖1所示光路將,各器件大致擺放到各自的相應(yīng)位置上,調(diào)整各器件,使各光束都與臺(tái)面平行且與各器件中心重合,開始時(shí)不要加擴(kuò)束鏡。
4.2.2檢測光程檢測物光與參考光的光程,從分束鏡開始,順著光束的前進(jìn)方向量至全息干板為止,按等光程按排光路為好,光程差不得小于1cm。4.2.3傾角選擇按照前面的剖析,本實(shí)驗(yàn)中選擇參考光和物光的傾角取20,30?為宜。4.2.4調(diào)節(jié)光強(qiáng)比由上所述可知,要達(dá)到較好的療效,應(yīng)使參考光提高,以避免非線性區(qū),降低花斑效應(yīng)。但雖然用一束強(qiáng)光做物光,物光照到物體上經(jīng)物體吸收后再反射到干板上的光已比參考光弱得多了,對(duì)于我們功率只有5MW的激光器,參考光和物光的光強(qiáng)比太大,會(huì)導(dǎo)致對(duì)比度差、象不清楚,所以又必須使物光提高。多次實(shí)驗(yàn)研究表明:被攝物假如是陶器,應(yīng)與全息干板距離較近(3,5cm),若拍攝硬幣可與全息干板距離遠(yuǎn)一些(可達(dá)10cm)。裝入擴(kuò)束鏡后,調(diào)節(jié)物體方位,使物體漫反射光的最強(qiáng)部份均勻地落在全息干板上,參考光應(yīng)均勻照明并覆蓋整個(gè)全息干板,兩光光強(qiáng)比為3?1,5?1較為合適。4.3拍攝全息圖及重現(xiàn)觀察4.3.1拍攝底片關(guān)掉室外所有光源,在全暗條件下學(xué)會(huì)判定全息干板藥膜面的方式,即用雙手指同時(shí)摸全息干板兩面,較澀的一面為藥膜面,光滑的一面為玻璃面。
取下死機(jī),將全息干板藥膜面面向被攝物體固定在干板架上。4.3.2設(shè)置爆光時(shí)間爆光時(shí)間的長短與光源的功率有關(guān),對(duì)于功率較大的光源,爆光時(shí)間可適當(dāng)短些,若光源功率小,則爆光時(shí)間可適當(dāng)長些。通常文獻(xiàn)上要求爆光時(shí)間為3,4min,實(shí)際上,爆光時(shí)間長很難保證拍攝過程中周圍環(huán)境絕對(duì)安靜,對(duì)于我們使用的功率為5MW的HJ2?型氦氖激光器和上海感光膠卷廠生產(chǎn)的?型全息干板來說,爆光時(shí)間選擇在30s左右就可以了,但也要看被攝物體的反光程度,對(duì)于反光較強(qiáng)的物體,爆光時(shí)間可適當(dāng)減短,反之,則適當(dāng)長。4.3.3設(shè)置定影時(shí)間選擇定影時(shí)間應(yīng)與爆光量、顯影液的含量及濕度等情況加以綜合考慮。在曝,其體溫在20??15?時(shí),定影時(shí)間通常十光量正常的情況下,用D219定影液幾秒即可,但在水溫較高、且新配的藥水的情況下,可能幾秒鐘干板就變黑,定影時(shí)間應(yīng)視實(shí)際情況而定(但不要超過3min)。應(yīng)將干板置于定影液中并輕輕攪亂液體,幾秒鐘后將干板對(duì)著暗綠燈觀察,聽到微黑時(shí)即可用清水沖洗,沖洗干凈裝入顯影液中2,4min,顯影過程中也應(yīng)不斷攪亂顯影液,然后倒入清水中沖洗5,15min,再進(jìn)行干燥。
另外,配置好的藥水應(yīng)置于白色玻璃瓶中避光保存,中學(xué)生操作時(shí)要防止將一種藥水帶入另一種藥水中。萬一定影或爆光過度,可裝入漂白液中進(jìn)行刻蝕處理,刻蝕處理可在白光下進(jìn)行,不停地掏出觀察,刻蝕程度適可而止,不可太過,否則全息圖消失。4.3.4重現(xiàn)觀察將處理好的全息底片置于圖2光路中觀察全息圖,重現(xiàn)時(shí)也可用強(qiáng)光照射全息圖,以降低其照度。參考文獻(xiàn)():[1]陳國杰，謝嘉寧(化學(xué)實(shí)驗(yàn)教程[M](北京:湖南科學(xué)技術(shù)出版社全息照相實(shí)驗(yàn)視頻全息照相實(shí)驗(yàn)視頻，2004[2]高金光(對(duì)提升激光全息相片質(zhì)量的研究[J](德州大學(xué)學(xué)報(bào)，2003[3]金保森,盧智先.材料熱學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].上海:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.[4]王育平,邊力.材料熱學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].上海:上海民航航天學(xué)院出版社,2004.[5]劉鴻文,呂榮坤.材料熱學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].3版.上海:高等教育出版社,2006.[6]劉鴻文.材料熱學(xué)(下冊)[M].3版.上海:高等教育出版社,1992.[7]孫訓(xùn)方,方孝淑.材料熱學(xué)(上冊)[M].3版.上海:高等教育出版社,1994.