全息拍照實驗方法闡述.doc全息拍照實驗方法闡述王俊(，10級機械工程及手動化(2)班)摘要:該文在全面理解全息拍照“干涉記錄,衍射重現”原理的基礎上,剖析了影響激光全息拍照實驗的諸誘因,并對這種誘因進行了深入的闡述,對提升全息圖質量,提出了具體的解決方式。關鍵詞: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(反映物體上各點發出的光的強弱,決定像的硬度),位相(反映物體上各點在空間的相對位置,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,它所根據的基本原理一般概括為“干涉記錄,衍射重現”。全息攝影技術的應用非常廣泛,目前,已應用于精密檢測、無損探傷、空氣動熱學、高速攝影、全息顯微術、信息處理和信息存儲等許多領域。1.全息拍照闡述由光的波動理論曉得,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。一個實際物體發射或反射的光波比較復雜,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、振幅和相位來區別物體的顏色(頻度)、明暗(振幅平方)、形狀和遠近(相位)。普通拍照是通過成像系統(拍照機鏡頭)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分布有關,由于光強與振幅平方成反比,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,所以全息拍照技術所記錄的并不是普通幾何光學方式產生的物體像,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下來,,把物因此重現的物像是一個逼真的三維立體像。全息拍照包括2個過程,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,使其重現原始物體的光波,稱為重現過程。全息拍照的基本原理是以波的干涉為基礎,所以除光波外,對其他的波動過程,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將發生干涉，底片記錄的即是各干涉白色疊加后的圖象。關于硬度:似乎參考光各處的硬度是一樣的，但因為物體表面的反射率不同，所以物光的硬度各處不同。為此，參考光和物光疊加干涉時產生的干涉白色各處濃淡也就不同。
關于相位。如圖(2)。設O為物體上某一發光點(圖(1)圖(2)3.影響全息拍照實驗成功的誘因3.1系統穩定性對實驗結果的影響因為全息圖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,在爆光過程中,極小的震動和位移就會導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光路對實驗結果的影響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d=λ/2sinθ/2,而干板碼率η與d有關=d=2sin((θ/2)/λ)?？梢钥闯?θ角愈大,所記錄的干涉白色就越細,對干板的傾角θ不能太大。而傾角θ對全息圖再現象時的觀察窗(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物光與參光度比對實驗療效的影響由實驗原理可剖析出,得到滿意的實驗療效涉及許多誘因,例如實驗系統要有高抗振性、物光與參考光光路差要小、干板質量要高等。
其中,覺得物光與參考光硬度比列控制得當是影響實驗成功率及療效的關鍵誘因。對底片記錄物像信息的過程作以下剖析。將座標軸取在全息像片(即圖1中的H)上,取其中心為座標原點O,構建XYZ空間直角座標系。XOY面與全息像片重合,Z軸與其垂直。設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、四項為物光與參考光之間的相干。它把物光的位相信息轉化成不同光強的干涉白色記錄在干涉場中的拍照底片上,儲存了物像信息。由此可見,物光和參考光的光強是決定實驗療效最直接的化學量,而其比列也至關重要。
對于通常的雙光束干涉而言,兩束光光強相等時,干涉白色對比度最強。而對全息拍照的記錄介質來說,爆光量和振幅透過率的特點曲線是非線性的,在曲線兩端發生畸變,形成較高階的衍射光,干涉效率增加。另一方面,當物光比參考光過強時,花斑比較明顯,形成較大量的暈輪先圍繞零級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比對于全息拍照的質量影響極大。經驗表明,物光與參考光光強比在4:1至5:1之間時,實驗療效最好。往年實驗中,中學生僅僅以肉眼簡略判定兩光光強,無法精確控制物光與參考光的光強比。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,就會導致實驗的失敗。3.3爆光與定影對實驗結果的影響3.3.1爆光時間的影響假如爆光時間太緊,底板上白色太淺甚至沒有,復雜的衍射光柵未能產生,其實也就難以重現像。若爆光時間太長,底板可能太黑,光線的透過率增加。另外,爆光時間越長,保持系統穩定性越難,爆光時間內忽然的躁聲和震動會使拍攝失敗。3.3.2定影時間的影響定影的程度是否適當對全息圖質量影響很大。
若定影時間太長,全息干板發黑,光線的透射率增加,未能重現像;而定影時間太緊,干板上白色不能出現,未能產生復雜的衍射光柵,甚至是一塊透明玻璃片,也未能重現像。4.提升激光全息拍照實驗成功率的具體做法4.1保證拍攝系統的穩定對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,必須保證拍攝系統的聯通不得超過干涉白色寬度的1/4。我們實驗室用的是GSZ2?型光學實驗平臺,全息臺上的所有光學元件都用磁性材料牢靠地吸在工作臺厚板上。將各光學器件夾持穩定,將被照物體粘牢在載物臺上或夾緊在架上,將爆光定時器離開全息臺放置。因為氣流通過光路,聲波干擾以及氣溫變化就會導致周圍空氣密度的變化,因而,在打算拍攝前必須遠離全息臺,保持安靜,靜止2min以上再啟動爆光定時器,而且在爆光期間不能講話、走動和發出任何響聲,保證環境穩定,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位置上,調整各器件,使各光束都與臺面平行且與各器件中心重合,開始時不要加擴束鏡。
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,本實驗中選擇參考光和物光的傾角取20,30?為宜。4.2.4調節光強比由上所述可知,要達到較好的療效,應使參考光提高,以避免非線性區,降低花斑效應。但雖然用一束強光做物光,物光照到物體上經物體吸收后再反射到干板上的光已比參考光弱得多了,對于我們功率只有5MW的激光器,參考光和物光的光強比太大,會導致對比度差、象不清楚,所以又必須使物光提高。多次實驗研究表明:被攝物假如是陶器,應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一些(可達10cm)。裝入擴束鏡后,調節物體方位,使物體漫反射光的最強部份均勻地落在全息干板上,參考光應均勻照明并覆蓋整個全息干板,兩光光強比為3?1,5?1較為合適。4.3拍攝全息圖及重現觀察4.3.1拍攝底片關掉室外所有光源,在全暗條件下學會判定全息干板藥膜面的方式,即用雙手指同時摸全息干板兩面,較澀的一面為藥膜面,光滑的一面為玻璃面。
取下死機,將全息干板藥膜面面向被攝物體固定在干板架上。4.3.2設置爆光時間爆光時間的長短與光源的功率有關,對于功率較大的光源,爆光時間可適當短些,若光源功率小,則爆光時間可適當長些。通常文獻上要求爆光時間為3,4min,實際上,爆光時間長很難保證拍攝過程中周圍環境絕對安靜,對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的?型全息干板來說,爆光時間選擇在30s左右就可以了,但也要看被攝物體的反光程度,對于反光較強的物體,爆光時間可適當減短,反之,則適當長。4.3.3設置定影時間選擇定影時間應與爆光量、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,定影時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,定影時間應視實際情況而定(但不要超過3min)。應將干板置于定影液中并輕輕攪亂液體,幾秒鐘后將干板對著暗綠燈觀察,聽到微黑時即可用清水沖洗,沖洗干凈裝入顯影液中2,4min,顯影過程中也應不斷攪亂顯影液,然后倒入清水中沖洗5,15min,再進行干燥。
另外,配置好的藥水應置于白色玻璃瓶中避光保存,中學生操作時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,可裝入漂白液中進行刻蝕處理,刻蝕處理可在白光下進行,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,重現時也可用強光照射全息圖,以降低其照度。參考文獻():[1]陳國杰，謝嘉寧(化學實驗教程[M](北京:湖南科學技術出版社全息照相實驗視頻全息照相實驗視頻，2004[2]高金光(對提升激光全息相片質量的研究[J](德州大學學報，2003[3]金保森,盧智先.材料熱學實驗[M].上海:機械工業出版社,2003.[4]王育平,邊力.材料熱學實驗[M].上海:上海民航航天學院出版社,2004.[5]劉鴻文,呂榮坤.材料熱學實驗[M].3版.上海:高等教育出版社,2006.[6]劉鴻文.材料熱學(下冊)[M].3版.上海:高等教育出版社,1992.[7]孫訓方,方孝淑.材料熱學(上冊)[M].3版.上海:高等教育出版社,1994.