物理与光电工程学院

光电信息技术实验报告

姓名：张皓景

学号：20111359069

班级：光信息科学与技术专业20##级2班

实验名称：全息照相实验

任课教师：裴世鑫

一、  实验目的

1．了解光学全息照相的基本原理及其主要特点。

2．学习全息照相的拍摄方法和实验技术。

3．了解全息照相再现物像的性质、观察方法。

二、  实验仪器

三、  实验装置示意图

图1 全息照相光路

四、  实验原理

全息照相是一种二步成像的照相技术。第一步采用相干光照明，利用干涉原理，把物体在感光材料（全息干版）处的光波波前纪录下来，称为全息图。第二步利用衍射原理，按一定条件用光照射全息图，原先被纪录的物体光波的波前，就会重新激活出来在全息图后继续传播，就像原物仍在原位发出的一样。需要注意的是我们看到的“物”并不是实际物体，而是与原物完全相同的一个三维像。

   1．全息照相的纪录——光的干涉

由光的波动理论知道，光波是电磁波。一列单色波可表示为：

                       （1）

式中，A 为振幅，ω 为圆频率，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，但是一般可以看成是由许多不同频率的单色光波的叠加：

                    （2）

因此，任何一定频率的光波都包含着振幅（A）和位相（ωt+φ-2πr/λ）两大信息。

全息照相的一种实验装置的光路如图（1）所示。激光器射出的激光束通过分光板分成两束，一束经透镜扩束后照射到被摄物体上，再经物体表面反射(或透射)后照射到感光底片(全息干版)上，这部分光叫物光。另一束经反射镜改变光路，再由透镜扩大后直接投射到全息干版上，这部分光称为参考光。由于激光是相干光，物光和参考光在全息底片上叠加，形成干涉条纹。因为从被摄物体上各点反射出来的物光，在振幅上和相位上都不相同，所以底片上各处的干涉条纹也不相同。强度不同使条纹明暗程度不同，相位不同使条纹的密度、形状不同。因此，被摄物体反射光中的全部信息都以不同明暗程度和不同疏密分布的干涉条纹形式记录下来，经显影、定影等处理后，就得到一张全息照片。这种全息照片和普通照片截然不同，一般在全息照片上只有通过高倍显微镜才能看到明暗程度不同、疏密程度不同的干涉条纹。由于干涉条纹密度很高，所以要求记录介质有较高的分辨率，通常达1000 条线／毫米以上，故不能用普通照相底片拍摄全息图。

2．全息照相的再现——光的衍射

由于全息照相在感光板上纪录的不是被摄物的直接形象，而是复杂的干涉条纹，因此全息照片实际上相当于一个衍射光栅，物象再现的过程实际是光的衍射现象。要看到被摄物体的像，必须用一束同参考光的波长和传播方向完全相同的光束照射全息照片，这束光叫再现光。这样在原先拍摄时放置物体的方向上就能看到与原物形象完全一样的立体虚像。如图2 所示把拍摄好的全息底片放回原光路中，用参考光波照射全息片时，经过底片衍射后有三部分光波射出。

0 级衍射光——它是入射再现光波的衰减。

+1 级衍射光——它是发散光，将形成一个虚像。如果此光波被观察者的眼睛接收，就等于接收了原被摄物发出的光波，因而能看到原物体的再现像。

-1级衍射光——它是会聚光，将在与原物点对称的位置上形成物体的再现虚像的共轭实像。

图2

3．全息照相原理的数学描述

下面对全息照相原理作一简单的数学描述。设全息底片所在平面为xy 平面，物光在底片上的振动表达式为

                   （3）

参考光为

                    （4）

为方便起见，采用复数形式表示，写成

对于相干波的叠加，真正起作用的是振幅和相位，常用复振幅来表示，即省去时间相位因

子eiωt，剩下的部分既含振幅，又含随空间变化的相位，把它称为复振幅。于是，在底片

上任一点物光和参考光复振幅分别为

                                 （5）

                                  (6)

相干叠加后的合成光场为

                                （7）

干涉条纹的光强为

                                 (8)

式中为为H的共轭复数。为使关系式简洁，各量中的x，y 均省略。将上式展开得

经简化后上式可简写为

                              （9）

这正是干涉条纹光强的表达式。上式表明，光强I（x，y）包含了物光波的全部信息(振幅和相位)。采用适当的两光波强度比，感光底片经曝光并进行线性冲洗后，就得到一张全息照片。

假定用照明光R′（x，y）照射全息图，设再现光在全息图上的复振幅为

如把全息照片看作衍射屏，则透过全息照片后衍射波的复振幅为

                                        （10）

式中t（x，y）为全息照片的复振幅透射率，对于经线性处理的全息照片，复振幅透射率与

曝光时的光强成线性关系，即

                                          （11）

于是，透过全息照片后衍射波的复振幅

将I（x，y）值代入得

                                             (12)

式中第一项U0 除了系数（t0+βAo2+βAR2）外，与再现光相同，为零级衍射波，代表照明光的透射波，形成一个背景象，从物光重现的角度来看，可以不予考虑。

第二项U+1 为+1 级衍射波，当再现光和参考光完全相同时，即AR′=AR=AR，φR′=φR，

则+1 级衍射波在全息照片上的复振幅为

与原物光只差一个常数因子，实现了原物光的再现。观察者将在原物体所在位置上看到逼真的立体虚像，在不同的角度看到物体不同的侧面。

第三项U-1 为-1 级衍射波，当再现光是参考光时，则-1 级衍射波在全息照片上的复振幅为

与原物光的共轭波O﹡（x，y）除相差一个常数因子外，还多一个位相因子ei2φR，表示衍射波会聚于以全息照片为对称面的原物体的对称位置上，观察者将在此位置上看到一个实像，在实像中的那些细节与虚像是相反的。

4．全息照相的特点

⑴ 全息照相应用了光的干涉、衍射原理，记录了光波的全部信息，因此全息照片再现的被摄物形象是完全逼真的三维立体形象。

⑵ 全息照片可以分割。因为全息照片上每一点纪录的干涉图像是由物体所有点漫射来的光与参考光相干涉而成的，所以打碎的全息照片仍能再现出原被摄物的全部形象。

⑶ 一张全息照片可以多次曝光，不同景物可以采用不同角度入射的参考光束，也可以改变底片的角度拍摄多次，在全息照片的不同角度就会出现不同图像。再现时只要适当转动全息照片即可。

⑷ 全息照片没有正负之分，因此易于复制。复制照片再现出来的像仍然和原来照片的再现像一样。

⑸ 全息照片的再现像可放大或缩小。当用不同波长的激光照射全息照片时，由于拍摄时所用的激光波长不同，再现像就会放大或缩小。

5．全息照相的实验要求

⑴ 要有足够稳定的系统即全息实验台的防震性能要好。在全息照相时，物光和参考光相干涉形成的干涉条纹密度达每毫米近千条或更高，如果物光波和参考光波稍有抖动，就会造成干涉图样模糊不清。因此要求全息平台有很好的抗震性能，同时采取一些必要的减震措施，如在平台支座上加减振器、充气轮胎、沙箱等。对全息台上的光学元件需进行仔细检查，看是否牢固。在曝光过程中身体任何部位都不要触及全息台，避免高声谈话，更不要在室内随意走动、开关门、窗等，以确保干涉条纹无漂移。

⑵ 要有好的相干光源。一般采用He-Ne 激光器作为光源，同时要求物光波和参考光波的光程尽量相等，光程差尽量小，以保证物光波和参考光波具有良好的相干性。

⑶ 物光和参考光的光强比要合适。一般选择Io/ IR=1/4～1/10 为宜；两者间的夹角30°左右，不宜超过40°，因为夹角越大，干涉条纹间距越小，条纹越密，对全息底片分辨率的要求也越高。

五、  实验步骤

1．全息照相光路调整

按图 1 所示光路安排各光学元件，并作如下调整：①使各元件基本等高；②在底片架上夹一块白屏，使参考光均匀照在白屏上、入射光均匀照亮被摄物体，且其漫反射光能照射到白屏上，调节两束光夹角约为30°；③使物光和参考光的光程大致相等，可分别挡住物光和参考光调节其光强比约 1∶4～1∶10，两光束有足够大的重叠区；④所有光学元件必须通过磁钢与平台保持稳定。

2．全息照片的记录

拿下白屏，关掉激光器(或在输出镜前用一挡光板挡住光束)，在底片夹上装夹全息干版，注意使底片的药膜面对着物光和参考光，稍等片刻(约1～2 min)，待系统稳定后，根据实验室提供的参考曝光时间，打开激光器(或移开挡光板)进行曝光。然后关闭激光器，取下底片待处理(注意切勿再使底片曝光)。

3．照相底片的冲洗

取下曝光后的底片，用清水打湿，放入显影液一分钟左右，取出在暗绿灯下观察，发现有显影时，用清水冲洗，再放入定影液中，定影5～15 分钟，取出用流水冲洗3～5 分钟，使多余的银粒冲去。再用电吹风吹干，在白炽灯下观察是否有彩带，如有彩带说明拍摄成功。

4．全息照片的再现观察

用经扩束后的激光沿原参考光入射方向照明全息图，透过底片并朝着放置原物位置方向进行观察，可看到一个清晰、立体的原物虚像。这就是理想的漫反射全息拍照图像。

注意事项

1．为保证全息照片的质量，各光学元件应保持清洁。若光学元件表面被污染或有灰尘，应按实验室规定方法处理，切忌用手、手帕或纸片等擦拭；

    2．不要用眼睛直接对准激光束观察，手切勿触摸激光管的高压端。

3．曝光时，要避免室内震动和空气流动。

4．全息底片是玻璃片基，注意轻拿轻放，防止破碎。

六、  结果与讨论

实验71 全息照相实验71 全息照相实验 全息照相实验

一、实验目的

1）通过实验加深理解全息照相的基本原理以及实验方法；

2）掌握全息照片的制作方法；

3）正确观察全息虚像和实像，领会并总结全息照相的特点及其与普通照相的本质区别；

3）通过光路布置过程，熟悉和掌握各种光学元件的特性及其使用方法。

二、实验仪器

氦—氖激光器、定时器、扩束透镜、分束镜、反射镜、白屏、干板、磁性表座、相片冲洗液、烧杯、量筒

三、实验原理

全息照相是以光的干涉和衍射理论为基础的波前记录和再现技术。普通照相可以对物体的光强进行记录和保存，小至显微镜下的图像，大至星体的图像，它已在人类生活和科学研究等方面获得了广泛的应用，并且正在不断地提高和发展。19xx年英国科学家盖伯在提高电子显微镜的分辨率研究中提出了“光学成像的一种新的两步方法”为全息照相的发展奠定了理论基础。由于当时没有一种良好的相干光源因而进展缓慢。直到19xx年以后激光的出现为全息照相提供了相干性良好的光源才获得了迅速发展。19xx年美国科学家利思用激光作光源并引入离轴参考光束的方法拍摄了第一张具有实用价值的全息图，此后，全息照相技术得到了迅猛的发展。除激光全息外，还发展了超声全息、微波全息、红外全息等，并在军事、科研、生产、艺术记录等方面得到广泛应用。

（一）全息照相的原理

全息照相是和普通照相具有本质区别的一种显示物体三维图像的照相技术，它具有真正的视差和大景深，因此有真正的立体感。

普通照相是把从物体表面发出或反射的光经透镜会聚成像，用感光胶片把像记录下来。由于现有的光记录介质的响应时间比光波振动的周期长得多，因此都只能记录光强——光波振幅的平方，而不能直接记录光波的位相，所以它不能得到三维的图像。

全息照相不仅记录了物体光波的振幅，同时也记录了它的位相，这种方法能把物体光波波前的全部信息都记录下来，所以称为“全息照相”，也称为波前记录。利用光的衍射原理可把物体光波还原再现出来。

全息照相不仅要记录物体光波的振幅，而且还要记录位相，而记录介质只对光的强度（振幅的平方）敏感，因此必须把位相也转换成振幅信息并把它记录下来。光的干涉效应——两列相干光波叠加而产生明暗相间的干涉条纹（干涉图案），不但与这些相干光的振幅有关，而且与相位有关。为了产生干涉效应，记录位相，可用另一束称之为参考光的相干光和物体光波相干涉来完成。现在通常采用的记录和再现光路大都是利思所提出的“离轴型”全息图光路，即物光束和参考光束由明显不同的方向到达记录介

1

质。这种全息图记录的典型光路如图71-1所

示

图71-71-1全息照相光路示意图 全息照相光路示意图

从激光器发出的光经分束镜分成两束，其中反射的一束到达反射镜M2，然后经扩束镜扩束后照射全息底片（此即参考光束），另一束透射光到反射镜M1，经扩束镜扩束照到物体，再由物体漫反射到全息底片形成物光束。物光束和参考光束在全息底片上迭加，产生干涉并出现各种明暗不同的条纹、圆环、斑点等干涉图案，并由胶片上感光乳剂记录下来，经显、定影后成为一张全息照片（全息图）。全息图上的干涉条纹形状反映物光和参考光的位相关系，而其明暗对比则反映物光的强度

。

图71-71-2 全息照片的部分放大图2 全息照片的部分放大图 全息照片的部分放大图

由图71-1中可知，全息照相的记录过程和普通照相不同，它可以不要透镜，因此也称无透镜成像，而记录过程实质上是一个光波干涉的过程。

用数学公式可以表达如下：

假设X0Y为全息照相干版平面，Z轴垂直于平面，物光和参考光在该平面上分别表示为

O(x,y)=O0(x,y)ei?0(x,y)

两列光波在底片平面上干涉后的合振幅A及光强I为 (x,y)=R0(x,y)ei?(x,y) （1） R

2

A=O+R

******?? I=O+R?O+R?=OO+RR+OR+OR ??

)

=O0+R0+O0R0e=O0

2

2

22

i(?0??R)

+O0R0e?i(?0??R)

+R0+2O0R0cos(?0??R) （2）

上式是全息照相记录的基本公式。

当把感光后的全息照片显、定影处理后，用激光照射，有一个振幅透过率T，即透射光复振幅和入射光复振幅之比，在线性记录时，振幅透过率T和曝光时光强成正比，即：

T=βI

当用再现光波照射全洗照片时，

图71-71-3 全息图的再现3 全息图的再现 全息图的再现

设照射光波为

C=C0(x,y)ei?C(x,y)

则透过光波

=T=βO0+R0+βOR?+βOR

其中β是一常数，为了简单起见，常把它略去放在C0中，这样

(

22

)

A=O0+R0C0ei?C+C0R0O0ei(?C+?0??R)+C0R0O0ei(?C??0+?R) （3）

2

2

()

这就是全息图的再现，也称波前再现的公式，这说明参考光经全息图（光栅）衍射后产生三个光波：式中第一项代表的是R的直接透射部分，沿原来方向传播，即光栅的零级衍射；第二项是正比于物光波O(x,y)，是波前发散形成的物体的虚象，相当于光栅的+1级衍射象，代表原始像，正是这一光波形成了与物体完全逼真的三维立体象；第三项正比于O(x,y)的共轭波阵面，是会聚的波阵面，它表示在虚象的相反的一侧形成一个实象，是光栅衍射的-1级衍射象，代表共轭像，这个象如果全息图记录不是在非常严格的条件下完成，一般会发生畸变，且衍射效率差，不容易观察得到。

为了使全息图上干涉条纹稳定，拍摄时必须具备下列条件：

3

1）参考光束与物光束必须具有“相干性”，即两束波之间有稳定的位相关系，所以实验中两束波是从同一激光束分光而获得，为了获得好的相干性，实验中尽量使两束光的光程相等。

2）光学系统必须有足够的机械稳定性，由于全息底片上记录的是精细的干涉条纹，如果在记录过程中

因受各种干扰（地面震动、光学零件支架的自震和变形及空气的流动等）将引起干涉条纹的混乱和迭加，结果导致象的衍射亮度下降，甚至可能完全看不到物象。

3）记录介质要有足够的分辨率，对所使用的激光波长有足够的感光灵敏度。记录介质（感光乳胶）的

分辨本领通常以每毫米能记录明暗相间的条纹数为标准（即每毫米多少条明或暗条纹），这就要求恰当地选择物光束与参考光束之间的夹角θ，夹角越大，干涉条纹的间距越密，这就要求底片具有较高的分辨率，目前国产的超微粒全息底片的分辨本领可达3000条/毫米。

（二）全息照相特点

全息照相和普通照相有着不同的特点：

1）普通照相过程是以几何光学的规律为基础，通过透镜成象。全息照相是以波动光学的规律为基础，通过干涉的方法记录物光波前上各点的全部光信息，通过衍射的作用实现物光波前再现。

2）普通照相底片所记录的仅是物体各点的光强（或振幅），而全息照片所记录的是物体各点的全部光信息，包括振幅和相。

3）普通照相过程中物象之间是点点对应的关系，即一个物点对应象平面上的一个象点。而全息照相过程中物体与底片之间是点面对应的关系，即每个物点所发射的光的信息记录在整个底片上。反过来说，全息图中每一局部都包含了物体各点的光信息。

4）普通照相得到的只能是二维的平面图象，而全息图能完全再现原物的波前，因而能观察到一幅非常逼真的立体图象，具有真正的体视性。

5）普通照相的底片上只能有一张象。而在全息照相的底片上，只需适当改变参考光相对于全息底片的入射角，经过多次曝光，可作多重记录，即可在同一张全息底片上记录多个全息图，而且每一个图又可以不受其它图的干扰而单独地显现出来。

6）全息图可同时重现虚像和实像，尤其在参考光采用平行光照明的情况下，特别容易观察到。重现时，只需将全息底片做一次翻转即可。

7）全息图具有弥散性，即使一张打碎的透射全息图的碎片仍可通过激光照明重现所拍摄物体的完整的形象。

8）普通照相用普通光源就可以了。全息照相是干涉记录，它要求参考光和物光是彼此相干的，因此实验中需要使用相干性很高的激光。

（三）全息的应用

4

全息照相技术发展到现阶段，已发现它有大量的应用。例如利用全息照相可以获得三维立体图象的特性。目前已经进行了对全息显微术、全息电影、全息电视的实验研究，逐渐接近实用。此外可利用全息照片的干涉图样所揭示的微小光程差的变化来研究物体的形变、内部的应力分布等，在力学领域的研究中发展起来的全息干涉计量方法也已获得较大的成功。

利用全息照片可以把资料的信息存储在很小的范围内的特点实现了全息信息存储。把文字、图片或其它资料制成的透光片作为物，可以制成这样的全息底片，使得每张透光片对应着底片上1～2mm2面积的小全息图。使这些小全息图排列成规则的矩形阵列，利用声光或电光器件把一细束光按小全息图的地址偏转作为照明光，就得到原透光片的象。以上说明，全息信息存储可以有极大的存储密度，如果再作多重记录，则在一张全息照片上可以记录数千页透光片资料。除光学全息外，还发展了红外、微波、超声全息术。这些全息技术在军事侦察或监视上具有重要意义，如对可见光不透明的物体，往往对超声波“透明”，因而超声全息可用于水下侦察和监视，也可用于医疗透视以及工业无损探伤等。

四、实验内容

（一）全息照相光路调节

1、按图71-1的光路摆放好磁性表座和相应的光学元器件，在干板位置上先放置毛玻璃。

2、连接激光器和定时器，打开定时器电源，状态开光置于常开状态。激光输出。

3、取下两个扩束镜，调整分束镜和反射镜的位置和角度，使分束后的两束激光经反射镜后，分别落在被照物和毛玻璃中心位置，并使从被照物上漫反射回的光尽量照射到干板上，

4、测量两束光的光程，调整光路，尽量使光程相等。

5、放上扩束镜，调整扩束镜的位置，使扩束后的光斑分别照亮被照物和干板，且大小适当，不互相重叠。

6、挡住参考光束，观察毛玻璃上从被照物漫反射回的光的强度，尽量使漫反射光强一点。

7、将磁性表座上的开关全部置于“ON”位置。

8、在定时器上设定曝光时间，将状态开关置于定时状态，激光灭。取下毛玻璃，换上全息干板。

9、让光学平台稳定3-10分钟，按下定时器启动按钮，激光输出，干板曝光。

10、曝光完成后取下干板进行后续处理。

特别注意：特别注意：

（1） 拍摄全息照片是一项非常精细的工作，在进行第9步的操作过程中，应避免走动和触摸光学

实验平台。为避免操作定时器时引起的震动，定时器尽量不要放在光学平台上。实验室应尽量设在一层或地下室，并远离车辆通行的道路等震动原。

（2）物光与参考光两光束的夹角应控制在30°以内。

（3）从分束镜到记录平面应使参考光和物体中心部位物光的光程尽量相等，由于激光的相干长度

有限。

（4）物体与干版架的距离一般应控制在20cm以内，太大会导致物光较弱，不利于记录。

5

（二）调节曝光时间

应根据所用激光器的功率、被拍摄物面的反射率状况以及所用全息底片的灵敏度，确定适合的曝光时间，可能需要反复尝试。采用红敏光致聚合物干板，本实验可能需要60—120秒的曝光时间。

（三）显影及定影

对于红敏光致聚合物干板，曝光后的干版处理方法如下；

1、在蒸馏水内静置浸泡5秒钟。

2、在纯度为40%异丙醇中静置脱水10?20秒钟。

3、在纯度为60%异丙醇中静置脱水60?80秒钟。

4、在纯度为80%异丙醇中静置脱水15?20秒钟。

5、在纯度为100%异丙醇中脱水观察60?80秒钟。

6、取出后，迅速用吹风机热风快速吹干，直到出现清晰明亮的图像为止，此时就得到一张漫反射的三维全息图。

（四）全息图的再现

1、再现虚像的观察

（1）将拍摄好的全息照片放回原照相底片架，挡住物光束，移走被摄物体，用原参考光照明，像即呈现在原物所在位置上，拍摄下全息图再现像；

（2）并使眼睛左右、前后慢慢移动，观察像的变化。

（3）改变全息图到扩束透镜之间的距离，观察再现虚像的位置和大小的变化。

（4）用一张有小孔的纸片覆盖在全息照片乳胶面一侧，通过小孔观察像的变化，注意有无放大、缩小、缺陷或其它变化。

2、再现实像的观察

（1）将全息图绕垂直轴旋转180度，使乳胶面向着观察者，移去参考光路中的扩束镜，用未经扩束的激光束照射全息照片的玻璃基面，在观察者一侧用毛玻璃屏接收并观察再现像；

（2）分别改变入射光束的入射点及毛玻璃屏到全息照片的距离，观察并记录屏上所获得像的变化；

（3）找出像质最佳位置，即为实像位置，比较它与虚像位置之间的关系。

五、数据处理要求

1、记录物光和参考光光程大小；

2、记录曝光时间、显影和定影时间；

3、观察并记录再现虚像、实像等有关现象；

六、思考题

1、 全息照相与普通照相两者有何异同？

2、制作全息图时，需要注意些什么问题？

3、 拍摄全息照片时，为什么参考光的强度必须比物光大？

6

4、全息摄影为何要将激光束分为物光和参考光？为什么光程要基本相等？

5、将全息图挡去一部分，为何再现图像仍然完整无缺？这时再现图像中包含的信息是否减少了？如果全息片不小心打碎了，用其中一小块来实现图像再现，试问对再现图像会有什么影响？请说明理由。

7

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全息照相实验报告实验人宋易知20xx119xx009指导教师曹惠贤实验时间20xx1016一实验目的1了解光学全息照相的基本原理及其主要特点2学习全息照相的拍摄方法和实验技术3了解全息照相再现物像的性质观察方法...

实验55全息照相一实验分析全息照相物光波和参考光波相干涉产生的结果从干板的任何一个位置看去都可以看到完整的物体的像在做全息照相实验的过程中应该注意的是物光与参考光的光程差不能大于2cm参考光的光强应该是物光的3...

全息照相实验报告实验人白林鹭20xx119xx047实验时间20xx1012指导教师曹惠贤实验目的1了解光学全息照相的基本原理及其主要特点2学习全息照相的拍摄方法和实验技术3了解全息照相再现物像的性质观察方法实...

全息照相实验报告（42篇）