实验十八 激光全息照相

一.实验目的

1.初步了解全息照相技术的原理

2.掌握拍摄、冲洗全息照片的基本技术 3.掌握再现全息照片的方法

二.实验原理

光是一种电磁波，由表征它的方程y?Acos(?t??)可以知道，它具有振幅A和位相?t??两个信息。光波的记录和再现，就必须将光波的这两个信息，即振幅和位相完全的反映出来。全息照相合普通照相不同，它利用了光的波动性，不仅能够记录和再现光的强度（振幅的平方），而且还能记录和再现光的位相分布，所以观察全息照片时，看到被摄物是三维立体的，形象逼真。全息照片的摄制包括记录和再现两个过程。 1.全息照片的记录—光的干涉

根据光的干涉理论，干涉条纹的亮暗对比程度反映了参与干涉的两束光波的相对程度的差别。当一束光波的强度分布均匀，那么不同部位干涉条纹的亮暗对比程度就反映了另一束光波的强度分布。而干涉条纹的疏密程度则反映了参与干涉的两束光波相位上的差别。

为了形象地了解全息照相记录情形，我们以最简单的一个物点干涉为例说明（如图18-1所示）。图（a）中参考光波B是平面波，一个物点发出的光波是球波，所以参考光与物光在感光板上交叠形成复杂的同心圆环状干涉图样，我们称它为一个物点的全息图。感光板经过冲洗后，亮条纹形成不透光的圆环，暗条纹形成透光的圆环。而且离圆心越远，相邻透光间距越来越小，所以我们通常把一个物点形成全息图看作一组光学带片。波带环的圆心位于该物点至感光板的垂线垂足处。一个物体由无数个物点组成，所以一个物点的全息图是许多圆环状波带片的组合。在离圆心较远处的物光可看作平行光束，它与参考光的交角为?，，按干涉理论，那里产生的干涉条纹的间距将是d??/sin?（18-1）。

图18-1 一个物点的拍摄记录

推荐的显影液：D-19，显影时间：少于3分钟。定影液：F-5；定影时间：20分钟。 2.全息照片的再现—光的衍射

由于在全息照片上记录的不是被摄物的直接形象，而是复杂的干涉条纹簇，所以在观察时要采用特定的再现手段，利用光的衍射实现，光路图如图18-2所示。

图18-2 一个物点的再现

光栅衍射公式：dsin??K?(K?0,?1,?2?)（18-2）式中?是衍射角，K是衍射光级数，对于第一级衍射光有sin?1??/d，与（18-1）式比较得：???（18-3）。

此式说明经过光栅衍射的第一级光，它的方向与形成该处的干涉条纹的物光方向完全一致，进一步分析指出第一级衍射光波的位相也与物光的位相相同。

3.全息照片的特点

（1）全息照片再现出来的被摄物形象逼真，而且都是三维立体。

（2）全息照片具有可分割的特性，即使去全息照片的任意一小块，都能再现原物的完整形象。

（3）一张感光片可多次记录，重叠曝光，可使多个物体的全息图记录在一张全息照片中。

（4）全息照片所再现出的被摄物像亮度可以改变和调节。 （5）全息照片再现的景象范围很大。

（6）全息照片没有正片和负片之分，再现时，仍可获得与母片一样的再现形象。 （7）全息照片中记录的光学信息可以互换。

（8）全息照片中记录的物象，可以方便的放大和缩小。

三.实验步骤

1.检查全息防震台的方针和稳定性。

2.按图18-3的实验光路，安排并布置元件，拍摄所给静物的全息照片。

3.调节开关定时器，曝光时间30-60秒，关上光源使室内全黑，让激光光源的光开关K合上，把全息干板安装在H处的干板架上。

4.人员停止活动，静待1-2分钟，工作台稳定后，按动定时器开关，使干板曝光。

5.将已曝光的干板放在D-19显影液显影，随时在绿灯下观察，当感光片夹持处出现黑白界线即停止显影，把干板放在F-15定影液定影15分钟。把定影好的干板放入缓慢流动的清水中冲洗30分钟。

6.观察所摄得全息照片的再现物像。

（1）观察虚像：利用图18-4所示再现光路，将全息照片按拍摄时相同的方位，眼睛贴近全息照片，透过照片向拍摄时物体放置的方向观察，既可寻得再现虚物象。

（2）观察实像：将未经扩束的激光直接按拍摄时参考光的入射方向直接射向全息照片的背面，利用毛玻璃屏观察再现实像。

四.注意事项

1.绝对不能用眼睛直视未扩束的激光束，以免造成视网膜永久性损伤。 2.激光器及电源实验老师已经调好，不得调动。

3.拍摄时使用的光学元件应保持清洁，切勿自己擦拭。 4.在曝光时，切勿触及全息防震台，人员不许走动说话。

5.照相暗室中显影、水洗、定影等的条件和操作顺序应严格按照规定进行。

实验十九 迈克耳逊干涉仪的应用

一．实验目的：

1． 了解迈克尔逊干涉仪的结构、原理及调节方法；

2． 观察非定域干涉、等倾干涉条纹，测量氦氖激光的波长。

二．实验原理：

（一）．仪器的结构： 如图所示是迈克尔逊干涉仪结构略图。

M1与M2是两片精细磨光的平面反射镜，其中M1固定，M2可作微小移动。G1,G2是两块材料相同、厚薄均匀且相等的

平行玻璃片，它们与M1,M2倾斜成45角。 图19-1

分光板G1的后表面靠G2一方镀有半透明薄银层，使照在G1上的光线，一半反射，一半透射。

从光源S发出的光束，射到G1上，光束在半透膜上反射和透射分成振幅近乎相等的透射光1和反射光2。透射光1和反射光2分别近于垂直地入射于M1,M2。经M1,M2反射后又汇于分光板G1，最后两光束朝着E的方向射出。在E处，观察者可以看到干涉条纹。补偿板G2的作用是补偿光束1的光程，使光束1与光束2在玻璃中的光程相等。

当观察者从E处看G1镜时，除能看到M2外，还可看到M1在G1的半透膜表面所形成

0?。因为虚象M1?和实物M1相对于半透膜表面是对称的，所以虚象M1?应在M2的虚象M1?处反射的。从观察者看来，干涉仪观察面上附近。来自M1的反射光线1?可以看成是从M1?和M2之间的空气层所产生的干涉是等效的。因此，在考虑干涉条纹的的干涉现象与M1?和M2之间的相对位置及M1?和M2之间的空气层。正因M1?不是实形成时，只须考虑M1?和M2之间的前后距离和夹角。 物，我们可以任意改变M1

（二）干涉条纹的图样

在图1中，M1为平面镜M1被G1反射而来，从E处看，两束相干光如同从M2和M1涉一样，这里d为M2和M1的间隔。 1.定域干涉条纹

当使用扩展的面光源时，只能获得定域干涉。随着M2和M1之间相对位置的改变可分别得到等倾干涉和等厚干涉。

（1）等倾干涉的条纹 当M2和M1互相平行时，得到的是相当于平行平面板的等倾干涉条纹，其干涉图样定义为无穷远，如果在E处放一会聚透镜，并在其焦平面上放一屏，则在屏上可观察到一组组的同心圆。对于入射角i相同的各光束，如图19-2，其光程差均为

??反射而来的，于是在迈克尔逊干涉仪中产生的干涉如同厚度为d的空气平行平板产生的干

??? ??2dcosi? （19-1）

对于第K级亮条纹，显然由满足于下列的如射光反射而成的：

??2dcosi??K? （19-2）

在同心圆的圆心处i?0，干涉条纹的级数最高，此时满足下式： ??2d?K? （19-3）

当移动M2使间隔d增加时，圆心的级数越来越高，我们就可看到中心条纹一个一个向外“冒”出；反之，当d减小时，中心条纹将一个一个地“缩”进去。每当“冒出”或“缩进”一个条纹数。从公式（19-3）便可求出M2移动的距离d。另一方面，也可从迈克尔逊干涉仪测得M2移动的距离d及冒出的条纹数K而算出光源的单色光波长?。 测波长的方法如下，当M2和M1的空气层厚度为d??d时，相应地中心处变为K+N级明条纹，则

2(d??d)?(K?N)? （19-4） （4）—（3）得2?d?N?

即 ?d?N 波长： ????2 （19-5）

2?d （19-6） N

图19-2 图19-3

（2）等厚干涉的条纹

当M2和M1不平行而有一个很小的角度时，形成一个楔形空气层，就将出现等厚干涉条纹。如图3示，当d很小，且M2和M1相交是，由面光源上一点发出的光束经楔形空气薄层的反射，所产生的等厚干涉条纹定位于楔形空气层的表面。要看清楚这些条纹，眼睛必须聚焦在M2镜附近。由于在M2和M1交线处附近d很小，光程差?的变化主要决定于d的变化，cosi?项影响很小，可忽略不计。因此在空气楔上厚度相同的地方有相同的光程差，我们即可观察到平行的等厚干涉条纹。当d变大时。入射角i的变化对光程差带来的影响不能忽略，此时会引起干涉条纹的弯曲。当i变大时，cosi?减小，要保持相同的光程茶，d必然增加，所以看到的条纹两端弯向厚度增加的方向，而条纹向厚度减小的方向（即M2和M1的交线）凸出。 2.非定域干涉的条纹

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