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实验报告
学生：仇雨荷     学号： U202341722      院系：卓材23    批阅时间： 2025-5-10 19:58

批阅完成
最后得分：4.9分

实验目的和仪器

0.4分
【实验目的】
（1）了解全息照相的基本原理。
（2）掌握全息照相方法及底片冲洗方法。
（3）观察物像再现。
【实验仪器】
激光器、成套全息照相光具元件及隔震光学平台、白屏（用以接收光和观察干涉条纹图样）、硅光电池及电压表、全息干板、被照物体、显影液和定影液等。
得分：0.4 分

实验原理

1.5分
人的眼睛可以看到一个物体，是由于物体所发出的光波（自发光或反射光)携带着物体所包含的信息传播到眼睛，由眼睛在视网膜上成像所致。光信息包含光波的波长、振幅和相位，它们决定了所看见物体的颜色、亮暗、远近和形状。只要能够记录并再现该特定的光波，即是物体不存在，只要人眼看到再现的特定光波，就如同看到逼真的物体一样。因此，要想从照片上看到人的眼睛直接观察物体时获得的图像，就要解决记录和再现这一光波的问题。书中图5.7-1给出了普通照片与全息照片的差别。普通照相是通过照相机透镜把来自物体的光聚焦于底板上，底板经过曝光冲洗后，我们就得到了物体的负片，负片上各点的沉积银层透光性与物体上各点的光强―一对应，我们在底板上看到的是物体的负像。由于底板只是记录了物体上各点的光强分布，并没有记录反映物体之同相对位置、远近的相位信息，因而是所拍摄物体的二维平面像。全息照相记录的是整个物体发出的光波（即物体上各点发出的光波的叠加)。借助于参考光，全息照相术用干涉的方法记录了物光波的振幅和相位分布，即记录下物光波与参考光波相干后的全部信息。这些信息以干涉条纹花样的形式被记录，可以说，全息照片就是储存起来的被拍摄物体的干涉图样。所以，全息底片上显现的不是物体的影像，而是细密的干涉条纹，就好像是一个复杂的衍射光栅。若想看到物体的影像，必须对全息底片进行适当的再照明，重建原来的物光波，才能再现物体的三维立体像。
1.全息记录
全息照相的光路图如图5.7-2所示。用激光照射物体，物体因漫反射而发出物光波。波场每一点的振幅和相位都是空间坐标的函数。我们用О表示物体每一点发出的物光的复振幅与相位。用同一激光束经分束镜分出的另一部分光直接照射到底板上，这个光波称为参考光波，它的振幅和相位也是空间坐标的函数，其复振幅和相位用R表示，参考光通常为平面或球面波。这样在记录光信息的底板上的总光场是物光与参考光的叠加。叠加后的复振幅为O+R，从而底板上各点的光强分布为
I =(O+R)(0*+R* )
=00*+ RR*+OR " +0*R
=lo +IR +OR*+0*R (5.7-1)
式中,0*与R*分别是О和R的共轭量;lo= 00* ,IR =RR *分别为物光波和参考光波独立照射底板时的光强;(OR* +0"R)为干涉项。在底板上光强Ⅰ的分布就是物光波和参考光波干涉形成的干涉条纹，我们用感光底板将其记录下来。由于干涉条纹在底板上各点的强度取决于物光波和参考光波在各点的振幅和相位,因而底板上就保留了物光波的振幅和相位分布的信息。

2.物像再现
底板经过曝光冲洗以后，形成各处透光率不相同的全息照片，它相当于一个复杂的光栅。一般来说，光透过这样的全息照片时，振幅及相位都要发生变化。如果令
t=透过光的复振幅/入射光的复振幅 (5.7-2)
则复振幅透过率t一般为复数。但对于平面吸收型全息照片（这种底板各处透过率的不同仅仅是由于沉积的银层对光的不同吸收引起的)，t为实数。如果曝光及冲洗合适(线性处理),可使得
t =t0-KI (5.7-3)
式中,to为未曝光部分的透过率;to和K都是常数。
物像的再现是用光照射已经摄制好的全息照片并观察透过光，这个过程称为波前重现。通常，再照光与拍摄全息照片的参考光束R相同。因此，透过的光波如果用W表示,则
W= tR = toR- KIR ( 5.7-4)
由于to是实数,根据式(5.7-1),把I代入式(5.7-4）,得到
W =t0R -KR (I+I+OR* +0*R)
=[t-K( l0+IR)] R-KIRO - KRO*R (5.7-5)
式(5.7-5）右边每一项代表透过全息照片的一个衍射波。第一项与参考波R成正比，因而是按一定比例重建的参考波,或者说是直接透过的再照光，相当于零级衍射波。第二项与原来的物光成正比，是按一定比例重建的物光波，相当于一级衍射波，且是发散光。这个光波按惠更斯原理继续传播，与原来物体在原来位置发出的光波相同,仅仅是振幅按一定比例改变,相位改变180°。因此，全息照片后面的观察者对着这个光波方向观察时，可以看到原来物体的三维立体像（虚像)，如图5.7-3所示，就好像是通过一个窗口观察原来的物体一样,而且改变方向，可以看到物体各部分之间相对位置的变化（视差)。第三项与物光波
的共辄光波0*有关，它是因衍射而产生的另一个一级衍射波,称为孪生波、可成实像，也可成虚像。

为了更直观地理解上述原理，我们来看一个用干涉方法制作光栅的例子。在图5.7-4a中，光束1和2是相干的两束平行光,它们在相遇区域产生干涉,形成等间距的干涉条纹，条纹取向垂直于1、2两光束构成的平面（即垂直于纸面)。Р是照相底片，曝光后经过显影、定影处理，则底片就是透光、不透光的条纹，这就是一个光栅，其光栅常数(干涉条纹间距)为
d =入/sin0 (5.7-6)
将该光栅放回原处，用光束1照射，如图5.7-4b 所示，光栅衍射方程为
d sin$ = k入 (5.7-7)
比较式(5.7-6)、式(5.7-7）两式，k=1的+1级衍射光在方向，以有到所以看到的衍射光2'就如同看到原光束2一样。衍射光2'对应的就是式（5.7-5）中的第二项，所以对着这个方向观察，可以看到原来物体的虚像。而-1 级衍射光在方向，我们把对应的2"光称为共辄光波。图5.7-4a是对2光的记录，图5.7-4b是对光束2的再现，这里光束l是参考光,光束2是物光。

由于底片上任何一小部分都包含整个物体的信息，所以只利用拍摄的全息底片的一小部分也能再现整个物像。
3.全息照片拍摄要素
(1)相干光源物光和参考光必须是相干光,所以用相干性很强的激光作为光源。利用分束镜把激光器发出的光分成两束，一束作为物光，一束作为参考光，并使其光程大致相等,以使两束光能够发生相干干涉。
(2）避免系统震动物光和参考光形成的干涉条纹间距很小，每毫米有上千条条纹。在曝光过程(曝光时间10s~20s)中，如果条纹移动超过半个条纹的宽度，就不能形成全息图；条纹移动小于半个条纹宽度，全息图像虽然可以形成，但清晰度会受到影响。因此，在曝光过程中必须保持干涉条纹稳定不变。为此光源、光路中的各光学元件、被摄物体和感光底饭都必须放在防震平台上，使外界各种微小振动不致干扰条纹的记录。
(3）物光、参考光的强度从干涉理论可知,当物光与参考光在干板处强度相等时,干涉条纹的反衬度最好。但在实际光路中，参考光直射干板，而物光要经过物体表面的散射后射到干板，散射光强与物体表面的反射率有关，因而物光光强相对较弱，很难使物光与参考光的光强相等。调节光路时，一般尽可能使全息干板处物光光强尽可能大，适当减弱参考光的光强，使物光与参考光的光强比为1:3到1:5。
4)全息记录干板全息记录干板是表面涂有一层感光乳胶的玻璃．这是由于玻璃有一定刚度，不会变形弯曲。对于不同波长的激光，要选用不同型号的感光乳胶。例如,激光波长为650nm，根据式(5.7-6)，0=30°，入 = 650nm，d =1.27 × 10-6m，则每毫米有上千条条纹，所以要求全息干板具有非常高的分辨率。普通照片底片由于银化合物的颗粒较粗，每毫米只能记录几十到几百条条纹，不能用来记录全息照相中的干涉条纹。全息照相必须用特制的高分辨率的感光底板。实验使用的是天津感光胶片厂出品的全息Ⅰ型干板,分辨率约为3000条/mm，感光波长范围是530 ~700nm，敏感峰值波长为630nm，对绿光不敏感，所以，显影时可在绿灯下观察。
从式（5.7-6)还可以看出,物光与参考光夹角越大，条纹的间距就越小，对干板的分辨率要求就越高，所以夹角不宜太大。但另一方面，夹角大，物象再现时可在较大范围内从不同角度观察物象,反之则观察窗较小。一般使物光与参考光之间的夹角控制在20°~50°范围内。
得分：1.5 分

实验步骤

1分
【实验内容与测量】
1.全息图拍摄
1)按图5.7-2所示配置光路系统。
光路系统应满足下列条件:
1.物光束和参考光束由分束镜至感光板之间的光程应大致相等。
2.用扩束镜将物光束扩展到使整个被摄物都能受到光照,参考光束也应扩展使感光板有均匀的光照。注意全息干板与被摄物的距离应控制在5cm之内，且应保证全息干板尽可能正对被摄物，以接收多的物光,参考光应均匀照明并覆盖整块全息干板。
③照在感光板上的物光束和参考光束之间的夹角在20°～50°范围为宜。
④关闭室内照明灯，在放感光板的地方，物光与参考光的光强比为1:3到1:5范围为宜。可分别遮挡参考光及物光，用实验室搭建的硅光电池相对光强测量装置（见【补充材料5.7-1))测量。具体测量方法是把硅光电池放在干板平面处，其输出线接至数字电压表上，分别读出物光和参考光照射硅光电池时电压表的示数，则电压表示数之比就是光强比。
2）将激光器出射的激光遮挡住，装夹好全息干板，使乳胶面向着被拍摄物体。静置几分钟使防震台不震动后取消遮挡，激光曝光10 ~20s(参见实验室给出的参考数据)。特别要注意在曝光过程中绝对不要触及防震台并保持室内安静。
3)显影和定影:按显影–水洗–定影–水洗–晾干的程序处理。显影液用D-19显影液，温度(20+0.5)℃，显影时间约为2min (以感光板上出现灰色条纹为宜)。从显影液中取出感光板后用水冲洗，然后放在定影液中定影2~4min，最后再水洗2 ~3min。
2.物像再现
1）如图5.7-3所示，将晾干的全息图片放回原位置，感光胶乳面仍向着物体，用原参考光照射，去掉物，在全息图的后方观察，即可看到位置、大小与原物一样的三维立体像（原物虚像，相当于图5.7-4（b）中的+1级衍射光）。试改变观察角度，参考光源到干板的距离，观察物像的变化。
2)挡掉全息图的一部分,仍然可看到完整的物体像。
得分：1 分

数据处理

0.2分

1.绘制全息实验拍摄的光路图

得分：0.2 分

2.实验记录

参考光路光程=(1)cm

物光光路光程=(2)cm

  • 填空(1)： 你的答案　42.00。
  • 填空(2)： 你的答案　41.50。
datafill 42.00 41.50 qvymmdHMZh6Y2KTsvvawyiHGpSzu90GplpfZ9urYjr4= HLLIPGEigCS9uQcpleVWHQ== HLLIPGEigCS9uQcpleVWHQ== HLLIPGEigCS9uQcpleVWHQ==
0.1分

光程差=(1)cm

  • 填空(1)： 你的答案　0.50。
得分：0.1 分
datafill 0.50 PdNZ58j/9j/EoXZlnO+D6jVqk8ztt24hSseIH6y+9gT48TNVvXjC+L2GHpk5VQjAeo+fmaypluYwHJUVaj718Nw5cHMzbW/thMEjNFPMos6YKWK0Ix/UxM+FwrC+LS6Uu5eNlblmpiuwKnlUOOzS4g== nSvZoqxgHipT88kt4fm8aXHaAY3XBjwA/8z6UE4NG4i77bx951odapDujCcgBV5O9aNSjjCSZV7OqK+LAL02jkMGJ7omjkQvLZMz8PTdzt6/cRX+eOb3JXBhCnR8zCL9BipvGGbJ5GYdACsFspqIgGV2iK2/lRwOc/j/miwMf+7ehHEQ64k/xE61pw6dsqnW17XCefilkWoXp5BS75zuT7sDMP3697dor69s4kr7SXVmI6PSNXQCI03MIG5AQtdJAbIr0M6LaW61BazSMFCHWPoPxnWyhOwsrJpBJYKCQQMou3R1acJqYWZAXLgGvo7q kbs8cUEArIzl90tKMNafbYHxVlWcZSPCSNHpyr79Ghet8cA3zN2g8pM9FKB7U4TQaxwCptcELlCLEqij9G39SnL+KuKO9adY8zD9IqZic8HGZd0xaAtW6TswGU5lqPr7QwLI7k6bdO4eE13xWhxhk3G6B50H48YzYcFoQNYnAUq+KDSUQ78KK4BQBVMaEU5YLFq9dPNOnS3k0X6VZWpy2FTiVMW+6E6PrTJHaNi9IJTG3ncmldMoFgjleWXNsuRYMU/NdByFDDAU4uDeM5rhNVMmuYAQMqVJIldGL3I/kwoSNv7kvlc2Y1kZywSDMO/Y693tdzr5484rl2ClObHAVyHCSZupR99hGqShiH5YmaUUbzWBbo2PjzfM/0AnAQbs Y9EJwVXuEk9FCJXdEvM5JWDxcfgwUJSgVOuYcNmUnyXBinFZyrLwmgLGrlyaOKXDCvkC6oNhyq7ETNnMPyH07vTIniF6XmjBnR9RzkKI7whjkxMENFGjGXNaIbySQMPdFckYwAwY/ISlRs8JPfahPhh6Pf0pLyHoH2MBdQMORW48Gk6YG8uJL+0lALq4WhlHQxgStvJs8D871+4czXds7V1a4zs1MlQdVNzV3aet4Sk0BK/S4kmTpuoQXhB1oe89
0.3分

物光束与参考光束夹角=(1)度

  • 填空(1)： 你的答案　32.0。
得分：0.3 分
datafill 32.0 qvymmdHMZh6Y2KTsvvawyiHGpSzu90GplpfZ9urYjr4= TtDFN7j8gKdJw6ZT+oEdw72XvIcUyuPFHdPEQX/D238Hzd8PpkHBIMptGHHWe1+iEXaegVyqmlx5mef95ApjDRY1yIqQbPbIpIjUCHPL6A9C3t39ewF04UVemYbNVyy3shf/AD1xUJbmsuruwV66LYKpW9zfLSysGd108JuJAZuSzPhUWT/00yxzdbAPKpGR61idcy6y/j+uGaVowRxidFFWMFAZa2YTIwDBKcOhnRTEJUk5HFj208bPdLVE14GD8GkPufjwnPyhREMm3QC16OHLJzRj6Nf/laEbqayz2DN4h33NU/fht0lwiwxnwsU+FMYSH1ZptvPOwWVAsPjWveUwQ2acZLXqu7pYah3n15k2F8V61Cbhurcq1rXLaipNoz7sa5LEZRrBkoLzLnsAk1biJffLVoApx+y8hNkCE681UdSdp1V7Af51jWYgAnm9 kbs8cUEArIzl90tKMNafbYHxVlWcZSPCSNHpyr79Ghet8cA3zN2g8pM9FKB7U4TQaxwCptcELlCLEqij9G39SnL+KuKO9adY8zD9IqZic8HGZd0xaAtW6TswGU5lqPr7QwLI7k6bdO4eE13xWhxhk3G6B50H48YzYcFoQNYnAUr8/5isbNABmdEW/nQSjnjZ8Z09MN1Ts7Kea/y9iYx9Sdz7Z8CkulKk+DW3M/e1UtB4ZoRhA5UM4oNL/MQ//CspyPa8cHDIasFwsx7do8bzuRvOTwTSumDCoy4t09UCVN6vaQnF+zoP+XlJj0H+p56zD0fRjFqX7ZxJ/SbCFxuwOmXBMdz+gqLYwPIv7NkgEiyteeJDkKAK/Tru1pGe06/a Y9EJwVXuEk9FCJXdEvM5JWDxcfgwUJSgVOuYcNmUnyXBinFZyrLwmgLGrlyaOKXDCvkC6oNhyq7ETNnMPyH07qEVZgUl+YVGsDP/fTZcMGTWELmJIvKeeN+QXfFH2AJXHzLw5SyQdwLFuZ3POK+e9m/Si1ztIW/NAiKXcl9+Qs3zzEbZVj+z8p3+8vpSIybnMxAkNA5KBZL7J2ke3LBm4as+l5h5me4g8z/C6fqPwybxCJabMpViRrOg9b2yo8LDkvfSIxv9YsSKdZHLqwvXlQ==

物光与参考光的光强比=(1)：(2)(此处不计分)

  • 填空(1)： 你的答案　4。
  • 填空(2)： 你的答案　1。
datafill 4 1 HLLIPGEigCS9uQcpleVWHQ== HLLIPGEigCS9uQcpleVWHQ== HLLIPGEigCS9uQcpleVWHQ== HoNARdCFXkCI8ugffDUQXA==
0.3分

曝光时间=(1)秒

  • 填空(1)： 你的答案　100。
得分：0.3 分
datafill 100 qvymmdHMZh6Y2KTsvvawyiHGpSzu90GplpfZ9urYjr4= 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 HLLIPGEigCS9uQcpleVWHQ== Y9EJwVXuEk9FCJXdEvM5JWDxcfgwUJSgVOuYcNmUnyXBinFZyrLwmgLGrlyaOKXDq6mvNCBUnjMyw1nB5YAT0kD0AS/IrIhu0PPr5IaGrClZQISPE9cwAH0+f2RPqJuL/oPm7Fo3CNv20GApB7iprs4FsvKdGFXpYFloyZFdUbaFm7zKpN4FTlpRrHYnE77o4VXbRMcs5chCwvvkfhnWEA==
0.2分

3.实验结果

此处插入物象再现时的光路图

得分：0.1 分

绘图不完整、不规范

0.4分

物象再现时是否可以观察到完整的物体的像(1)

A.可以观察到完整的物体的像

B.可以观察到模糊的物体的像

C.不能观察到物体的像

  • 填空(1)： 你的答案　A。
得分：0.4 分
datafill A W5so8QH0zdewWNMkhBlgjQ== TtDFN7j8gKdJw6ZT+oEdw+eLDZpmtqLFyhn6GelPBc+SrBCDeSYvXgmgajvz468xU2bWDm7cyblFtNuuXBsRrDHg0gMCeJvT+d69HxwPT4PcnoM5FkEg5DEQ99W/7nZ2TR0QOhiqXOrqzM942Ghnkqspgn3H6blIeaB0F+PchojcqAv/qMdd7OoXzCYDorQ3 kbs8cUEArIzl90tKMNafbYHxVlWcZSPCSNHpyr79Ghet8cA3zN2g8pM9FKB7U4TQaxwCptcELlCLEqij9G39SnL+KuKO9adY8zD9IqZic8HGZd0xaAtW6TswGU5lqPr7QwLI7k6bdO4eE13xWhxhk3G6B50H48YzYcFoQNYnAUorptOP++hzgCuto1BIWy9ySPBw6x0dXCqON/+3X6ELoWquQ12F2O33tZ/DKcV5JzNPt7Ooc8jHxL6b4ZtJQ2ntXU8fVx8sWuQwMt/V2Xs0Cg== HLLIPGEigCS9uQcpleVWHQ==

物象再现时观察到的物体的像的照片

分析讨论与结论

0.2分

分析讨论

得分：0.2 分

0.1分

结论

得分：0.1 分

原始数据

数据处理过程

0.3分

得分：0.3 分