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1、北航物理实验研究性报告专题:全息照相和全息干涉法的应用第一作者：王尼玛学号： 100311xx第二作者：杨尼美学号： 100311xx班级： 100327北京航空航天大学基础物理实验研究性报告2 目录目录 . 2 摘要 . 3 一、实验目的 . 4 二、实验原理 . 4 三、实验仪器 . 8 四、实验步骤 . 9 1、 全息照片的拍摄与再现像的观察. 9 2、 二次曝光法测定铝板的杨氏模量. 11 五、数据记录与处理. 12 1、 原始数据记录 . 12 2、 数据处理 . 12 六、讨论与总结 . 14 1、 误差分析 . 14 2、 改进建议 . 14 3、 总结体会 . 15 七、参考资
2、料 . 15 北京航空航天大学基础物理实验研究性报告3 摘要全息照相的基本原理是D?伽柏在 1948年提出的， 但在 20 世纪 50 年代该方面的研究工作进展缓慢，直到1960 年以后激光的出现，它的高度相干性和大强度为全息照相提供了理想的光源，使全息技术有了迅速的发展， 相继出现了多种全息方法， 从而在全息干涉计量、 全息无损检测、 全息存储以及全息器件等方面获得了重要的应用。 D?伽柏也因此在 1971 年获得了诺贝尔物理学奖。全息照相是一种利用相干光得到包括物光波前的振幅、位相在内的物体全部信息的二步成像技术， 它可以再现物体的立体形象。 无论从原理上和实验技术上，全息照相都和普通照相
3、有本质区别。全息干涉是全息照相方法的一个重要应用，和普通干涉相比， 它们的干涉理论和测量精度基本相同，只是获得干涉的方法不同。以本实验采用的两次曝光法为例，它采用同一束光， 在不同的时间对同一张全息干板进行重复曝光， 如果两次曝光之间物体稍有移动，那么再现时两物体的波前将发生干涉， 这些干涉条纹携带有物体表面移动的信息，根据条纹的分布便可以计算出物体表面各点位移的大小和方向。全息干涉计量术能够对具有任意形状和表面状况的三维表面进行测量；由于全息图具有三维性质， 故可通过全息干涉计量方法从许多视图去考察一个复杂物体；它还可以对一个物体在不同时刻用全息干涉方法进行观察，从而探测物体在一段时间内发生
4、的各种改变。 此外，它有光路简单、 对光学元件的精度要求较低等特点，因而在干涉计量领域内得到了广泛应用。本实验的内容为反射式和透射式全息照相，并在反射式全息照相基础上用二次曝光法测量铝板的杨氏模量。 通过实验不仅可以学到全息照相和全息干涉技术的基本知识和技能， 还可以获得在二维光学平台上进行光路调整的训练以及有关照相的基本知识。北京航空航天大学基础物理实验研究性报告4 一、 实验目的1、 了解全息照相的基本原理，熟悉反射式全息照相与透射式全息照相的基本技术和方法；2、 掌握在光学平台上进行光路调整的基本方法和技能；3、 学习用二次曝光法进行全息干涉测量，并以此测定铝板的弹性模量；4、 通过全息
5、照片的拍摄和冲洗，了解有关照相的一些基础知识。二、 实验原理1全息照相全息照相所记录的是包括物光波前的振幅和位相在内的全部信息。该技术借助一束相干参考光， 通过拍摄物光和参考光之间的干涉条纹，间接记录下物光的振幅和位相信息， 然后使照明光按一定方向照射到全息图上，通过全息图的衍射再现物光波前， 这时人眼便能看到物体的立体像。根据记录光路的不同， 全息照相又分为透射式全息和反射式全息，若物光和参考光位于记录介质（干板）的同侧，则称为透射全息；若物光和参考光位于记录介质的异侧，则称为反射全息。（1）透射式全息照相将干板垂直于纸面放置，两书相干平行光o、r按照图 1所示方向入射到感光板上，他们与感光
6、板法向夹角分别为o和r，并且 o光中的两条光线 1、2与r 光中的两条光线1和2在A、O 两点相遇并相干，于是在垂直于纸面方向产生平行的明暗相间的干涉条纹，亦即在感光板上形成一个光栅。如图1，光线1与2之间光程差为rd sin，光线1与2之间的光程差为od sin，又由于光线 2与2等光程，所以光线 1与1间的光程差为)sin(sinord， 综上所述，所得干涉条纹间距为：rodsinsin（1）北京航空航天大学基础物理实验研究性报告5 图 1 图 2 而在通常情况下， 物光与参考光都是发散球面波， 将感光板至于直角坐标系OXY 平面上，如图 2，物光光线 1、2与参考光线1、2。在A、O 两
7、点处相遇并相干。在A、O 两点附近微小区域， 可将这些光线视为一束微小的平行光，两束光在感光板上相遇并干涉，形成与 Y轴方向平行的，间距为 d的明暗条纹，结合式（ 1）有：rOoOdsinsin（2）而干涉形成的全息图是以干涉条纹形式记录的物光波，相当于一块有复杂光栅结构的衍射屏，以光栅发现为基准，逆时针转至入（衍）射光线的入（衍）射角为正，则光栅方程为：kd)sin(sin（3）所以，让与参考光 r完全相同的再现光照射到全息图上，就会在原物处看到与其等大的三维像，实现全息像的再现。（2）反射式全息照相反射式全息照相利用相干光记录全息图，但可以用“白光”照明得到再现像。因此，肉眼可以再室内可见
8、光环境中方便地看到原物的虚像，本实验也采用此方法再现全息像 , 也是用该方法进行二次曝光法测量。物光与参考光从底片的正反两面分别引入并在底片介质中形成驻波，在平板乳胶面中形成平行于乳胶面的多层干涉面，由于物光与参考光之间的夹角接近于o180， 故两相邻干涉面间的距离近似为：北京航空航天大学基础物理实验研究性报告6 2)2/180sin2od（(4) 用632.8nm的激光作为光源时，这一距离约为0.32 微米，会在厚度约为 25微米的光致聚合物底板上形成约6080层干涉面（布拉格面） ，因而全息图是一个具有三维结构的衍射物体，再现光在这三维物体上的衍射极大值必须满足下列条件：1 光从衍射面上反
9、射时，反射角等于入射角；2 相邻两干涉层之间的反射光光程差必须是，如图 3，可得布拉格条件：cos2ndL（5）式中n是感光板的折射率。图 32两次曝光法测定金属的弹性模量：两次曝光法干涉图要求在同一记录介质上制作两个全息图，它将物体在两次曝光之间的形状改变永久地记录下来。在材料力学中，自由端受到集中载荷yF 作用的悬臂梁的在中心线沿着y方向位移量按照挠度变形分布理论为：)3(62 xLEJxFdyy（6）式中L为梁的长度， E为材料的弹性模量， J=bh3/12 为横截面的惯性矩， x为待测点位置坐标。北京航空航天大学基础物理实验研究性报告7 按照图 4所示的光路图（ L为扩束镜， H 为干
10、板）组装实验仪器，第一次曝光记录下悬臂梁原始状态的全息图，第二次曝光记录下加力后悬臂梁的全息图，再现时，两个状态的波前同时复现并发生干涉，得到一簇等光程差的干涉条纹，如图5，由图知， A点与变形后A点发出的光波之间的光程差为：)cos(cosdy（7）图 4 图 5 由干涉原理，明纹与暗纹处的位移量分别为：coscoskdy（明纹）（ 8）北京航空航天大学基础物理实验研究性报告8 coscos)12( kdy（暗纹）（ 9）将式（ 8）与式（ 6）联立，变形可得弹性模量的表达式：)cos)(cos3(62 xLJkxFEy（10）式中3 121bhJb为梁的宽度， h为梁的厚度，所以：)cos
11、)(cos3(232 xLbhkxF Ey（11）暗纹处为：)cos)(cos3() 12(232 xLbhkxFEy（12）本实验中与近似为零，因此只需要测出b、h、yF 以及某一明纹（或暗纹）沿着梁轴向的位置坐标x，就可以测出弹性模量 E。三、 实验仪器氦氖激光器及电源一套、分束镜一块、平面镜3 面、被摄物 1 个、砝码加载器及待测铝板 1 套、载物台 1 个、底板架 1 个、扩束镜 2 块、透镜 1 块，白屏 1块，纯净水，质量分数分别为40% ，60% ，80% ，100% 的异丙醇溶液适量，竹夹1个，RSP I 型红敏光致聚合物全息干板。1. 全息台全息照相除了要求光路中各光学元件有
12、良好的机械稳定性以外，还必须尽可能隔绝外界振动，曝光时全息感光板上的干涉条纹必须稳定；在曝光时间内，条纹漂移量必须小于1/2 条纹间隔，才能获得良好的效果。2. 全反镜它的作用是使激光束改变方向，可作高度、左右、俯仰三维调节。3. 分束镜它的作用可使激光束分为两束，一束透射光， 另一束反射光， 同全反射镜一北京航空航天大学基础物理实验研究性报告9 样可作三维调节。4. 扩束镜它的作用是将激光器出射光的细小光束扩大，以照明整个被摄物体和感光板，可作垂直、左右调节。5. RSP I 型红敏光致聚合物全息干板全息记录介质可分为两大类， 一类为银盐干板， 另一类为非银盐干板。 银盐干板的特点是灵敏度高
13、， 适宜作短时曝光的全息图， 但衍射效率低， 实际应用受到一定限制。 红敏光致聚合物全息干板是一种位相型记录介质，它不同于银盐干板，属于自由基聚合的非银盐感光材料。它只对红光敏感，对蓝、绿光不太敏感。日光灯发出的荧光光谱中红光成分很小，所以RSP I 型红敏光致聚合物全息干板可在日光灯下进行明室操作。6. 实验注意事项： 全息干板必须夹牢固，尽量不要有自由端，尽量避免震振动； 全息干板必须夹牢固后，应该等待几分钟再拍摄相片，以释放干板的夹持应力，提高再现像的质量； 拍摄光路上的光学元件必须用磁性表座固定，不用的仪器不要放在全息台上； 尽量避免在较大噪声的环境中曝光； 曝光时间内，不要在室内走动或者敲击全息台，以免振动影响干涉条纹的质量；四、 实验步骤1
