《大学物理实验》课程教学资源（教案）全息照相

大学物理实验教案全息照相实验题目实验性质4教师赵黎基本实验实验学时1、学习和了解全息照相的基本原理和主要特点；2、初步掌握全息照相的基本技能和方法；教学目的3、学习再现全息物像的方法。1、全息照相的基本原理重点2、全息照片的拍摄1、全息照相光路的搭建难点2、全息干板的冲印课前的准备：1.仪器设备的检查2.显影、停影、定影液的配制课上教学的设计：一、课上的常规检查（预习报告、预习思考题等）。（5分钟）二、讲解的设计（50分钟）1、引言全息照相的原理最早是由英国人加柏于1948年提出，但由于没有合适的相干光源而未能得到发展。直到六十年代初激光的出现才使得这种技术得以迅速发展，现在，它在干涉计量、无损检测、信息存储教与处理、立体显示、生物医学和国防科研中已经获得极其广泛的应用，学过#成为科学技术中一个非常活跃的领域。程2、提出本实验的目的与任务，强调重点及难点的3、实验原理设普通光学相成像过程及其特点计(1)基于几何光学，点到点，仅光强记录，平面像（2）全息照相的基本原理

大 学 物 理 实 验 教 案 实验题目 全息照相 实验性质 基本实验 实验学时 4 教师 赵黎 教学目的 1、 学习和了解全息照相的基本原理和主要特点； 2、初步掌握全息照相的基本技能和方法； 3、学习再现全息物像的方法。 重 点 1、全息照相的基本原理 2、全息照片的拍摄 难 点 1、全息照相光路的搭建 2、全息干板的冲印 教 学 过 程 的 设 计 课前的准备： 1.仪器设备的检查 2.显影、停影、定影液的配制 课上教学的设计： 一、课上的常规检查 （预习报告、预习思考题等）。 (5 分钟) 二、讲解的设计 (50 分钟) 1、引言 全息照相的原理最早是由英国人加柏于 1948 年提出，但由于没有 合适的相干光源而未能得到发展。直到六十年代初激光的出现才使得 这种技术得以迅速发展，现在，它在干涉计量、无损检测、信息存储 与处理、立体显示、生物医学和国防科研中已经获得极其广泛的应用， 成为科学技术中一个非常活跃的领域。 2、提出本实验的目的与任务，强调重点及难点 3、实验原理 (1) 普通光学相成像过程及其特点 基于几何光学，点到点， 仅光强记录，平面像 (2) 全息照相的基本原理

全息照相术是一种新型的照相技术，它在原理上与普通照相有着根本的不同。普通照相术是通过几何光学透镜成像原理，把物体光波的振幅信息（强度分布）记录在照相底片上，由于缺少物光的位相信息，所以得到的是物体的平面图像。全息照相则是利用物理光学原理，在感光底片（全息干板）上同时记录下物体光波的位相和振幅全部信息，全息底片再现时，就可看到十分逼真的三维物体像。全息照相是一种波前的记录和再现技术，它的基本过程包括波前记录过程和波前再现过程。（i）全息照相记录过程全息照相是如何记录物体M2K光波的全部信息呢？它是利用激光的干涉原理，把物体光波和光器另一个与它相干的光束（我们称之为参考光波）送加而产生K干涉来记录物光的振幅和位相GLI的。如图所示，激光器发出的.Mi光经分束镜G分成两束，一束光由全反射镜M反射，扩束镜L1扩束后均匀地照射在被全息照相光路图摄物体上，经物体反射的光照射到全息于板H上，这束光称作物光：另一束光经反射镜M和扩束镜L2后直接照射到H上，这束光称作参考光。这两束光在全息干板上送加干涉，产生的干涉图样被干板记录下来，这些包含了物光的全部信息的干涉图样被称作全息图。（i）全息图的再现过程全息图直接用眼观察这种全息图时，只能看到一些复杂的干涉花纹，若要看到物体的再现光像必须使全息图能再现物体光波，这个过程就是全息图的再现过程。实际上，全息图如同复杂的光栅，如果用原参考光照射虚像全息图，参考光将发生衍射，除沿照射方向传播的零级衍射光外，两列一级衍射光共轭像中，一个是发散光，与物体在原位置发出的光波一样，形成一个虚像，它就是原物体全息照相再现光路图的再现立体像；另一个为共轭像。再现光路见图。（）全息照相的特点（a）全息照相能再现被测物十分逼真的三维立体像，从不同角度观察再现虚像，可以看到物体不同的侧面，有视差特性和较大的景深范围：（b）由于全息图任一小区域都记录了来自物体各点的光波信息，所以全息图的任一碎片都能再现完整的物像；（c）再现光愈强，在现像愈亮；（d）全息干板可多次曝光以记录不同物体的信息，拍摄时只需改变干板的方位或参考光的角度，再现时转动干板就可看到互不重叠的物像

全息照相术是一种新型的照相技术，它在原理上与普通照相有着 根本的不同。普通照相术是通过几何光学透镜成像原理，把物体光波 的振幅信息（强度分布）记录在照相底片上，由于缺少物光的位相信 息，所以得到的是物体的平面图像。 全息照相则是利用物理光学原理，在感光底片（全息干板）上同 时记录下物体光波的位相和振幅全部信息，全息底片再现时，就可看 到十分逼真的三维物体像。全息照相是一种波前的记录和再现技术， 它的基本过程包括波前记录过程和波前再现过程。 （ⅰ）全息照相记录过程 全息照相是如何记录物体 光波的全部信息呢？它是利用 光的干涉原理，把物体光波和 另一个与它相干的光束（我们 称之为参考光波）迭加而产生 干涉来记录物光的振幅和位相 的。如图所示，激光器发出的 光经分束镜 G 分成两束，一束 光由全反射镜 M1 反射，扩束 镜 L1 扩束后均匀地照射在被 摄物体上，经物体反射的光照 射到全息干板 H 上，这束光称作物光；另一束光经反射镜 M2 和扩束 镜 L2 后直接照射到 H 上，这束光称作参考光。这两束光在全息干板 上迭加干涉，产生的干涉图样被干板记录下来，这些包含了物光的全 部信息的干涉图样被称作全息图。 （ⅱ）全息图的再现过程 直接用眼观察这种全息图时，只能看 到一些复杂的干涉花纹，若要看到物体的 像必须使全息图能再现物体光波，这个过 程就是全息图的再现过程。实际上，全息 图如同复杂的光栅，如果用原参考光照射 全息图，参考光将发生衍射，除沿照射方 向传播的零级衍射光外，两列一级衍射光 中，一个是发散光，与物体在原位置发出 的光波一样，形成一个虚像，它就是原物体 的再现立体像；另一个为共轭像。再现光路 见图。 (ⅲ)全息照相的特点 （a）全息照相能再现被测物十分逼真的三维立体像，从不同角度 观察再现虚像，可以看到物体不同的侧面，有视差特性和较大的景深 范围； （b）由于全息图任一小区域都记录了来自物体各点的光波信息， 所以全息图的任一碎片都能再现完整的物像； （c）再现光愈强，在现像愈亮； （d）全息干板可多次曝光以记录不同物体的信息，拍摄时只需改 变干板的方位或参考光的角度，再现时转动干板就可看到互不重叠的 物像。 图25-1 全息照相光路图 O H L1 L2 G M1 K 激 光 器 M2 全息照相光路图 全息图 再现光 虚像 共轭像 全息照相再现光路图

基于波动光学，点到面（面到点），光强与相位同时记录，立体像。（iv）全息照相的必备条件（a）良好的相干光源为保证物光和参考光之间的良好的相干性，拍摄全息图必须用具有良好的空间相干性和时间相干性的光源，激光器输出的激光亮度高、单色性好、相干长度长，是全息照相的理想光源。本实验采用的氢氛激光器，可拍出良好的全息图。（b）高分辨率感光板由于全息图的条纹间距与物光和参考光之间的夹角有关，可用公元式推算条纹间距d=（入为光波波长，0为物光和参考光2sin(0/2)投射到干板处夹角，夹角大而条纹则细密，这就要求感光板的分辨率足够高，对系统稳定性的要求也随之提高。本实验使用的全息干板分辨率为3000条/mm，可满足实验拍摄要求。同时，感光板要对所使用的激光波长有足够的感光灵敏度。（c）稳定的拍摄系统通常全息图纪录的于涉条纹细而密，曝光时微小的振动和位移都会使得条纹模糊导致拍摄失败，因此对整个拍摄系统要求具有极高的稳定性。实验中将光源、各光学元件和被摄物感光于板等全部安放在防震平台上，各元件及支架均用磁钢牢固地吸在钢板上，以避免外界微小振动的影响。在曝光期间应避免任何不稳定因素的影响，保证实验顺利进行。4、介绍主要光学器件5、介绍光路搭建步蒙及要点（i）调节等高：以激光器出光的高度为基准，调整各元件等高。（i）搭建光路：1）根据光强及物体大小，确定被摄物与白屏的距离；（约8~10cm（小物体）、（12~13cm）（中物体）、14cm左右（大物体）；2）物光及参考光中心光线夹角30~60°；3）物光及参考光光程差控制在5cm内：一一以上步骤，勿加扩束镜4）上扩束镜，使扩束后的物光及参考光照亮白屏，并通过调节扩束镜位置使白屏处物光及参考光光强比接近（可使参考光略强）；（）合上各光具底座的磁力开关固定各光学器件，检查各元件是否稳定。6、介绍曝光定时装置及拍摄（i）打开定时器电源开关：（i）根据白屏处光强确定曝光时间（已设定20秒）；（过）检测定时器和快门是否正常工作：（iv）实验室光源、电扇关闭，干板装在干板夹上，固定，稳定，曝光计时启动。7、介绍暗室冲洗方法（i）打开药液上玻璃盖，关闭室内照明灯，在绿色安全灯下进行

基于波动光学，点到面（面到点），光强与相位同时记录，立体 像。 （ⅳ）全息照相的必备条件 （a）良好的相干光源 为保证物光和参考光之间的良好的相干性，拍摄全息图必须用具 有良好的空间相干性和时间相干性的光源，激光器输出的激光亮度高、 单色性好、相干长度长，是全息照相的理想光源。本实验采用的氦氖 激光器，可拍出良好的全息图。 （b）高分辨率感光板 由于全息图的条纹间距与物光和参考光之间的夹角有关，可用公 式推算条纹间距 2sin( / 2) d   = （λ为光波波长，θ为物光和参考光 投射到干板处夹角），夹角大而条纹则细密，这就要求感光板的分辨率 足够高，对系统稳定性的要求也随之提高。本实验使用的全息干板分 辨率为 3000 条/mm，可满足实验拍摄要求。同时，感光板要对所使用 的激光波长有足够的感光灵敏度。 （c）稳定的拍摄系统 通常全息图纪录的干涉条纹细而密，曝光时微小的振动和位移都 会使得条纹模糊导致拍摄失败，因此对整个拍摄系统要求具有极高的 稳定性。实验中将光源、各光学元件和被摄物感光干板等全部安放在 防震平台上，各元件及支架均用磁钢牢固地吸在钢板上，以避免外界 微小振动的影响。在曝光期间应避免任何不稳定因素的影响，保证实 验顺利进行。 4、介绍主要光学器件 5、介绍光路搭建步骤及要点 (ⅰ) 调节等高：以激光器出光的高度为基准，调整各元件等高。 (ⅱ) 搭建光路： 1）根据光强及物体大小，确定被摄物与白屏的距离；（约 8~10cm （小物体）、（12~13cm）（中物体）、14cm 左右（大物体）； 2）物光及参考光中心光线夹角 30~60°； 3）物光及参考光光程差控制在 5cm 内； ——以上步骤，勿加扩束镜 4）上扩束镜，使扩束后的物光及参考光照亮白屏，并通过调节扩 束镜位置使白屏处物光及参考光光强比接近（可使参考光略 强）； (ⅲ)合上各光具底座的磁力开关固定各光学器件，检查各元件是 否稳定。 6、介绍曝光定时装置及拍摄 (ⅰ) 打开定时器电源开关； (ⅱ) 根据白屏处光强确定曝光时间（已设定 20 秒）； (ⅲ)检测定时器和快门是否正常工作； (ⅳ)实验室光源、电扇关闭，干板装在干板夹上，固定，稳定，曝 光计时启动。 7、介绍暗室冲洗方法 (ⅰ)打开药液上玻璃盖，关闭室内照明灯，在绿色安全灯下进行

操作；（）将干板放入显影药液（红色盒）中，待干板开始变黑，颜色出现曝光和没有曝光处的分界，即取出放入停显液中（可根据参考板黑度比较显影程度，且勿过黑）：（ii）约15s后，放入定影液（水槽中白色盒）中，3-5分钟后，取出用和缓清水冲洗；（iv）自然干燥，到拍摄室观察像。注意事项：1.夹子不能混用（显影夹头为蓝色）：2.室内所有干板都放入定影液一段时间后，可开室内照明灯。8、影响全息图制作成功关键因素-稳定性（光学元件是否在拍摄过程中振动摇晃？激光器是否固定好？装好干板后是否稳定一段时间后拍摄？室内振）；-物光过弱，或者光强悬殊过大：-物光和参考光夹角不宜过小；■光程差不宜过大。-显影时间是否恰当？（看干板变黑程度定时）9、操作难点■扩束镜的调整通过调节镜的高低左右俯仰，使扩束后的光束投射到白屏或者重物体上：-通过调整扩束镜相对白屏或者物体的距离，达到控制光强的目的；■调节时，挡住物光，观察白屏上参考光强度，挡住参考光，观察白屏上物光的强度。10、注意事项■不要直视激光，以免损伤眼睛！不要接触高压电源及电极，以免触电！■光学元件严禁用手触摸！应轻拿轻放！■曝光时，勿触及全息防震台，不要走动、说话，避免室内振动和空气流动。全息底片是玻璃片基，防止破碎及划伤手指。-■照相暗室中的显影液、停显液、定影液为固定摆放顺序，不要更改，显影液和定影液中的竹夹不能混用。三、学生的实验开始及指导(130分钟)1、学生搭建光路（30分钟）2、检查光路（30分钟）3、曝光准备及曝光（15）4、干板冲印（25分钟）5、全息像再现及检查（30分钟）课后思将全息图遮挡一部分其再现像与不遮挡时有无不同？考题

操作； (ⅱ)将干板放入显影药液（红色盒）中，待干板开始变黑，颜色 出现曝光和没有曝光处的分界，即取出放入停显液中（可根 据参考板黑度比较显影程度，且勿过黑）； (ⅲ)约 15s 后，放入定影液（水槽中白色盒）中，3-5 分钟后， 取出用和缓清水冲洗； (ⅳ)自然干燥，到拍摄室观察像。 注意事项：1.夹子不能混用（显影夹头为蓝色）；2.室内所有干 板都放入定影液一段时间后，可开室内照明灯。 8、影响全息图制作成功关键因素 ◼ 稳定性（光学元件是否在拍摄过程中振动摇晃？激光器是否固 定好？装好干板后是否稳定一段时间后拍摄？室内振.）； ◼ 物光过弱，或者光强悬殊过大； ◼ 物光和参考光夹角不宜过小； ◼ 光程差不宜过大。 ◼ 显影时间是否恰当？（看干板变黑程度定时） 9、操作难点 ◼ 扩束镜的调整 ◼ 通过调节镜的高低左右俯仰，使扩束后的光束投射到白屏或者 物体上； ◼ 通过调整扩束镜相对白屏或者物体的距离，达到控制光强的目 的； ◼ 调节时，挡住物光，观察白屏上参考光强度，挡住参考光，观 察白屏上物光的强度。 10、注意事项 ◼ 不要直视激光，以免损伤眼睛！不要接触高压电源及电极，以 免触电！ ◼ 光学元件严禁用手触摸！应轻拿轻放！ ◼ 曝光时，勿触及全息防震台，不要走动、说话，避免室内振动 和空气流动。 ◼ 全息底片是玻璃片基，防止破碎及划伤手指。 ◼ 照相暗室中的显影液、停显液、定影液为固定摆放顺序，不要 更改，显影液和定影液中的竹夹不能混用。 三、学生的实验开始及指导 (130 分钟) 1、学生搭建光路（30 分钟） 2、检查光路（30 分钟） 3、曝光准备及曝光（15） 4、干板冲印（25 分钟） 5、全息像再现及检查（30 分钟） 课 后 思 考 题 将全息图遮挡一部分其再现像与不遮挡时有无不同？

[1]钟锡华.现代光学基础.北京：北京大学出版社，2003[2]陈怀琳，邵义全.普通物理实验指导（光学）.北京：北京大学出版社，1990参[3】吴思诚，王祖铨.近代物理实验（1）基本实验.北京：北京大学出版社，1986考[4]】金清理，薛漫芝，卢晓燕，严胜娟，2001，参物光夹角和物光比对全息图拍摄效果的研文究，激光技术，25(5)：394-397献[5】郭开惠，吴平，严映律，张晓.1999.全息照相再现成像的深入研究.兰州大学学报（自然科学版），35（2）：43-47

参 考 文 献 [1] 钟锡华.现代光学基础.北京：北京大学出版社，2003 [2] 陈怀琳，邵义全.普通物理实验指导（光学）.北京：北京大学出版社，1990 [3] 吴思诚，王祖铨.近代物理实验（1）基本实验.北京：北京大学出版社，1986 [4] 金清理, 薛漫芝, 卢晓燕, 严胜娟. 2001. 参物光夹角和物光比对全息图拍摄效果的研 究. 激光技术，25(5):394-397. [5] 郭开惠，吴平，严映律，张晓. 1999. 全息照相再现成像的深入研究.兰州大学学报（自 然科学版），35（2）:43-47