《大学物理实验》课程教学资源（教材讲义）全息照相

第4章近代与综合性实验:169:【拓展训练】1.如何将光速仪改成测距仪？2.还有哪些方法可以实现光速的测量？设计出一种简便易行的光速测量的方法，3.怎样运用传感器和计算机结合来实现光速的测量？【拓展阅读】[1]赵旭光.2004.几种测量光速的方法.现代物理知识，1：48一49[2] 尹世忠，赵喜梅.2001.光速的测量史.现代物理知识，3：56一57[3] 江长双等.2009.光速测量中光程调节方法的改进.大学物理，28（5）：36一37[4]俞嘉隆等.2007.利用强度周期性变化的光信号测量光速与介质的折射率，大学物理，26(3)：41—43.[5] 徐英，李柯.2008.锁定放大器在光速测量中的应用.物理实验，28（2）：36一37，[6] 刘义保等.2005.多道时间谱仪测量光速.物理实验，25（6）：3一54.8全息照相【引言】全息照相的原理最早由英国人加柏于1948年提出的，但由于没有合适的相干光源而未能得到发展.直到20世纪60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【实验目的】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，【实验原理】1.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，由于缺少物光的相位信息，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，（1）全息照相记录过程全息照相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（称为参考光波）登加而产生干涉来记录物光的振幅和位相的.如图4-8-1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M反射，扩束镜L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十板H上，这束光称作物光：另一束光经反射镜M，和扩束镜L后直接照射到H上·这束光称作参考光，这两束光在全息十板上登加十涉：产生的十涉图样被十板记录下来，这些包含了物光的全部信息的干涉图样被称作全息图！

暰拓展训练暱 1.如何将光速仪改成测距仪? 2.还有哪些方法可以实现光速的测量? 设计出一种简便易行的光速测量的方法. 3.怎样运用传感器和计算机结合来实现光速的测量? 暰拓展阅读暱 [1] 赵旭光.2004.几种测量光速的方法.现代物理知识,1:48—49. [2] 尹世忠,赵喜梅.2001.光速的测量史.现代物理知识,3:56—57. [3] 江长双等.2009.光速测量中光程调节方法的改进.大学物理,28(5):36—37. [4] 俞嘉隆等.2007.利用强度周期性变化的光信号测量光速与介质的折射率.大学物 理,26(3):41—43. [5] 徐英,李柯.2008.锁定放大器在光速测量中的应用.物理实验,28(2):36—37. [6] 刘义保等.2005.多道时间谱仪测量光速.物理实验,25(6):3—5. 4灡8 全 息 照 相 暰引言暱 全息照相的原理最早由英国人加柏于1948年提出的,但由于没有合适的相干光源而未能 得到发展.直到20世纪60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. 暰实验目的暱 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. 暰实验原理暱 1.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 缺少物光的相位信息,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. (1)全息照相记录过程 全息照相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(称为参考光波)叠 加而产生干涉来记录物光的振幅和位相的.如图4灢8灢1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叠加干涉,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. 第4章 近代与综合性实验 ·169·

170.大学物理实验（2）全息图的再现过程M,全息图激再现光光器24虚像M,实像H图4-8-2全息图的再现图4-8-1全息照相光路图直接用眼观察这种全息图时，只能看到一些复杂的干涉条纹，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：另一个是会聚光，形成一个共轭实像.再现光路如图4-8-2所示2.全息照相的理论分析设工y平面为全息干板平面，物体光波在此平面表示为O(r,y)=Ao(r,y)e-io()参考光波表示为R(r,y)=Ar(r,y)e-净r(r)两波叠加的光场分布为O(r,y) +R(r.y).干板处强度分布为I(r,y)=[O(r,y)+R(r,y)|=A+A+AoAr[e-o-)+ei-R']=A+A+2AoARcOs(O-PR),(4-8-1)式中，第一项和第二项是物光和参考光在干板上的光强，第三项是干涉项全息干板曝光，经显影、定影后，留下明暗不同的干涉条纹，用参考光照射时，其各点的振幅透过率T就不同.一般情况下，透过率与曝光量不是线性关系，但若曝光和处理恰当，使全息干板在透过率随曝光量呈线性变化的部分工作，则有TopI.用原参考光作为再现光照射全息图时，透射光波为W(r.y)-RTcBAR(ry)e-ir(r)(A+AR+AAR[e-i(so-R+eFo-)=βARe-A+A）+βAoARe-o+βAoARe-2）(4-8-2)式中第一项为零级衍射光，沿再现光（参考光）方向传播：第二项是原物体光波的再现，是发散的一级衍射光；第三项是物光的共轭光波。3.全息照相的特点（1）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；

(2)全息图的再现过程 图4灢8灢1 全息照相光路图 图4灢8灢2 全息图的再现 直接用眼观察这种全息图时,只能看到一些复杂的干涉条纹,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;另一个是会聚光,形成一个共轭实像.再现光路如图4灢8灢2所示. 2.全息照相的理论分析 设xy 平面为全息干板平面,物体光波在此平面表示为 O(x,y)=AO(x,y)e-i氄O (x,y). 参考光波表示为 R(x,y)=AR(x,y)e-i氄R (x,y). 两波叠加的光场分布为 O(x,y)+R(x,y). 干板处强度分布为 I(x,y)= O(x,y)+R(x,y)2 =A2 O +A2 R +AOAR e-i(氄O-氄R ) [ +ei(氄O-氄R ] ) =A2 O +A2 R +2AOARcos(氄O -氄R), (4灢8灢1) 式中,第一项和第二项是物光和参考光在干板上的光强,第三项是干涉项. 全息干板曝光,经显影、定影后,留下明暗不同的干涉条纹,用参考光照射时,其各点的振 幅透过率T就不同.一般情况下,透过率与曝光量不是线性关系,但若曝光和处理恰当,使全息 干板在透过率随曝光量呈线性变化的部分工作,则有 T 曍毬I. 用原参考光作为再现光照射全息图时,透射光波为 W(x,y)=RT 曍毬AR(x,y)e-i氄R (x,y){A2 O +A2 R +AOAR e-i(氄O-氄R ) [ +ei(氄O-氄R ] ) } =毬ARe-i氄R (A2 O +A2 R)+毬AOA2 Re-i氄O +毬AOA2 Rei(氄O-2氄R ) (4灢8灢2) 式中第一项为零级衍射光,沿再现光(参考光)方向传播;第二项是原物体光波的再现,是发散 的一级衍射光;第三项是物光的共轭光波. 3.全息照相的特点 (1)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; ·170· 大学物理实验

第4章近代与综合性实验:171:（2）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；（3）再现光愈强，再现像愈亮；（4）全息干板可多次噪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登的物像4.全息照相的必备条件（1）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，本实验采用的单模氨氛激光器，可拍出良好的全息图。（2）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A六（入为光波波长，0为物光和参考光投射到干板处夹角），夹角大条纹则细密，这就d=2sin(0/2)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.（3）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，【实验仪器】防震平台，氨氛激光器，曝光定时器及光开关，分束镜，扩束镜，反射镜，全息干板，暗室设备等【实验内容】1.拍摄全息图（1）熟悉全息台上各个光学元件，打开激光器电源.（2）按拍摄光路图4-8-1布置光路，先移开两扩束镜L1和L2，对光路作如下调整：①使各元件等高，被摄物到干板夹上白屏距离适当；②使物光和参考光光程相等或接近；③物光和参考光束夹角不宜太小和过大，（3）移进扩束镜L和L2，仔细调节扩束镜使扩束光能均匀照亮白屏和物体，交替遮挡物光和参考光，观察白屏上两者光强，使物光和参考光的光强比在合适范围（约1：2～1：6为宜）（4）设置好定时器曝光时间，关闭光开关K.在暗室环境中，将干板药面朝来光方向装在干板架上，稳定一段时间后曝光（5）对曝光后的干板完成显影、停显、定影、水洗晾干等操作2.全息图的再现（1）将制作好的全息图放回原处，用原参考光照射全息图，透过全息图可观察到在原物位

(2)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; (3)再现光愈强,再现像愈亮; (4)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. 4.全息照相的必备条件 (1)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.本实验采用的单模氦氖激光器,可拍出良好的全息图. (2)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 d= 毸 2sin(毴/2) (毸为光波波长,毴为物光和参考光投射到干板处夹角),夹角大条纹则细密,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. (3)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. 暰实验仪器暱 防震平台,氦氖激光器,曝光定时器及光开关,分束镜,扩束镜,反射镜,全息干板,暗室设 备等. 暰实验内容暱 1.拍摄全息图 (1)熟悉全息台上各个光学元件,打开激光器电源. (2)按拍摄光路图4灢8灢1布置光路,先移开两扩束镜L1 和L2,对光路作如下调整: 栙 使各元件等高,被摄物到干板夹上白屏距离适当; 栚 使物光和参考光光程相等或接近; 栛 物光和参考光束夹角不宜太小和过大. (3)移进扩束镜L1 和L2,仔细调节扩束镜使扩束光能均匀照亮白屏和物体,交替遮挡物 光和参考光,观察白屏上两者光强,使物光和参考光的光强比在合适范围(约1暶2~1暶6为宜). (4)设置好定时器曝光时间,关闭光开关 K.在暗室环境中,将干板药面朝来光方向装在 干板架上,稳定一段时间后曝光. (5)对曝光后的干板完成显影、停显、定影、水洗晾干等操作. 2.全息图的再现 (1)将制作好的全息图放回原处,用原参考光照射全息图,透过全息图可观察到在原物位 第4章 近代与综合性实验 ·171·

.172.大学物理实验置有一和被摄物完全一样的立体像，注意仔细观察虚像，体会全息三维像的效果和特点；（2）将全息图的另一面用激光细光束（未扩束的激光束）照射，在全息图另一侧用白屏寻找和观察实像，【注意事项】1.严禁用手触摸、擦拭各光学元件表面；2.眼晴绝不可直接朝激光细光束观察，以免视网膜受损；3.全息图的拍摄和冲洗均在暗室中进行，应保持安静、有序的实验环境，装载干板时切勿碰到全息台上其他元件。【预习思考题】1.全息照相与普通照相有何不同？全息照相有哪些主要特点？2.拍摄全息图必须具备哪些条件？【讨论思考题】将全息图遮挡一部分其再现像与不遮挡时有无不同？【拓展阅读】[] 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] 金清理等.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] 郭开惠等.1999.全息照相再现成像的深人研究，兰州大学学报（自然科学版），35(2):43-47.【附录】感光后的全息干板，需在暗室条件下进行显影、停影、定影、冲洗和晾干等步骤才能再现.其所有药液的配方如下：1.显影液：D-19高反差强力显影液温水（50℃）800mL米吐尔2 g无水亚硫酸钠90 g对苯二酚8g无水碳酸钠48g溴化钾5 g加蒸馏水至1000mL2.停显液冰醋酸13.5mL1000ml加蒸馏水至3.定影液：F一5定影液蒸馏水（50℃）800mL.240g结晶硫代硫酸钠无水亚硫酸钠15 g

置有一和被摄物完全一样的立体像,注意仔细观察虚像,体会全息三维像的效果和特点; (2)将全息图的另一面用激光细光束(未扩束的激光束)照射,在全息图另一侧用白屏寻 找和观察实像. 暰注意事项暱 1.严禁用手触摸、擦拭各光学元件表面; 2.眼睛绝不可直接朝激光细光束观察,以免视网膜受损; 3.全息图的拍摄和冲洗均在暗室中进行,应保持安静、有序的实验环境,装载干板时切勿 碰到全息台上其他元件. 暰预习思考题暱 1.全息照相与普通照相有何不同? 全息照相有哪些主要特点? 2.拍摄全息图必须具备哪些条件? 暰讨论思考题暱 将全息图遮挡一部分其再现像与不遮挡时有无不同? 暰拓展阅读暱 [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] 金清理等.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] 郭开惠等.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. 暰附录暱 感光后的全息干板,需在暗室条件下进行显影、停影、定影、冲洗和晾干等步骤才能再现.其所有药液的 配方如下: 1.显影液:D 19高反差强力显影液 温水(50 曟) 800 mL 米吐尔 2g 无水亚硫酸钠 90g 对苯二酚 8g 无水碳酸钠 48g 溴化钾 5g 加蒸馏水至 1000 mL 2.停显液 冰醋酸 13灡5 mL 加蒸馏水至 1000 mL 3.定影液:F-5定影液 蒸馏水(50 曟) 800 mL 结晶硫代硫酸钠 240g 无水亚硫酸钠 15g ·172· 大学物理实验

第4章近代与综合性实验:173:硼酸（结晶）7.5g钾矾15 g冰醋酸13.5ml加蒸馏水至1000mL4.漂白液定影后的底片，放人20℃的水中冲洗后即可晾干使用为加强衍射效果，对曝光过度而发黑的底片可以进行漂白处理，氯化汞全息照片漂白液的配方为：氯化汞25g溴化钾25g加蒸馏水至100mL4. 9音频信号光纤传输技术实验【引言】随着信息时代的到来，人们对通信的带宽、速度的要求越来越高，光纤通信具有频带宽、高速、不受电磁干扰影响等一系列优点.自20世纪70年代初第一条适合通信用的石英光导纤维问世以来，光纤技术已取得惊人的发展，并成为现代科学技术领域中重要组成部分.因此，了解光纤理论和光纤技术的基本知识，十分必要，【实验目的】1.学习音频信号光纤传输系统的基本结构及各部件选配原则，2.熟悉光纤传输系统中电光/光电转换器件的基本性能3.训练如何在音频光纤传输系统中获得较好信号传输质量，【实验原理】光纤传输系统如图4-9-1所示，一般由3部分组成：光信号发送端，用于传送光信号的光纤，光信号接收端电光转光电转光信号发送端的功能是将待传输的电信号经电换器件换器件口光转换器件转换为光信号，自前，发送端电光转换器电信号光信号u件一般采用发光二极管或半导体激光管.发光二极管调制与Z接收与光纤的输出光功率较小，信号调制速率相对低，但价格便驱动处理宜，其输出光功率与驱动电流在一定范围内基本上呈图 4-9-1光纤传输系统线性关系，比较适宜于短距离、低速、模拟信号的传输：激光二极管输出功率大，信号调制速率高，但价格较高，适宜于远距离、高速、数字信号的传输.光纤的功能是将发送端光信号以尽可能小的衰减和失真传送到光信号接收端.目前，光纤一般采用在近红外波段0.84μm，1.31m，1.55m有良好透过率的多模或单模石英光纤.光信号接收端的功能是将光信号经光电转换器件还原为相应的电信号：光电转换器件一股采用半导体光电二极管或雪光电三极管组成光纤传输系统光源的发光波长必须与传输光纤呈现低损耗窗口的波段、光电检测器件的峰值响应波段匹配.本实验发送端电光转换器件采用中心发光波长为0.84um的高亮度

硼酸(结晶) 7灡5g 钾矾 15g 冰醋酸 13灡5 mL 加蒸馏水至 1000 mL 4.漂白液 定影后的底片,放入20 曟 的水中冲洗后即可晾干使用. 为加强衍射效果,对曝光过度而发黑的底片可以进行漂白处理,氯化汞全息照片漂白液的配方为: 氯化汞 25g 溴化钾 25g 加蒸馏水至 100 mL 4灡9 音频信号光纤传输技术实验 暰引言暱 随着信息时代的到来,人们对通信的带宽、速度的要求越来越高,光纤通信具有频带宽、高 速、不受电磁干扰影响等一系列优点.自20世纪70年代初第一条适合通信用的石英光导纤维 问世以来,光纤技术已取得惊人的发展,并成为现代科学技术领域中重要组成部分.因此,了解 光纤理论和光纤技术的基本知识,十分必要. 暰实验目的暱 1.学习音频信号光纤传输系统的基本结构及各部件选配原则. 2.熟悉光纤传输系统中电光/光电转换器件的基本性能. 3.训练如何在音频光纤传输系统中获得较好信号传输质量. 暰实验原理暱 光纤传输系统如图4灢9灢1所示,一般由3部分组成:光信号发送端,用于传送光信号的光 纤,光信号接收端. 图4灢9灢1 光纤传输系统 光信号发送端的功能是将待传输的电信号经电 光转换器件转换为光信号.目前,发送端电光转换器 件一般采用发光二极管或半导体激光管.发光二极管 的输出光功率较小,信号调制速率相对低,但价格便 宜,其输出光功率与驱动电流在一定范围内基本上呈 线性关系,比较适宜于短距离、低速、模拟信号的传 输;激光二极管输出功率大,信号调制速率高,但价格较高,适宜于远距离、高速、数字信号的 传输. 光纤的功能是将发送端光信号以尽可能小的衰减和失真传送到光信号接收端.目前,光纤 一般采用在近红外波段0灡84毺m,1灡31毺m,1灡55毺m 有良好透过率的多模或单模石英光纤. 光信号接收端的功能是将光信号经光电转换器件还原为相应的电信号.光电转换器件一 般采用半导体光电二极管或雪崩光电二极管. 组成光纤传输系统光源的发光波长必须与传输光纤呈现低损耗窗口的波段、光电检测器 件的峰值响应波段匹配.本实验发送端电光转换器件采用中心发光波长为0灡84毺m 的高亮度 第4章 近代与综合性实验 ·173·