1、PAGE 探討光強(qiáng)比對(duì)全息圖質(zhì)量(zhling)的影響內(nèi)容摘要全息照相中，物光與參考(cnko)光的光強(qiáng)比一般要控制在1/41/7之間，而在實(shí)驗(yàn)光路中，物光經(jīng)過擴(kuò)束、漫反射后，比參考光弱很多，兩光相干后，不會(huì)形成十分(shfn)清晰的條紋，得到的全息圖質(zhì)量不高。由于凸透鏡在空氣中有匯聚光束的本領(lǐng)，利用這一原理，用透鏡對(duì)漫反射的物光進(jìn)行匯聚。將物光與參考光的比分別控制在1/41/5范圍，1/21/3范圍進(jìn)行改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)，將所得到的不同光強(qiáng)比的多組全息圖進(jìn)行觀察對(duì)比、分析，發(fā)現(xiàn)光強(qiáng)比在1/21/3的實(shí)驗(yàn)效果普遍比較好。說明用透鏡將兩光的光強(qiáng)比調(diào)節(jié)在這個(gè)范圍可以較好地提高全息圖的質(zhì)量?！娟P(guān)鍵詞】全息

2、圖 物光 參考光 光強(qiáng)比 Analysis the influence of light intensity ratio on hologramAbstractIn the experiment of Holographic photography, generally speaking, the light intensity ratio of content light and reference ray should be controlled between 1/4 and1/7, but in the optical path, after beam expander and dif

3、fusing, the content light intensity is so weaker than the reference that it wont form very clear stripe when the two lights coherent, finally the hologram quality wont be high. As the convex has ability of gathering beams, we take advantage of the principle to gather content light which is after dif

4、fusing. Controlling the ratio in 1/4-1/5 scope, 1/2-1/3 scope to experiment, we will find the result of 1/2-1/3 scope is the best after observing contrastively and analyzing the hologram. To arrive at a conclusion is that ratio regulation in this range will improve the quality of the hologram prefer

5、ably.【Key Words】hologram content light reference ray light intensity ratio目錄(ml)一、引言(ynyn) （1）二、實(shí)驗(yàn)(shyn)原理 （1） （一）全息圖的記錄過程 （1） （二）全息圖的再現(xiàn)過程 （3）三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 （4） （一）未改進(jìn)的實(shí)驗(yàn) （4） （二）改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn) （5）四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 （5）參考文獻(xiàn)（6）致謝(zh xi)（6）PAGE 11PAGE 1探討光強(qiáng)比對(duì)全息圖質(zhì)量(zhling)的影響學(xué)生(xu sheng)姓名：葉競(jìng)?cè)?指導(dǎo)(zhdo)教師：劉明海一、引言隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，全息

6、照相使三維立體像的成功獲得成為了現(xiàn)實(shí)。在全息照相實(shí)驗(yàn)中，全息圖可以反映出被攝物體的全部信息。但是，由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境和條件要求嚴(yán)格，獲得一張清晰的高質(zhì)量的全息圖并不容易。提高全息圖質(zhì)量的方法很多，本文僅從物光與參考光的光強(qiáng)比這一角度進(jìn)行研究。在原來實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)凸透鏡，將物光與參考光的光強(qiáng)比分別控制在1/41/5之間，1/21/3之間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，并與原來實(shí)驗(yàn)的全息圖進(jìn)行對(duì)照，獲得了比較好的效果。二、實(shí)驗(yàn)原理光的全部信息可以用振幅、位相以及頻率來描述。其中，光的強(qiáng)度主要由光波的振幅來決定，而物體的各點(diǎn)在空間上相對(duì)位置的描述則通過位相來反映。全息照相就是同時(shí)記錄了振幅與位相的信息，也就是記錄了光

7、波的全部信息。全息照相由于比普通照相多記錄了位相的信息，所以得到的是一個(gè)三維的立體像。 全息照相分為兩個(gè)過程：（1）、利用干涉法記錄下光波的全部信息，我們稱之為波前記錄（拍攝）。（2）、利用衍射原理再現(xiàn)原光波，稱之為波前再現(xiàn)。（一）全息圖的記錄過程(1)物體發(fā)出的光照在底片上，對(duì)其中任意一點(diǎn)，該點(diǎn)所包含的振幅與位相信息的光可表示為： （1-1） 其中為振幅，為位相。在照相中將這兩個(gè)特征同時(shí)記錄下來，就可以實(shí)現(xiàn)全息記錄。如圖1，用相干性很好的HeNe激光器L發(fā)出激光，再由分束鏡BS將這束光分為兩束，透射光線經(jīng)反射鏡M1后經(jīng)過擴(kuò)束器C1照在被攝物體上，再由物體表面漫反射照在感光材料P上，將這束光稱

8、作物光(O光)；另一束光線經(jīng)反射鏡M2反射后，經(jīng)由擴(kuò)束器C2直接照在感光材料上。我們把這束光稱作參考光（R光）。物光與參考光會(huì)在干板P處疊加相干，繼而形成了明暗相間的干涉條紋。這些條紋記錄了物光所有的振幅與位相信息，相當(dāng)于調(diào)制過程。物光數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （1-2）參考(cnko)光數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （1-3）兩光相干(xinggn)后總光強(qiáng)為： （1-4）被攝物體擴(kuò)束鏡C2分束鏡BSM2HeNe激光器M1圖1 全息拍攝光路圖（未改進(jìn)時(shí)）全息干板P（2）由于全息照相的記錄(jl)過程實(shí)際上是物光與參考光兩束光的干涉。對(duì)于一般的線性元件來說，在雙光干涉的時(shí)候，根據(jù)條紋可見度(條紋可見度是描繪條紋清晰程

9、度的物理量)可以知道：假如,此時(shí)條紋會(huì)達(dá)到最低強(qiáng)度，其值為零，同時(shí)干涉條紋的對(duì)比度也達(dá)到最大，并且在同位相時(shí)，條紋的最大強(qiáng)度為4I。但是，在全息照相過程中，記錄介質(zhì)的曝光量H與振幅的透過率的特性曲線卻是非線性的。在雙光干涉的時(shí)候，如圖2所示，該曲線的兩端會(huì)產(chǎn)生畸變，繼而形成了較高階的衍射光，從而會(huì)導(dǎo)致衍射的效率變低。所以，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)的時(shí)侯應(yīng)該避免雙光干涉發(fā)生在非線性區(qū)。另外，在全息照相過程中，如果參考光比物光弱，會(huì)形成較為顯著的斑紋，隨之會(huì)在零級(jí)衍射光的周圍產(chǎn)生比較大的暈輪，這會(huì)嚴(yán)重影響成像的光通量，使它大大降低，最終使全息照相的效率變低。由此可以看出，在全息照相的過程中，物光與參考光的光強(qiáng)比

10、對(duì)全息圖的質(zhì)量至關(guān)重要。所以，為了保證有較高的成像質(zhì)量，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)時(shí)一定要控制好物光與參考光的光強(qiáng)比，一般會(huì)選擇將其控制在1/21/5之間，此時(shí)曝光量通常取在的位置。圖2 H曲線圖HM1擴(kuò)束鏡C1分束鏡BSHeNe激光器被攝物體擴(kuò)束鏡C2M2在全息照相(qunxzhoxing)實(shí)驗(yàn)中，為了保證物光與參考(cnko)光之間發(fā)生干涉，我們將同一個(gè)激光器發(fā)出(fch)的同一束激光分為兩束，認(rèn)為兩束光的光強(qiáng)相等。但是，其中物光首先經(jīng)過擴(kuò)束器投在物體上，然后物體再向四面八方漫反射，將其中一部分漫反射的光照到干板上，這樣的過程就使物光光強(qiáng)衰弱得更加嚴(yán)重；而參考光經(jīng)M2反射后，經(jīng)擴(kuò)束鏡C2直接投射到干板上，

11、光強(qiáng)比物光要強(qiáng)得多。為了使兩光干涉能夠得到清晰的條紋，將控制物光與參考光之比在1/21/5之間，在參考光強(qiáng)度不變的情況下，我們將光路中增置一個(gè)凸透鏡，改進(jìn)后的光路圖如圖3所示。凸透鏡在空氣中有聚光的本領(lǐng)，能將物體漫反射的光匯聚起來，從而增大物光的光強(qiáng)，得到一個(gè)均勻的、增強(qiáng)了的物光，縮小了物光與參考光的光強(qiáng)比差距，使成像更加清晰。凸透鏡全息干板P圖3 全息照相拍攝光路圖（改進(jìn)后的）（二）全息圖的再現(xiàn)(zixin)過程所謂(suwi)全息圖的再現(xiàn)(zixin)過程就是使原來的物體所發(fā)出的光波能在全息圖中再次出現(xiàn)。所應(yīng)用的原理就是光柵衍射。如圖4所示，用一特定方向的激光束或者與原來參考光方向相同的激

12、光束照射全息圖，圖上的每組干涉條紋都相當(dāng)于一個(gè)光柵，再現(xiàn)光通過它發(fā)生衍射。我們透過全息圖沿衍射方向朝著原來被拍攝物體方向和位置觀察的時(shí)候，就可以看到三維立體圖。擴(kuò)束器LHeNe激光器按照光柵衍射的原理可以知道，在出射的衍射光中，+1級(jí)的是發(fā)散的，其發(fā)散光波與物體在原來的位置所發(fā)出來的光波是相同的，它會(huì)形成和原來的物體完全相同的虛像，我們稱之為真像；而-1級(jí)的則是匯聚的，它形成的共軛實(shí)像，我們稱之為膺像。再現(xiàn)過程實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)解調(diào)過程。共軛實(shí)像物虛像圖4 全息再現(xiàn)光路圖 三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容準(zhǔn)備好防震全息臺(tái)，HeNe激光器，擴(kuò)束器，分束鏡，凸透鏡，被攝物體，調(diào)節(jié)支架，米尺，全息底片，計(jì)時(shí)器，沖洗設(shè)備等器

13、材，按如下步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。（一）未改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)（1）按照?qǐng)D1所示布置好光路，先不加擴(kuò)束鏡C1、C2。（2）關(guān)燈，在暗室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。打開激光器電源開關(guān)，點(diǎn)燃激光，當(dāng)激光強(qiáng)度穩(wěn)定之后調(diào)整光路：調(diào)整物光、參考光等高，調(diào)整各光學(xué)元件，使其表面與激光垂直，調(diào)整各光學(xué)元件的位置，使物光與參考光到全息干板的距離一樣（為了彌補(bǔ)時(shí)間相干性的不足，應(yīng)盡量減小兩者之間的光程差，使其限制在相干長(zhǎng)度之內(nèi)，等光程光路安排比較好），且物光與參考光夾角約為60度。調(diào)節(jié)被攝物高度，使物光打到被攝物中心。（3）放上擴(kuò)束器C1，使物光均勻照亮被攝物調(diào)動(dòng)固定有白屏的全息干板支架，使其法線位于物光與參考光的角平分線上，加上擴(kuò)束器C2，前后移

14、動(dòng)，同時(shí)調(diào)節(jié)平面鏡M2，使物光與參考光可以均勻照射在白屏上，并且兩光在白屏上可以均勻的變化。（4）遮住光源，取掉干板支架上的白屏，換上底片，并將帶藥的一面朝著能被光照的方向安裝在支架上。穩(wěn)定一兩分鐘以后開始曝光(bo gung)。進(jìn)行這一步實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意保持安靜，減小聲音振動(dòng)對(duì)全息圖的影響。（5）曝光完畢之后，從支架上取下底片，將底片放入顯影液中進(jìn)行顯影。由于我們配置的顯影液濃度偏高，所以只將底片在顯影液中稍微搖晃(yo hung)，然后取出，放在暗綠燈前觀察，綠燈變暗，即可進(jìn)行定影。將底片放入定影液中，進(jìn)行定影約二十多分鐘（此時(shí)可以開燈），取出底片用水沖洗。（6）將沖洗過的底片放在如圖4的

15、光路中，打開該光路的激光，人眼如圖四上下左右緩慢移動(dòng)，即可以觀察(gunch)到物體。將此底片記為底片1。（7）重復(fù)實(shí)驗(yàn)，獲得的底片記為底片2。（二）改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)（1）繼續(xù)保持暗室條件，打開激光，在剛才實(shí)驗(yàn)（一）的光路基礎(chǔ)上進(jìn)行改動(dòng)。在被攝物與干板之間放置一個(gè)焦距為10cm的凸透鏡，如圖3所示。此時(shí)，若用紙板遮住參考光，會(huì)發(fā)現(xiàn)物光經(jīng)透鏡后被均勻匯聚在白屏上。前后移動(dòng)該透鏡，在緊貼白屏的后方放置一個(gè)紙板，發(fā)現(xiàn)被匯聚的光斑在紙板這個(gè)平面上變大、變小，光強(qiáng)也均勻地變小、變大。去掉對(duì)參考光的遮擋，前后移動(dòng)凸透鏡的位置，并適當(dāng)調(diào)節(jié)M2、C2，在調(diào)節(jié)過程中，反復(fù)對(duì)參考光（或物光）進(jìn)行遮擋與不遮擋，觀察兩光

16、在緊貼白屏的紙板上光照的大小，及在白屏上的光強(qiáng)比，經(jīng)過多次調(diào)節(jié)與觀察，將物光與參考光光強(qiáng)比調(diào)節(jié)到大約在1/41/5之間時(shí)，兩光可以均勻照亮白屏，在紙板上大小也適中，此時(shí)，不再調(diào)節(jié)，開始拍攝。之后的步驟與實(shí)驗(yàn)（一）中的（4）、（5）、（6）過程相同。將此次底片記為底片3。（2）用焦距為100cm的凸透鏡替換焦距為10cm的透鏡。擋住參考光，前后移動(dòng)透鏡，觀察光斑在紙板上變化的過程中，光強(qiáng)普遍更明亮、均勻。選用該透鏡調(diào)節(jié)使光強(qiáng)比在1/21/3之間。調(diào)節(jié)過程與用10cm焦距的透鏡的實(shí)驗(yàn)過程類似。經(jīng)過多次調(diào)節(jié)、移動(dòng)，在調(diào)節(jié)中發(fā)現(xiàn)兩光在白屏上光強(qiáng)比約為1/21/3之間稍靠近1/2時(shí)比較合適，在該位置停止

17、調(diào)節(jié)，開始拍攝。之后過程與實(shí)驗(yàn)（一）中（4）、（5）、（6）相同，將此次實(shí)驗(yàn)獲得的底片記為底片4。（3）觀察底片3、底片4，并與底片1、底片2進(jìn)行對(duì)比，找出問題，分析其原因，再按上述步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)照所作分析，對(duì)光路重新進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。之后拍攝，獲得的底片分別記為底片5、底片6，然后再做觀察、對(duì)比。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析影響全息圖質(zhì)量的原因是多方面的，例如：曝光過程中對(duì)系統(tǒng)微小的震動(dòng)，物光與參考光的光程，物光與參考光的夾角的大小，物光與參考光在干板處的光強(qiáng)比，曝光時(shí)間的長(zhǎng)短，顯影時(shí)間的長(zhǎng)短等都會(huì)對(duì)全息圖質(zhì)量產(chǎn)生影響。在這里，我們只研究考慮物光與參考光的光強(qiáng)比對(duì)全息圖質(zhì)量的影響，其余影響因素在實(shí)驗(yàn)過程

18、中已盡量降到最低，并在每組實(shí)驗(yàn)中盡量保持一致。認(rèn)為這幾組實(shí)驗(yàn)結(jié)果中只有兩光的光強(qiáng)比產(chǎn)生影響，其余諸因素不予考慮。（一）實(shí)驗(yàn)未改進(jìn)的兩張底片進(jìn)行對(duì)比：底片1最不清楚，只能觀察到被攝物的一些較大部位。底片2比較清楚，能夠較為清晰地觀察到各個(gè)部位，但是，邊緣不是很清楚，是由光打的點(diǎn)組成的。拍攝底片1以前，可能沒有完全調(diào)平物光、參考光兩條光路，將光路重新調(diào)整后，拍出的底片2效果比底片1要好。（二）底片3、底片5與底片2對(duì)比(dub)：底片3上的像沒有底片2清楚，邊緣也比底片2模糊；底片5與底片2清晰程度相當(dāng)，但物體要稍亮。將光強(qiáng)比調(diào)到1/41/5間拍出的兩張底片效果沒有底片2好（或與底片2相當(dāng)），其原

19、因(yunyn)可能是加上透鏡后，仍然沒有調(diào)整好光路。對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，仍需對(duì)凸透鏡的位置進(jìn)行多次調(diào)節(jié)(tioji)，找出其合適的位置。底片沒有漂白好，除了底片4，其余幾張底片在顯影時(shí)都有不同程度的變黑，經(jīng)過漂白后，底片仍有不均勻。（三）底片4、底片6與底片2對(duì)比：底片4最清晰，觀察到的物體凹凸明顯，每一個(gè)細(xì)節(jié)都可以清楚看到，輪廓分明，與底片2不同，邊緣是由光滑的線條組成，而且這張底片上的物體比其余幾張要亮。底片6沒有底片4清晰，但是比其余幾張質(zhì)量要高。經(jīng)過對(duì)比觀察，將光強(qiáng)比控制在1/21/3之間，可以獲得清晰的全息圖，明顯地提高全息圖的質(zhì)量。但是，仔細(xì)觀察底片4，會(huì)發(fā)現(xiàn)除被攝物以外，還有透鏡的黑邊框。為彌補(bǔ)這一不足，我們可以采取以下措施：對(duì)透鏡的位置再進(jìn)行移動(dòng)，多次實(shí)驗(yàn)、摸索，找到一個(gè)合適的位置能使透鏡的邊框去掉。將透鏡的邊框上做些裝飾，使之成為一個(gè)相框，將透鏡的位置稍微移動(dòng)些，令最后所成照片中被攝物位于透鏡中央，透鏡邊緣變成一個(gè)漂亮的相框。如果經(jīng)過的進(jìn)一步改進(jìn)，對(duì)全息圖質(zhì)量的提高會(huì)更加地完美。參考文獻(xiàn)：1賀淑莉，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，科學(xué)出版社，2006年2月，106108頁(yè)。2高光金，對(duì)提高激光全息照片質(zhì)量的研究，濰坊學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，3（4）。3譚佐軍、桂容、曹煒、陳建軍，對(duì)全息照相實(shí)驗(yàn)的研究與改進(jìn)，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2007，20（2）。4代偉