第四周：全息照相

大学物理实验报告：全息照相 (Holography)

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一、 实验目的

1. 了解全息照相的基本原理（干涉记录）及物像再现原理（衍射再现）。
2. 掌握漫反射物体透射全息图的拍摄光路搭建及底片冲洗方法。
3. 观察全息图的再现，研究虚像与实像的观察规律。

二、 实验仪器

激光器（He-Ne 激光器，\(\lambda = 632.8\text{ nm}\)）、隔震光学平台、全息干板、分束镜、扩束镜（两组）、反射镜（两组）、被摄物体（白瓷像）、光强计、快门。

三、 实验原理

1. 记录（干涉）：
   利用相干性极强的激光，将其分为两束。一束直接照射到感光底片上（参考光 \(R\)），另一束经物体反射后照射到感光底片上（物光 \(O\)）。两束光在底片上发生干涉，记录下物光的振幅和相位信息：
   \[I = (O+R)(O^*+R^*) = I_O + I_R + OR^* + O^*R \]

2. 再现（衍射）：
   用与参考光相同的激光照射处理后的底片，底片相当于复杂的衍射光栅，产生 \(\pm 1\) 级衍射光。其中 \(+1\) 级衍射光对应原物光的波前，观察者可看到原物体的三维虚像。

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四、 实验数据记录与处理

根据教案表 6.7-1 的要求，以下为拍摄条件记录及现象观察：

表 6.7-1 全息图片拍摄条件与观察

光束夹角 / (°)	物:参光强比	曝光时间 / s	物像(虚像)观察	共轭光成像规律观察
35°	1 : 4	100 s	在底片后方观察到清晰的三维虚像，具深度感和视差。	在底片另一侧可观察到实像，像点较弥散。

数据处理说明：

1. 光强比选取：教案要求控制在 \(1:3\) 到 \(1:5\) 之间。选定 1:4 是为了兼顾干涉条纹的衬度与线性记录范围，避免底片过早饱和。
2. 曝光时间：根据 He-Ne 激光器功率（约 \(20\text{ mW}\)）及全息干板灵敏度，设定为 25 s。
3. 光栅常量计算 (理论推导)：
   若参考光与物光夹角 \(\theta = 35^\circ\)，激光波长 \(\lambda = 632.8\text{ nm}\)，则干涉条纹间距（光栅常量）\(d\) 为：
   \[d = \frac{\lambda}{\sin \theta} = \frac{632.8 \times 10^{-9}\text{ m}}{\sin 35^\circ} \approx 1.10 \times 10^{-6}\text{ m} = 1.10\ \mu\text{m} \]
   对应空间频率约为 \(906\text{ lines/mm}\)，处于红敏高分辨率干板（约 \(4000\text{ lines/mm}\)）的承载范围内。

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五、 实验步骤简述

1. 搭建光路：按教案图 6.7-2 摆放组件，确保物光和参考光至底片的光程差近乎相等（控制在 \(5\text{ cm}\) 以内）。
2. 调节光强比：移动扩束镜或使用衰减片，使底片位置处参考光与物光强度比满足理论要求。
3. 静置防震：全息干板装入支架后，静置 2 min 以消除环境震动。
4. 曝光与冲洗：开启快门曝光。随后进行：显影 → 停影 → 定影 → 水洗 → 干燥。
5. 物像再现：将干燥后的底片放回原处，仅用参考光照射，在底片后方观察再现像。

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六、 现象分析与结论

1. 三维特性：全息图再现的虚像具有完全的视差，左右移动观察角度，可以看到物体的不同侧面，这说明全息图完整记录了相位信息。
2. 可分割性：实验中尝试挡住底片的一部分，剩余部分仍能再现完整的物体像，只是亮度有所降低，分辨率略微下降。
3. 结论：本实验通过控制合适的光强比（1:4）和光束夹角（35°），成功记录并再现了物体的全息像，验证了波前重建理论。

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