光学实验报告 (一步彩虹全息)

光学设计性实验报告（一步彩虹全息）

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学院：物理学院

一步彩虹全息

摘要彩虹全息是用激光记录全息图, 是用白光再现单色或彩色像的一种全息技术。彩虹全息术的关键之处是在成像光路( 即记录光路) 中加入一狭缝, 这样在干板上也会留下狭缝的像。本文研究了一步彩虹全息图的记录和再现景象的基本原理、一步彩虹全息图与普通全息图的区别和联系、一步彩虹全息的实验光路图，探讨了拍摄一步彩虹全息图的技术要求和注意事项，指出了一步彩虹全息图的制作要点, 得出了影响拍摄效果的佳狭缝宽度、最佳狭缝位置及曝光时间对彩虹全息图再现像的影响。

关键词：一步彩虹全息；狭缝；再现

1 光学实验必须要严密，尽可能地减少实验所产生的误差；

2 实验仪器

防震全息台激光器分束镜成像透镜狭缝干板架光学元件架若干干板备件盒洗像设备一套线绳辅助棒扩束镜2个反射镜2个

3 实验原理

3.1 像面全息图

像面全息图的拍摄是用成像系统使物体成像在全息底板上，在引入一束与之相干的参考光束，即成像面全息图，它可用白光再现。再现象点的位置随波长而变化，其变化量取决于物体到全息平面的距离。

像面全息图的像（或物）位于全息图平面上，再现像也位于全息图上，只是看起来颜色有变化。因此在白光照射下，会因观察角度不同呈现的颜色亦不同。

3.2 彩虹全息的本质

彩虹全息的本质是要在观察者与物体的再现象之间形成一狭缝像，使观察者通过狭缝像来看物体的像，以实现白光再现单色像。若观察者的眼睛在狭缝像附近沿垂直于狭缝的方向移动,将看到颜色按波长顺序变化的再现像。若观察者的眼睛位于狭缝像后方适当位置, 由于狭缝对视场的限制, 通过某一波长所对应的狭缝只能看到再现像的某一条带, 其色彩与该波长对应, 并且狭缝像在空间是连

续的。观察者所看到的物体像具有连续变化的颜色, 像雨后天空中的彩虹一样, 因此这种全息图称为彩虹全息图。

一步彩虹全息图的记录光路是在三维照相的光路中，在记录干板与物体之间插入一个成像透镜和一个水平狭缝，把物体和狭缝的像一次记录下来，由于狭缝放置的位置不同，一步彩虹全息图的记录光路有两种；一种是赝像的记录光路，一种是真像记录光路。

3.2.1 赝像的记录光路

狭缝紧贴成像透镜后面放置，成像透镜只对物体成实像对狭缝不成实像，狭缝位于透镜焦点之内在焦点外成虚像。用会聚光作参考光。

3.2.2 真像的记录光路

狭缝和物体O均放在透镜L的焦点以外，狭缝位于物体和透镜之间。成像透镜对物体和狭缝均成实像，二者的像均在透镜的另一侧，物体的实像和狭缝的实像分别成在记录干板的前边和后边，物体的像离全息干板近一些。

3.3 彩虹全息真像纪录的参考光路

3.4 彩虹全息再现

白光被全息图衍射后即形成一簇从红到紫连续错开排列的彩色物像和色彩分立的狭缝实像。由于狭缝像限制了衍射物光的传播方向和观察范围，观察者的瞳孔对准某一狭缝像只能看到一个准单色物像，所以狭缝起了滤波器的作用，有了它，彩虹全息图才可以用白光再现。但是因视角受透镜孔径限制，狭缝又只允许一定方向和范围的物光通过，所以再现像只保留了沿缝方向的透视效果。

4 实验内容及操作步骤

一步彩虹全息图的记录与再现

1、设计光路，如图3所示；

2、布置和调整全息光路；（1）调激光束与工作台面平行

（2）调所有光学元件处于等高同轴位置处：使用辅助棒将所有元件调至等高且使各光学

元件的表面与激光束的主光线垂直即同轴（3）按设计的光路图摆设光路

①调整物光路和参考光光路，先不放狭缝和两个扩束镜。构建好光路的整体框架。对

于物光光路加入成像透镜L以后，在L的后方用毛玻璃寻找物体的实像。透过L看实像，沿光轴方向移动物体，调整物距和像距，使人眼恰好能看到整个实像。调整好后在实像后面一定位置放置干板架。同时使参考光可以直接照射在玻璃片上

②分别在物光路和参考光路中放入扩束镜

③加入狭缝S，狭缝的宽度约1.5mm左右，通过狭缝的像观察物体的实像是否完整，若

狭缝的像左右不全，可适当加大狭缝宽度或更换较小的物体

④调整M2的位置，使参考光光程和物光光程相等，且参考光与物光的夹角大约在30度到45度之间

⑤参考光与物光的光强比在4：1~8：1间选择

3、曝光9秒

4、冲洗

先在显影液中显影至底片上黑白十分清晰后，放入清水中清洗，再在定影液中定影约5分钟，然后取片清洗

5、再现。用白光源再现彩虹全息像。

5 实验结果

实验台的摆放情况如下图：

实验最后在灯光下看到的结果如下：

6注意事项

1、一定要使用辅助棒将各光学元件调到等高同轴位置处；

2、摆光路图时光线要在同一高度, 否则所测量的光程有误差; 物光光程与参考光要近似相等, 并尽可能地减小测量误差。若误差大, 在记录干版上将记录不到物光和参考光的干涉条纹；

3、参考光与物光的夹角大约在30度到45度之间；

4、物像和底片的距离要大概是是两倍焦距，物体呈的像正好打在底片上，形成等大倒立的实像；

5、由于狭缝的作用, 物光明显减弱, 需很好地调整物光与参考光的光强比。物光不能太弱, 否则干涉条纹的对比度会下降。要尽可能使物光增强, 以缩短曝光时间。曝光时间愈长, 对全息台的稳定性要求愈高。如果曝光时间过长,

干涉条纹漂移, 将记录不到清晰的干涉条纹；

6、杂散光要挡掉, 否则干涉条纹的对比度下降, 再现时将得不到清晰的物体像；

7、曝光时,严禁有任何振动,否则会引起干涉条纹偏移,若干涉条纹偏移条纹间距的一半时, 将记录不到干涉条纹；

8、显影时,要控制好显影时间。显影时间既不能过短,也不能过长。显影时间过短或过长都会影响再现像的清晰度；

9、定影要充分；

7 实验讨论

1、一步彩虹全息图与全息照相和像面全息的区别与联系全息照相：是物反射的光与参考光发生干涉；使用激光再现；

像面全息：是光通过物与干板之间放的凸透镜成的像与参考光发生干涉；使用白光就可看见，但是效果并不明显；

一步彩虹全息：在像面全息的凸透镜与物之间放一个狭缝，起到空间滤波的作用，使衍射光与参考光发生干涉；使用白光就可再现；