【正文】 ：從激光器發(fā)出的相干光波被分束鏡分成兩束，一束經反射、擴束后照在被攝物體上，經物體的反射或透射的光再射到感光底片上，這束光稱為物光波；另一束經反射、擴束后直接照射在感光底片上，這束光稱為參考光波。由于這兩束光是相干的，所以在感光底片上就形成并記錄了明暗相間的干涉條紋。干涉條紋的形狀和疏密反映了物光的位相分布的情況，而條紋明暗的反差反映了物光的振幅，感光底片上將物光的信息都記錄下來了，經過顯影、定影處理后，便形成與光柵相似結構的全息圖—全息照片。所以全息圖不是別的，正是參考光波和物光波干涉圖樣的記錄。顯然，全息照片本身和原來物體沒有任何相似之處。圖2 漫反射全息光路圖衍射再現物光波前的再現利用了光波的衍射，如圖3所示。用一束參考光（在大多數情況下是與記錄全息圖時用的參考光波完全相同）照射在全息圖上，就好像在一塊復雜光柵上發(fā)生衍射，在衍射光波中將包含有原來的物光波，因此當觀察者迎著物光波方向觀察時，便可看到物體的再現像。這是一個虛像，它具有原始物體的一切特征。此外還有一個實像，稱為共軛像。應該指出，共軛波所形成的實像的三維結構與原物并不完全相似。圖3 衍射再現圖示（二）、全息照相的主要特點和應用全息照片具有許多有趣的特點：片上的花紋與被攝物體無任何相似之處，在相干光束的照射下，物體圖像卻能如實重現。立體感很明顯（三維再現性），如某些隱藏在物體背后的東西，只要把頭偏移一下，也可以看到。視差效應很明顯。全息圖打碎后，只要任取一小片，照樣可以用來重現物光波。猶如通過小窗口觀察物體那樣，仍能看到物體的全貌。這是因為全息圖上的每一個小的局部都完整地記錄了整個物體的信息（每個物點發(fā)出的球面光波都照亮整個感光底片，并與參考光波在整個底片上發(fā)生干涉，因而整個底片上都留下了這個物點的信息）。當然，由于受光面積減少，成像光束的強度要相應地減弱；而且由于全息圖變小，邊緣的衍射效應增強而必然會導致像質的下降。 在同一張照片上，可以重疊數個不同的全息圖。在記錄時或改變物光與參考光之間的夾角，或改變物體的位置，或改變被攝的物體等等，一一曝光之后再進行顯影與定影，再現時能一一重現各個不同的圖像。由于具有這些特點，全息照相術現在已經得到了廣泛的應用。如前面提到的全息信息存儲和全息干涉分析就是分別應用了所述的第三和第四個特點。四、實驗條件 為了實現全息照相，實驗裝置必須具備下述的三個基本條件：一個好的相干光源。全息原理在1948年就已提出，但由于沒有合適的光源而難以實現。激光的出現為全息照相提供了一個理想的光源，這是因為激光具有很好的空間相干性和時間相干性。本實驗用多縱模HeNe激光器， nm，其相干長度約為20 cm。為了保證物光和參考光之間良好的相干性，應盡可能使兩光束的光程接近，一般要求光程差不超過4cm，以使光程差在激光的相干長度內。 一個穩(wěn)定性較好的防震臺。由于全息底片上所記錄的干涉條紋很細，相當于波長量級，在照相過程中極小的干擾都會引起干涉條紋的模糊，不能形成全息圖，因此要求整個光學系統(tǒng)的穩(wěn)定性良好。從布拉格法則可知：條紋寬度，由此公式可以估計一下條紋的寬度。當物光與參考光之間的夾角時，則?？梢?，在記錄時條紋或底片移動1 mm，將不能成功地得到全息圖。因此在記錄過程中，光路中各個光學元件（包括光源和被攝物體）都必須牢牢固定在防震臺上。從公式可知，當角減小時，d增加，抗干擾性增強。但考慮到再現時使衍射光和零級衍射光能分得開一些，角要大于300，一般取450左右。還有適當縮短曝光時間，保持環(huán)境安靜都是有利于記錄的。高分辨率的感光底片。普通感光底片由于銀化合物的顆粒較粗，每毫米只能記錄幾十至幾百條，不能用來記錄全息照相的細密干涉條紋，必須采用高分辨率的感光底片（一般采用條紋寬度d的倒數表示空間頻率或感光材料的分辨率）。我們采用的是天津感光膠片廠出品的GSI型紅光干版。其極限分辨率為3000條每毫米。其實，要獲得最終的全息圖，充分了解和學習感光底片的顯影、定影、沖洗等有關攝影的暗室技術知識也是不可缺少的?！緦嶒灢襟E】（一）全息記錄1． 調節(jié)防震臺。分別對三個低壓囊式空氣彈簧充氣，注意三個氣囊充其量要大致相同，然后成等腰三角形放置，氣嘴應向外。然后再把鋼板壓上。用水平儀測量鋼板的水平度，如果不平，可稍稍放掉一些某個氣囊中的空氣，直到調平為止。2． 打開激光器，參照圖2擺好光路，使光路系統(tǒng)滿足下列要求：（1）物光和參考光的光程大致相等；（2）經擴束鏡擴展后的參考光應均勻照在整個底片上，被攝物體各部分也應得到較均勻照明。（3）使兩光束在底片處重疊時之間的夾角小于30度為宜。（4）在底片處物光和參考光的光強比約為1:2 ～ 1:6，具體要視情況而定。3． 關上照明燈（可開暗綠燈），確定曝光時間，調好定時曝光器?？梢韵染毩曇幌驴扉T的使用。4． 關閉快門擋住激光，將底片從暗室中取出裝在底片架上，應注意使乳膠面對著光的入射方向。靜置三分鐘后進行曝光。曝光過程中絕對不準觸及防震臺，并保持室內安靜。5． 顯影及定影。顯影液采用D－19，定影液采用F－5。它們由實驗室提供。如室溫較高，顯影后底片應放在5%冰醋酸溶液中停顯后再定影。顯影定影溫度以20攝氏度最為適宜。顯影時間2～3分鐘，定影時間5～10分鐘。定影后的底片應放在清水中沖洗5～10分鐘（長期保存的底片定影后要沖洗20分鐘以上），晾干。（二）物像再現將全息照片放回原處，遮住物光，用參考光束照亮全息片，可觀察到： 物的虛像－正1級衍射光，在全息片后，用眼睛直接觀察，在原物處有物的虛像。改變觀察角度，看到虛像有何不同？通過有小孔的紙片觀察，在不同的部位看到的虛像有無不同？改變參考光束的強弱與遠近，看到的情況有何不同？2. 物的共軛像－負1級衍射光（在0級光的另一側），用毛玻璃屏接收物體的共軛像。實驗五 塞曼效應實驗19世紀偉大的物理學家法拉第研究電磁場對光的影響，發(fā)現了磁場能改變偏振光的偏振方向。1896年荷蘭物理學家塞曼（Pieter Zeeman）根據法拉第的想法，探測磁場對譜線的影響，發(fā)現鈉雙線在磁場中的分裂。 洛侖茲根據經典電子論解釋了分裂為三條的正常塞曼效應。由于研究這個效應，塞曼和洛侖茲共同獲得了1902年的諾貝爾物理學獎。他們這一重要研究成就，有力地支持了光的電磁理論，使我們對物質的光譜、原子和分子的結構有了更多的了解。至今塞曼效應仍是研究能級結構的重要方法之一?！緦嶒災康摹?學習觀察塞曼效應的方法； 利用法布里－珀羅（Fabry－Perot）標準具觀察汞燈譜線（綠色，波長）在磁場中的塞曼分裂現象，測量譜線的分裂波數差?！緦嶒炘怼咳涸谕獯艌鲎饔孟拢捎谠哟啪嘏c磁場相互作用，使原子能級產生分裂。垂直于磁場觀察時，產生線偏振光（線和線）；平行于磁場觀察時，產生圓偏振光（左旋、右旋）。 能級分裂原理：原子某一能級的能量為，在外磁場的作用下，原子會獲得附加能量＝ （*）其中為玻爾磁子＝；為電子質量；為電子電荷；為磁量子數，＝，－1，……，－（共2＋1個值）；為朗德因子，＝由（*）式中可以看出，由于共有（2＋1）個值，所以原子的這個能級在外磁場作用下將會分裂為（2＋1）個能級，相鄰兩能級間隔為。因為由量子態(tài)決定，所以不同能級分裂的子能級間隔不同。設頻率為的譜線是由原子的上能級躍遷到下能級所產生的，則磁場中新譜線頻率變?yōu)?，則頻率差為＝－＝＝用波數差表示為＝＝，其中為洛倫茲單位，＝ 線和線：躍遷時的選擇定則：，當＝時，垂直于磁場方向觀察時，產生的振動方向平行于磁場的線偏振光叫線；平行于磁場觀察時線成分不出現。當＝時，垂直于磁場方向觀察時，產生的振動方向垂直于磁場的線偏振光叫線；平行于磁場觀察時，產生圓偏振光，＝，偏振轉向是沿磁場方向前進的螺旋轉動方向，磁場指向觀察者時，為左旋圓偏振光；＝，偏振轉向是沿磁場方向倒退的螺旋轉動方向，磁場指向觀察者時，為右旋圓偏振光。 錯序觀察法：，其裂距相等為。其中3條線，6條線。采用加大磁場的方法使某些分量錯序，并且正好與相鄰干涉序的另一些分量重疊（即錯序觀察法），從而測得磁場強度。 計算磁感強度大?。涸O9條子譜線等分色散范圍時，磁場強度為，則有：＝（單位為）……（﹡），為F－P標準具的色散范圍，＝＝，代入的數值，真空中光速的數值，以及前人測得的荷質比的數值，則……（1）將（1）代入（﹡），則有＝所以。若相鄰兩譜線條子譜線重疊，則在一個色散范圍內只有條子譜線，此時相應的磁場強度為。 計算荷質比：因為各子譜線裂距為，所以波數差＝＝則＝＝注意：這種計算荷質比的方法并不科學，因為在計算磁場強度時，用到了，代入了前人測得的荷質比數值；若要精確測得荷質比的數值，應用其他辦法測出磁場強度（如霍爾效應）?！緦嶒瀮x器】WPZⅢ型塞曼效應儀，計算機。【實驗內容】按圖示布置將實驗儀器放置在實驗平臺上。將筆形汞燈插入兩線圈中間的燈架中，其接線分別接入電磁鐵前的接線柱上。打開開關，點亮汞燈，調整透鏡座、干涉濾光片和FP標準具座，使它們與光源同軸。調節(jié)FP標準具的鏡片嚴格平行。方法是：粗調：通過標準具觀察汞燈照明可見一組同心圓環(huán)。觀察者的眼睛向著微調螺絲的方向移動時，圓環(huán)也會移動，這說明標準具的鏡片還沒嚴格平行。這時仔細調節(jié)三顆微調螺絲直至眼睛移動時圓環(huán)不動。精調：在實驗時仍需進一步調整微調螺絲，直至在顯示器上觀察時圖像最清晰為止。CCD放到圖示的位置上并讓光線能完全進入CCD。 CCD的輸出視頻電纜接入電腦主機視頻輸入端，分別將電源插頭插入電源插座。（CCD電源通過變壓器接入DC12V）運行電腦里的“塞曼效應只能分析軟件”，并單擊“預覽按鈕，仔細調節(jié)透鏡、干涉濾光片、FP標準具相互間的位置直至在屏幕上看到清晰的圓環(huán)。打開磁場開關，逐漸加大電流至能看到分裂的九條譜線。旋轉偏振片將分別看到分量的3條譜線和分量的6條譜線。利用智能分析軟件可對譜線進行分析，具體使用方法見“附錄“。電磁鐵架在電源上方；松開鎖緊螺絲可使電磁鐵旋轉，抽出電磁鐵中間插芯，可作縱向塞曼實驗。此時在電磁鐵插芯孔前加上波片，使圓偏振光變成線偏振光，旋轉偏振片，使分裂的兩條譜線中的一條消失，再反方向旋轉偏振片使消失的一條譜線重現而另一條譜線消失了，這樣可以證明分裂的兩條譜線是左、右旋偏振光。33