北京交通大学全息光栅.pdf

全息实验专题全息实验专题全息术（holography） 是一种利用干涉和衍射原理记录并再现物体光波波前的技术，是当代引人瞩目的新技术，它已经成为了近代光学量余力的一个重要分支其在全息干涉量度术、全息光学元件和全息信息存储、全息立体显示、全息变换、特征识别等方面有着广泛的应用前景目前全息术在科技、文化、工业、农业、医药、艺术、商业等领域都获得了一定程度的应用本专题主要介绍了关于全息术应用的两个方面： 全息光栅的制作和全息照相包括了三个实验：1.一般分振幅法制作全息光栅；2.马赫-曾德干涉法制作全息光栅；3.全息照相实验实验 1 1一般分振幅法制作全息光栅一般分振幅法制作全息光栅全息光栅是利用全息照相技术制作的光栅 利用光的相干叠加原理使两束光在记录材料（全息干板）上发生干涉，将记录下来的干涉条纹进行显影、定影就能得到全息光栅全息光栅在光谱研究、光学精密测量和光波调制等方面都有重要的应用目前，用于工业自动化数控技术的光栅除了采用复制光栅以外，大都采用全息法制作光栅， 全息法制作光栅的特点主要体现在以下几点：1)光路排布灵活， 适合制作不同空间频率的光栅；2)光栅尺寸可做得很大；3) 制作效率高；4)若制作正交正弦光栅，全息法则更显优越。

1】有多种方法可以制作全息光栅， 而用光波相干叠加的方法制作全息光栅的光路有两类，一类称为“分振幅法”，即利用分光镜，使同一光波一分为二，一部分透射，另一部分反射，然后使两束光相遇发生干涉，干涉条纹即为光栅；另一类称为“分波面法”，它将同一光波的波面一分为二，然后使两束光相遇发生干涉本专题采用的两种方法都为分振幅法，但光路略有不同实验目的实验目的（1） 熟悉光路的安排及调节，熟悉暗室技术2） 按照一般分振幅法制作一维全息光栅，观察光栅光谱，并测量光栅有关特性实验器材实验器材全息平台， 光学元件架六个，分束镜， 扩束镜，平面反射镜两个，激光器，准直透镜，平晶，全息干板，带小孔的白屏，洗相设备实验原理实验原理1.1.全息法制作正弦光栅的原理全息法制作正弦光栅的原理【【2 2】】U1 U2 θ x 图图 1 1实验原理图实验原理图有两束平面波，其复振幅分布分别为sin 21;ikxBeUAU，它们传播方向的夹角为，如图 1 所示，在空间屏幕上的光强分布为)sincos(222sinsin222sin2 21kxABBAABeABeBABeAUUIikxikxikx（1）屏幕上将得到一组垂直于 x 方向的直条纹。

若将屏幕换成感光底片，控制曝光量在适当的范围内，底片经曝光处理后，振幅透射率将与曝光光强成正比，设 K 为一常数，即 sinsin22ikxikxABeABeBAKt（2）这就是一个正弦型光栅， 光栅常数为 sind 用复振幅AU 1的平面波按原方向照射底片，则底片透射光为sin2sin222)(ikxikxBeKABeKABAKAtAU（3）可见正弦光栅的衍射仅出现 0 级，1级，其角位置分别为 0，如果曝光量超过一定范围时，底片透射率与光强不成正比，这样制成的光栅将接近于矩形光栅，其衍射条纹会出现高次项2.2.光栅的空间频率与光栅常数光栅的空间频率与光栅常数【【1 1】】设两束相干平面波的夹角为θ，全息干板的法线为夹角的角平分线，如图 2 所示这时制得的全息光栅的条纹间距(光栅常数)d 为：（4）图图 2 2相干平面波相干平面波其中，ζ0为光栅的空间频率，λ为相干平面光波的波长但测量角度毕竟是一件不方便的事情，用大家熟悉的光路参数来表示，如图 3 所示在两相干平面光波叠加处插入一焦距为 f 的透镜，在透镜后焦平面上将得到两光点，设两光点中心距为 x0，则（5）将(5)式代人(4)式，则光栅常数用光路参数表示为(6)当θ角很小时，有,则光栅的空间频率为(7)其中 x0和 f 的测量都极为方便。

图图 3 3光路参数示意图光路参数示意图3.3.实验光路实验光路图图 4 4一般分振幅法制作全息光栅的光路图一般分振幅法制作全息光栅的光路图其中其中 L1: :扩束镜扩束镜，，L2: :准直透镜准直透镜，，BS: :分束镜分束镜，，M1，，M2：：全反镜全反镜，，H：：全息干板全息干板4.4.扩束准直系统的调节和使用扩束准直系统的调节和使用【【2 2】】激光束的面积很小，一般都需经过扩束及准直，必要时还需加上针孔滤波器，使其成为面积较大的均匀光斑激光扩束镜通常使用半球形扩束镜或显微镜物镜在扩束镜的焦点上放置针孔滤波器，在针孔滤波器后面放置准直镜 准直镜与扩束镜构成倒装的伽利略望远镜系统，如图 5为了获得均匀的平行光， 必须使光学元件的方位符合尽量减少象差的条件 首先应使激光束与全息台面平行， 其他光学元件必须共轴而且， 要求发散或会聚的光束应朝向扩束镜及准直镜的曲率半径 R 大的表面或平面，平行光应朝向 R 小的表面通常可用灯丝的反射光来判断 R 的大小扩束镜的调整方法如下：(1) 准备工作：先把激光束调到合适的高度，并使光束与工作台面平行，然后放上扩束镜2) 在扩束镜 L1 前放一中心带孔的白屏 A，孔的直径约为3-5mm，让激光束无遮挡的通过，在扩束镜后也放一光屏 B，A、B两个光屏离扩束镜约在 5-10cm 左右。

调整好的扩束镜的光轴必须与激光束的光轴重合，如图 6（a）所示，即要求两者同位置同方向这可借助于 A 和 B 两个光屏上的光斑来判断是否达到了要求可先调 L1 使屏上的光斑尽可能均匀、对称，这可由调节 L1 的横向坐标来实现然后在屏上仔细寻找类似于牛顿环样的干涉圆环由于光很弱或是没有调整好，圆环出现在远12431 激光器2 扩束镜3 针孔4 准直镜图图 5 5 伽利略望远镜系统伽利略望远镜系统(a)激光束与扩束镜光轴重合 (b)激光束与扩束镜不同心 (c)激光束与扩束镜方向不同图图 6 6扩束镜的光轴与激光束的光轴位置示意图扩束镜的光轴与激光束的光轴位置示意图离中心的地方如图 7(b)所示，甚至看不到圆环干涉圆环是由扩束镜前后两曲面对入射光的部分反射， 在屏上相干涉形成的，仔细找到出现在屏上的圆环，然后慢慢调整扩束镜的两个旋转微调，直到 A、B 二屏上的圆环中心与激光束重合为止通常要反复几次调平移微调及旋转微调才能达到调好的圆环如图 7(a)所示5.5.平行光的调节平行光的调节【【2 2】】激光束经过扩束镜会聚后，出射的是一束发散的同心光束，一般要用准直镜将它调成平行光准直镜一般用口径较大焦距较长的双胶合透镜来担任， 这样可以得到面积较大的光束，处理较大的图象。

在要求不太高的场合，用薄的单片凸透镜也可以下面介绍用准直镜获得平行光的方法1） 把准直镜放在扩束镜后面， 使准直镜较平的一面对着扩束镜，另一面为光束的输出面；（2） 粗略移动准直镜，使其前焦点大致与扩束镜的后焦点重合；（3） 用光屏放在准直镜后观察输出光束与准直镜边框的影子，横向平移准直镜，使光斑处于框影的中央位置4） 旋转准直镜， 使光轴与激光传播方向一致 可以从扩束镜前面顺着激光传播方向观察准直镜， 可以看到随准直镜光轴转动的三个光点，此三个光点是激光束透过准直镜时，由透镜玻璃的三个球形表面部分反射回来的光形成的 当此三个光点的连线与激光束传播方向重合时（目视）即可认为准直镜的光轴方向已调好a)已调准(b)未调准图图 7 7干涉圆环图样干涉圆环图样（5） 用平晶检查输出光是否平行平晶是两个表面严格平行的一块玻璃由薄膜干涉的理论知道，一束光射到平晶上后，在前、后两个界面反射的光束将发生干涉 由于平晶各处的厚度相等，故光程差由光的入射角度决定当入射光调整为平行光时，光程差处处相等，整个光场上的光强应均匀分布， 看不到干涉条纹然而由于平晶两表面不可能绝对平行，而且其折射率也存在某种不均匀性，所以即使平行光照射时，也会看到干涉条纹，但这时干涉条纹的间隔应为最大。

调节时，将平晶放在准直透镜后面使其与入射光成一角度，观察平晶前后表面反射光形成的干涉条纹，沿 z 轴平移准直透镜位置，直至条纹间隔为最大如图 8 所示6) 用自准直法检查输出光平行与否可用一块平面反射镜， 放在准直镜后，使准直镜的输出光经平面镜反射回来用一带孔的光屏放在扩束镜的会聚点上，使激光束从屏孔中无阻挡的通过这样由平面镜反射回来的光经准直镜后又会聚到带孔的屏上 转动反射平面镜使会聚光斑在小孔的近旁 当前后移动准直镜时可看到光斑的大小在变化当光斑最小时即认为已经调好，这时由准直镜输出的光为平行光图图 8 8 平晶检查输出光是否平行示意图平晶检查输出光是否平行示意图实验内容及要求实验内容及要求1 1．调节光路．调节光路首先按照上述光路调节方法将扩束准直系统和平行光调节好， 然后调节平行光通过分束镜与全反镜后的等高共轴 一束平行于全息台的平行光入射到分束镜或全反镜后， 怎样才能使其反射光依然平行于全息台出射呢？显然， 只有当分束镜或全反镜的反射平面严格垂直于全息台才能使得反射光依然以同一方向出射，如图 9 所示图图 9 9反射光出射方向图反射光出射方向图所以我们可以在准直透镜 L2 后放一个带小孔的白屏，然后把分束镜或全反镜放到小孔后，首先调节镜子的高度，使入射的光点位于镜子中间，然后调节镜面的俯仰，以使反射光点照射在小孔中央。

将每个分束镜和全反镜依次调节好按照图 4 搭好光路，使两束光的光程相等2 2．拍摄全息光栅．拍摄全息光栅关闭室内光源，遮住激光，在 H 处放上全息干板，曝光3.3.冲洗冲洗（1）显影：用 D-19 显影液，在安全灯下观察显影进程，待底片呈灰色取出；（2）停影：用停影液或清水冲洗底片；（3）定影：用 F-5 定影液，底片浸入 4-5min 取出；（4）用水冲洗，吹干注意事项注意事项1.激光电源开启后输出端电压高达数千伏，切勿触摸输出端，以免发生危险；2.未扩束的激光强度较高， 勿用眼睛直接对视激光， 以免损伤视网膜；3.严禁用手、布片、纸片等触摸或擦拭光学元件的通光表面，如有沾污或尘土，应报告教师，由教师正确处理实验实验 2 2马赫马赫- -曾德干涉法制作全息光栅曾德干涉法制作全息光栅实验目的实验目的（1）进一步熟悉光路的安排及调节，熟悉暗室技术2）按照马赫-曾德干涉法制作一维全息光栅，观察光栅光谱，并测量光栅有关特性实验器材实验器材全息平台，光学元件架七个，扩束镜，分束镜、平面反射镜各两个，激光器，准直透镜，平晶，全息干板，带小孔的白屏，洗相设备实验原理实验原理马赫-曾德干涉法（Mach-Zehnder interferometter）是另一种用分振幅法产生双光束以实现干涉的方法， 其光栅制作原理及扩束与准直系统和平行光的调节方法与一般分振幅法相同。

其光路如图 10 所示光路主要是由两块分束器 BS1、BS2及两块平面反射镜 M1、M2组成四个反射面互相接近平行，中心光路构成一个平行四边形激光器射出来的光束经反射镜 M3改变了光束的方向，光束经过扩束镜及准直透镜形成一束宽度合适的平行光 这束平行光射入分束器 BS1之后分为两束，一束由 BS1反射后到达 M1，经 M1再反射由BS2透射出去，这是第 I 束光另一束由 BS1透射，经 M2及 BS2两次反射后射出，这是第 II 束光在 BS2前方两束光重合区域放上屏幕 P，若 I、II 两束光严格平行，则在屏幕 P 上不出现干涉条纹；若两束光有一个交角，则在屏幕上将出现干涉条纹，两束光交角愈大，则干涉条纹愈密图图 1010马赫马赫- -曾德干涉光路图曾德干涉光路图L1:扩束镜，L2:准直透镜，BS1,BS2:分束镜，M1，M2：全反镜，H：全息干板一般分振幅法和马赫-曾德干涉法制作全息光栅的共同点都是光路对称，容易排布，且光程差非常小，干涉效果好在一般分振幅法中，两束相干光束的夹角θ调节范围大，所以制作光栅常数的范围也较大；而马赫尔-曾德干涉法。