全息光栅的制作

1、全息光栅的制作光栅是一种光学元件，其上有规则地配置着线、缝、槽或光学性质周期性变化的物质。从广义角度讲，任何一种装置和结构，只要它能给入射光的振幅或相位，或者两者同时加上一个周期性的空间调制，都可以称之为光栅。换言之，任何一种具有周期性的空间结构或光学性能周期性变化（如透射率、折射率）的衍射屏统称为光栅。决定光栅性能的基本参数有三个：光栅的周期或空间频率（周期的倒数）；槽形（一个周期内的具体结构）；光栅的衍射效率。按照制造光栅的方法来分，光栅可分为刻划光栅、全息光栅。刻划光栅通常是用精密的刻线机在玻璃或镀有金属膜的玻璃上刻出，它不仅需要昂贵的设备（刻线机），对刻划条件要求很苛刻，而且很费时间，

2、例如刻一块面积100100mm2、空间频率为6001200c/mm的光栅需要昼夜不停地刻划一个星期。1948年盖伯（Gabor）发现了全息光学原理，随着六十年代激光技术的发展，出现了用记录激光干涉条纹制作光栅的技术，发展了所谓的全息光栅。国际上，在1970年就有全息光栅出售（法国JovinYvom公司）；西德在1969年制成了边长达lm的全息光栅，用于天文学方面。我国也有一些单位在研制全息光栅，并有出售。同刻划光栅比，全息光栅具有很多优点：不存在固有的周期误差，因而不存在罗兰鬼线；杂散光少；光栅的适用范围宽；分辨率高；有效孔径大；生产周期短。由于全息光栅的上述特点使得它在生产和技术中得到了广泛

3、的应用，它不仅适合于高分辨的得发射、吸收和喇曼光谱分析，在光信息处理中得到广泛的应用，而且已用于激光器件中作为波长选择元件，在集成光学和光通信方面作为光耦合元件将有着极大的应用潜力。一、实验目的验证双光束干涉的基本原理，进一步理解双光束干涉的基本理论；学习马赫泽德干涉仪的光路布置原则和调节方法；掌握制作正弦型全息光栅的原理和方法；二、实验原理1.光的干涉原理当两束相干的平面波以一定的角度相遇时，在他们相遇的区域内便会产生干涉，其干涉图样在某一平面内是一系列平行等距的干涉条纹，其强度分布则是按余弦规律而变化，即干涉图样的强度分布是1=1+1+2AAcos（Q甲）（1）121212式中的I二A2、

4、I二A2，A、A是两列平面波的振幅，9、9是对应的空间相11221212位函数。当两束相干光的相位差为2兀的整数倍时，即992n兀n=0、1、212（1）式便描述了两束相干光干涉所形成的峰值强度面的轨迹，如图1所示。若能用记录介质将此干涉图样记录下来并经过适当处理，则就获得了一块全息光栅。2.全息光栅基本参数的控制（1）全息光栅空间频率（周期）的控制如图2所示，波长为九的1、11两束相干光与P平面法线的夹角分别为0和0，它们之间的夹12角为0=0+0。这两束22波式决定:图1两束平行相遇所形成的干涉图形相干的平行光相干叠加时所产生的干涉图样是平行等距的、明暗相间的直条纹，条纹的间距d可由下(2

5、)(3)d九/(sin0+sin0)12九/2sin(0+0)/2cos(00)/21212当两束对称入射，即0=0=0/2时12d=九/2sin(0/2)当0很小时有d二九/04）若所制光栅的空间频率较低时，两光束的之间的夹角不大，就可以根据（4）式估算光栅的空间频率。具体做办法是：把透镜Lo放在1、11两光束的重合区则两光束在透镜后焦面上会聚成两个亮点，若两个亮点之间的距离为X，透镜的焦距为0f，则有0=X/f0（5）将（5）带入（4）式得到d=f九/X0（6）即光栅的空间频率为v=1/d=X/f九0如图2所示，将白屏P放在透镜L的后焦面上，根据亮点的距离X估算光栅的0空间频率vX二f九v

6、（7）0如欲制作v二200c/mm的全息光栅，当透镜的焦距为f=300mm，所使用激光的波长为九二632.8nm时，两个亮点之间的距离X二九fv=38mm。因此，通过0调节1、11两束光之间的角0，使得X=38mm。因此，通过对干涉场曝光而制备0出的全息光栅的空间频率就接近于200c/mm。全息光栅的槽形控制由于全息光栅是通过记录相干光场的干涉图形而制成的，因此，其光栅的周期结构与两个因素有关：干涉图样的本身周期结构；记录干涉图样的条件。干涉图形是余弦条纹，那么通过暴光所制得的光栅是否也具有余弦(正弦)型的周期结构呢？回答是不一定的，只有当记录过程是线性记录时，即曝光底片变黑的程度与干涉图样的

7、强度成正比时，所制得的全息光栅才具有与干涉场相似的周期结构。为了了解线性记录的含义，下面简单介绍一下全息干板的感光特性。照相干板的感光特性，通常是用黑度D与曝光量H的对数关系曲线来描述的,图3照像底片感光特性曲线(b)即DlgH曲线，或称作HD赫特(Hurter)德里菲尔德(Driffield)曲线，v如图3(a)所示。但是在全息照相技术中，用干板的振幅透射率与曝光量的关系曲线(H曲线)来描述干板的感光特性更为方便，如图3(b)所示。振幅透过率是出v射光与入射光复振幅之比，曝光量是光强度I与曝光时间t的乘积。因为TH曲线只在中间一段近似为直线，所以有线性记录和非线性记录两种v情况。记录时，调整

8、两相干光的光强度比值在2:110:1的范围内变化，若将曝光量控制在TH曲线的直线范围内变化，这样纪录的复振幅透射率就与入射光的光v强度变化有线性关系。因此，称为线性记录。如果曝光量不在TH曲线的直线范v围内变化，则复振幅的透射率与入射光强度的变化就不存在线性关系。因此，称为非线性纪录。三、实验光路制作低频正弦光栅的实验光路如图4所示。应该指出，用这种光路制作全息光栅只是一个原理性实验，由于它使用的光学元件太多，相干噪声及波面的畸变一般较大，因此要制作优质实用化的光栅，必须尽量减少不必要的光学元件，有兴趣的同学请参看有关文献。MrM-代表反射镜K护束镜丄准直融BSi.BS旷分束镜,A小孔光栏（中

9、心有一小孔的光屏）图4制做全息光栅的实验光路图四、实验内容及步骤1.按照图4布置光路并进行光路调节为了摄制高质量的全息光栅，即光栅的周期、槽形恒定，衍射效率很高。就要求干涉仪中的两条光路1、11构成平行四边形。即光路的两个对边相互平行。为了判断两个对边是否平行，就要细心反复调节光具，使从BS出射的两条光束I、11重合2（不是相交），这时具有两个特征：光屏P上的两个光斑全部重合而且移开P时，在光屏上P上的两个光斑仍是全部重112合；两个光斑重合后，会出现干涉条纹，其宽度可达2mm（出现很细的条纹亦算合乎要求）。光路调节步骤如下：（1）调节M，使M从反射的光束平行于台面，且光束高度与光具座的中心高

10、度33一致。（调节时，可在光束中放置画有中心高标记的纸屏，当纸屏靠近和远离激光器时光点应始终与标记重合）（2）调节K、L与光路共轴。共轴调节方法如下：放一带小孔的光栏A，让光束穿过小孔的中心并使光阑与光束垂直，然后放入待调节的光学元件并且目测使光束通过K中心，这时从的两个表面上反射的光束在A图5判断透镜与光路共轴示意图上形成干涉球（牛顿球），球的中心起先是偏离小孔中心（光束中心）很远，只要调节K（光具架的“旋转”、“升降”、“俯仰”、“平移”等）使干涉球的中心与小孔的中心重合，而且光晕又以小孔为中心均匀分布，就达到K的中心法线与光束同轴，如图5所示。当需调节多个光学元件与光路共轴时，其调节顺序

11、应是沿着光路从前到后。（3）调节KL之间的距离使获得一束平行光，并用一块光屏测出此平行光束的高度，这个高度即为确定光束I、II、I、II的高度标准。（4）依次将BS、M、BS、M放入光路并使经它们出射、反射的光线构成一1122平行四边形且其高度与（3）中所定的标准相同。（5）调节M（先粗调后微调）的“旋转”、“升降”、“俯仰”、“平移”等旋钮，1使光束I、II的两个光斑在BS中心重合（在BS出射面上放置一张镜头纸观察）。22然后调节BS“旋转”“俯仰”使两个光斑在P处重合，又拿开P，观察P处两者2112是否重合。反复此调节过程直到看到间隔较大的干涉条纹为止。2确定光栅的空间频率（1）根据要求制

12、作的全息光栅的空间频率v及所用透镜L的焦距f，按照式（7）计算出光束I和光束II在透镜后焦面上所形成的二亮点之间的距离X。要求制备一0块v为1050c/mm的正弦型衍射光栅。(2)在P与BS之间放入焦距为f的透镜L,使其光轴与光束I、II的光轴重2合，光路已调好时，在透镜的后焦面上将得到一个亮点。然后调节BS的“旋转”2则在后焦面上的水平方向将会出现两个亮点，继续调的“旋转”使两个亮点之间的距离等于X时为止。03.制做全息光栅撤去透镜L,从干板架上取下光屏P,用挡光板挡住激光，将全息干板装在干板架上，稳定30s后取掉挡光板进行曝光，经显影、定影、水洗、干燥等处理后即得到全息光栅。为了得到正弦型

13、光栅，要求曝光正确、显影适当，均控制在干板特性曲线的直线部分，否则所得到的光栅将是非正弦的。4.检查光栅的正弦性及其空间频率将制备的光栅直接置入激光细光束中，在远处屏上将得到其衍射图样，如图6所示。由于光栅至屏的距离远大于光栅间距，此衍射图样为夫琅和费衍射图样，亦即其频谱。如果光栅的频谱只有0级和1级三个亮点，则表明此光栅是正弦型的。如果频谱中出现2、土3、级亮点，则表明此光栅为非正弦型。根据光栅G至屏P的距离l，以及频谱中级两亮点之间的距离d，则可计算出光栅的实际空间频率v。显然v=d/(2仇)将实空间频率V与要求的空间频率v相比较，并分析产生误差的原因。图6检测光栅特性参数的光路图五、思考题若欲制作空间频率为12c/cm的正弦光栅，当使用焦距f300mm的傅里叶变换镜头在其焦面上观察两光束所形成的亮点时，问两亮点的距离应是多少？六、参考文献1.祝绍箕，衍射光栅，机械工业出版社，1986年2.李锦泉，黄丽清，贾亚民，方湘怡等，科技综合实验训练，西安交通大学教材科印刷，1995