全息光柵的制作

1、全息光柵的制作一.【實驗目的】1、了解全息光柵的原理；2、復習用馬赫-曾德干涉儀搭光路并拍照；3、學習對全息光柵的后處理。二【主要儀器及設備】1光學防震平臺一個，支架、支桿及底座若干，旋轉(zhuǎn)平臺一個，帶三維調(diào)節(jié)架及915 25四m針孔的針孔濾波器組合兩套。2擴束透鏡（2040倍顯微物鏡）兩個，已知焦距的透鏡一個，反射鏡若干，分束器 一個，光束衰減器兩套。20mW He-Ne 激光器一臺。天津I型全息干板，顯影、定影設備和材料。,、約虹快門和曝光定時器一套?！緦嶒炘怼咳⒐鈻诺闹谱髟硎牵簝墒哂刑囟ú嫘螤畹墓馐缮?，在記錄平面上形成亮暗相間的十 涉條紋，用全息記錄介質(zhì)記錄干涉條紋，經(jīng)處理得到

2、全息光柵。采用不同的波面形狀可得到不同用途的全 息光柵，采用不同的全息記錄介質(zhì)和處理過程可得到不同類型或不同用途的全息光柵（如正余弦光柵、矩 形光柵、平面光柵和體光柵）。當參考光波和物光波都是點光源且與全息干板對稱放置時可以在干板上形成平行直條 紋圖形，這便是全息光柵。采用線性曝光可以得到正弦振幅型全息光柵。從光的波動性出發(fā)，以光自身的干涉進行成像， 并且利用全息照相的辦法成像制作全息光柵。有多種光路可以制作全息光柵。其共同特點是將入射細光束分束后形成兩 個點光源，經(jīng)準直后形成兩束平面波；采用對稱光路，可方便地得到等光程。我們常采用馬赫-曾德干涉儀光路。（一）馬赫-曾德干涉儀法（1）光柵制作原

3、理與光柵頻率的控制用全息方法制作光柵，實際上就是拍攝一張相干的兩束平行光波產(chǎn)生的干涉條紋的照相底片如圖1所示，當波 長為入的兩束平行光以夾角。交迭時，在其干涉場中放置一塊全息干版H ,經(jīng)曝光、顯影、定影、漂白等處理，就得到 一塊全息光柵。相鄰干涉條紋之間的距離即為光柵的空間周期d （實驗中常稱為光柵常數(shù)）。圖1相干光干涉形成光柵的示意圖圖2全息光柵制作實驗光路圖馬赫-曾德干涉儀光路測全息光柵。如圖（2）,它是由兩塊分束鏡（半反半透鏡）和兩塊全反射鏡組成，四 個反射面接近互相平行，中心光路構(gòu)成一個平行四邊形。從激光器出射的光束經(jīng)過擴束鏡及準直鏡，形成一束寬度合適的 平行光束。這束平行光射入分束板

4、之后分為兩束。一束由分束板反射后達反射鏡，經(jīng)過其再次反射并透過另一個分束鏡， 這是第一束光；另一束透過分束鏡，經(jīng)反射鏡及分束鏡兩次反射后射出，這是第二束光。在最后一塊分束鏡前方兩束光的 重疊區(qū)域放上屏P。若1，11兩束光嚴格平行，則在屏幕不出現(xiàn)干涉條紋；若兩束光在水平方向有一個交角，那么在屏幕 的豎直方向出現(xiàn)干涉條紋，而且兩束光交角越大，干涉條紋越密。當條紋太密時，必須用顯微鏡才能觀察得到。在屏平面 所在處放上全息感光干版，記錄下干涉條紋，這就是一塊全息光柵。為了保證干涉條紋質(zhì)量，光束I和II需要嚴格水平于光學平臺，可在圖中最后一個分束鏡后面兩束光的重疊 區(qū)內(nèi)放一透鏡，將屏移到透鏡的后焦面。細

5、調(diào)兩塊反射鏡使光束I和II在屏上的像點處于同一水平線上，這樣I、II嚴 格水平于平臺。然后，可轉(zhuǎn)動兩塊反射鏡或最后一塊分束鏡使兩個像點重合。這時光束I和光束II處于重合狀態(tài)，會聚角 3= 0，應沒有干涉條紋。撤去透鏡后，微調(diào)兩塊反射鏡或最后一塊分束鏡的水平調(diào)節(jié)旋鈕，改變I、II的會聚角使其不 為零，就可在光束I和II的重疊區(qū)看到較明顯的干涉條紋。準確的控制光柵常數(shù)（即光柵的空間頻率兒是光柵質(zhì)量的重要指標之一。我們采用透鏡成像的方法來控制制 作的光柵的空間頻率：如果上圖中經(jīng)最后一塊分束鏡射出的兩相干光束I、II與P面水平法線的交角不相等，分別為。1和。2, 3 = 0 1+92稱為兩束光的會聚角

6、，如圖3中所示，圖3兩束光投射到屏幕上（俯視圖）則由楊氏干涉實驗的計算得到兩束光在P面形成的干涉條紋的間距為:(1-1)1_ X _人vsin0 + sin02sin。*。cos儼一。12皿I 12 2) CSl 12 2 J式中入為激光束的波長對于He-Ne激光器入二6328犬。當=%而且（ 1 +0 2）/2婦時近似有:(1-2)在本實驗中，由于兩束光的會聚角不大，因此可以根據(jù)上式估算光柵的空間頻率。具體辦法是：把透鏡l2放在圖 1-2中兩束光I、II的重疊區(qū)，如圖4所示。圖4用透鏡估算兩束光的會聚角（俯視圖）在L的焦面上兩束光會聚成兩個亮點。若兩個亮點的間距為，透鏡L的焦距為/,則有牝%

7、/f。由此式和式（1-2）可得：d * f /金。從而所得到的正弦光柵的空間頻率為：1 xv = =*（1-3）d f根據(jù)式（1-3），按需要制作的全息光柵對空間頻率的要求，調(diào)整圖2中兩光束I、II的方向，使之有合適的夾角。例如要拍攝100線/mm的全息光柵，v = 100線/mm，本實驗所配備的透鏡L的焦距f=150mm，氦氖激光器激光波長入 =0.63X10-3mm，根據(jù)式（2-3），x二入f v=0.63X 10-3 X 150X 100=9.5mm。實驗時把屏幕放包1的后焦面上，根據(jù)兩 個亮點的間距，即可判斷光柵的空間頻率是否達到要求?？烧{(diào)節(jié)圖2中1、11兩束光的方向，一直到x=19m

8、m為止。由式（1-1），并參照圖2和圖3,在實驗中改變1、11兩束光的方向從而改變光柵空間頻率的途徑有兩種。一種是繞 鉛垂方向略微轉(zhuǎn)光路中的任一塊反射鏡或最后一塊分束鏡，從而改變0，使得干涉條紋的間距d改變；另一種是繞鉛垂方 2向旋轉(zhuǎn)干版P，這時在保持=0+02不變的條件下將使0 -02改變，從而改變了 d，也即改變了空間頻率U。在本實驗 中，因干版架無旋轉(zhuǎn)微調(diào)裝置，所以采用第一種辦法。以上方法制作的是最簡單的一維光柵，以下是其觀察示意圖5：激光源全息一維光柵物屏圖5 一維光柵的觀察（2）正交光柵：如果以上的一維光柵制作成功，那么兩維光柵只需要對干版進行兩次曝光就行了。這兩次曝光分別是讓干版

9、水平放置和垂直放置，所用光路及拍攝方法與全息光柵基本相同，仍然是在馬赫-曾德干涉儀上拍制。只是暴光一次后， 將全息干版旋轉(zhuǎn)900再暴光一次，這樣就使兩個相互垂直的光柵拍在一塊干版上，這就是正交光柵。正交光柵的觀察如圖6：物屏圖6正交光柵的觀察（二）低頻全息光柵（選做）記錄全息光柵的光路有多種，圖1和圖2是其中常見的兩種光路。在圖1所示光路中，由激光器發(fā)出的激光經(jīng)分束鏡BS后被分為兩束，一束經(jīng)反射鏡M反射、透鏡L和L2擴束準直后，直接 射向全息干板H；另一束經(jīng)反射鏡M2反射、透鏡匚3和L4擴束準直后，也射向全息干板H。圖中，S和A 分別為電子快門和光強衰減器，電子快門與曝光定時器相連，用于控制曝

10、光時間。兩平行光束在全息干板 上交疊干涉，形成平行等.距直線干涉條紋。全息干板經(jīng)曝光、顯影、定影、烘干等處理后，就得到一個全 息光柵。圖1全息光柵記錄光路之在對稱光路布置下，光柵周期d或空間頻率由下式確定:I2h 2 sin(8 / 2)式中，是兩束平行光之間的夾角，x是激光波長。由(1)式可以看出，通過改變兩束光之間的夾角可以得到不同空間周期或頻率的全息光柵，當0減小時，周期d增大、頻率0減?。粚τ诘皖l光柵，0很 小，利用小角度近似，可以用下式來計算光柵的周期和頻率:從圖1可知，在0值較小時，有tan(。/ 2) X 0 / 2= D I 1A(2)，將之代入(2)式可得:(3)實驗中可用此

11、式來估算低頻光柵的空間周期和空間頻率。圖2所示中是由激光器發(fā)出的激光經(jīng)M】反射、透鏡L和L2擴束準直后，變成平行光；該平行光 束經(jīng)分由束鏡BS1后被分為兩束，一束經(jīng)反射鏡M2反射，再透過分束鏡BS2后射向全息干板H；另一束經(jīng) 反射鏡M3反射、再經(jīng)分束鏡BS2反射后射向全息干板H。圖中S是電子快門，與曝光定時器相連，用于 控制曝光時間。兩平行光束在全息干板上交疊干涉，形成平行等距直線干涉條紋。全息干板經(jīng)曝光、顯影、 定影、烘干等處理后，就得到一個全息光柵。所形成的全息光柵的空間周期和空間頻率仍然可用(1)式和 (2)式確定。實驗中可用圖2(b)所示的方法來測量計算光柵的空間周期和空間頻率，其中L

12、是焦距已知 的透鏡，把它放置在圖2(a)所示光路中的全息干板H處，在透鏡后焦面上測量得到兩平行光束會聚點之 間的距離2D，則有tan(0/ 2) - 0 / 2 =D /成立，將之代(2)式可得f R采用圖2所示光路制作全息光柵時，實驗中可用此式來估算低頻光柵的空間周期和空間頻率。（a）記錄光路（b）光柵空間頻率測量計算方法Laser，（b）空:間頻率測量計算方法圖2全息光柵記錄光路之一 （a）記錄光路（三）復合光柵（選做）所謂復合光柵是指在同一張全息干板上記錄兩個柵線彼此平行但空間頻率不同的光 柵。復合光柵采用兩次曝光方法來制作。設第一次曝光記錄了空間頻率為4的光柵，然后保持光柵柵 線方向不

13、變，僅改變光柵的空間頻率，在同一張全息干板上進行第二次曝光，設第二次曝光記錄的光 柵的空間頻率為/0。合理選擇兩次曝光的曝光時間和顯定影處理條件，經(jīng)處理后就可得到一個復合全 息光柵。復合光柵上將出現(xiàn)莫爾條紋，莫爾條紋的空間頻機是扁和舄的差頻，即（5）例如，若扁=100線/mm，舄=102線/mm或98線/mm，則莫爾條紋的空間頻率九為2線/mm。這種復合光 柵可用于光學圖像微分運算。拍攝復合光柵的光路仍可采用圖1或圖2所示的光路，為了改變第二次曝光時的光柵空間頻率，只 需改變兩束平行光的夾角。即可。改變夾角0的方法有兩種，一種是在圖1所示光路中適當平移、并 在水平方向旋轉(zhuǎn)反射鏡M】和M2,在圖

14、2所示光路中適當平移、并在水平方向旋轉(zhuǎn)反射鏡M2和M3 （也可旋轉(zhuǎn)分束鏡BS2）；另一種方法是在水平方向（以豎直方向為軸）旋轉(zhuǎn)全息干板H，如圖3所 示，以便改變夾角0。其中，第二中方法操作簡便，并且對于一定大小的M或具，其所需要的調(diào)節(jié) 量較大，便于提高精度。圖3旋轉(zhuǎn)板以改變光柵空間頻率由圖3可知，當干板轉(zhuǎn)動一個小角度8時，對應干涉條紋的空間周期變?yōu)椋簗r 1 d 1a =cos伊舄cos伊（6）莫爾條紋的空間頻率為 4/o = fo = fq（l CQS（p）實驗中，8角的改變可以通過調(diào)節(jié)干板夾持架下面的帶有刻度的旋轉(zhuǎn)臺來實現(xiàn)?！緦嶒瀮?nèi)容與步驟】1馬赫-曾德干涉儀法（1）調(diào)節(jié)馬赫-曾德干涉儀光

15、路光路以上改進型光路拍攝也行，調(diào)出干涉條紋，在分束鏡后加上透鏡和白屏。（2）拍攝全息光柵：調(diào)妥后擋住激光束,放置全息干版，靜置12min后曝光,20線/mm，100線/mm各拍攝一塊。（3）處理：顯影、清水沖洗、定影、清水沖洗、漂白、烘干。2.低頻全息光柵的制作（選做）（1） 光路參數(shù)估算根據(jù)要求制作的全息光柵的空間頻率右 參照圖2（b）、由（4）式 計算出D。實驗中入=632.8nm ，f= 400mm。（2） 光路布置和調(diào)整 （a）首先保證從激光器出射的細激光束平行于臺面；（b）用細激光 束調(diào)整光路中各元器件的高度和中心位置，并使各元器件的光軸平行于臺面；（c）按圖2所示光路先放置 好反射

16、鏡M】和電子快門S，再用L、L2及針空濾波器將細激光束擴束準直成平行光；（d）放置好分束鏡 BS，使平行光盡量以45度角入射，入射平行光被BS分成兩束；（e）放置反射鏡M2和M3及分束鏡BS2， 使BS、M2、MlBS2的位置近似成矩形；（f）調(diào)節(jié)M2和M3或BS2，使經(jīng)BS2反射和透射的平行光以 一定角度在全息干板H （此時以毛玻璃屏代替）上交疊；（g）在全息干板處放置透鏡L，在透鏡后焦面上 放置毛玻璃屏，調(diào)節(jié)m2和M3或BS2，使兩會聚點之間的距離達到要求的值；（h）熟悉了解電子快門和曝 光定時器的使用。光路調(diào)整完畢后，將各調(diào)整底座固定好，不要再碰各元器件。（3） 準備顯影、定影材料把三個

17、適當大小的水槽依次放置好，按自左至右（或反之）依 次在其中加入適量的顯影液、清水和定影液。（4）曝光（a）按照激光器輸出功率大小和所使用的全息干板來決定的曝光時間（一般由指 導教師根據(jù)事先的實驗給定），調(diào)整好曝光定時器；（b）記下光束在毛玻璃屏上交疊的位置，關閉電子快門和室內(nèi)燈光，取下干板架上的毛玻璃屏、換上全息干板，使全息干板的感光藥膜面對著入射光束，此后 不要再碰光學平臺及其上面的各元器件，穩(wěn)定一分鐘左右；（c）控制曝光定時器進行曝光。（5） 顯影、定影處理第（4）步后，將曝光后的全息干板取下來，按給定的顯影、定 影時間進行處理。處理完畢后用清水進行充分的沖洗，然后涼干，得到全息光柵。（6

18、） 觀察實驗 （a）將涼干后的光柵放置在支架上，并在其后放置透鏡L，用其中的一束 平行光束垂直照射，在透鏡的后焦面上用毛玻璃屏接收，構(gòu)成圖4所示的光路。從毛玻璃屏上即可觀察到 光柵的衍射圖樣。Laser Beam圖4全息光柵衍射圖樣觀察及空間頻率檢測在觀察屏上，如果只出現(xiàn)中間的三個亮點（0級和1級），則說明所制作的光柵是正余弦型的; 如果出現(xiàn)0級、1級、2級、3級、級亮點，則說明所制作的光柵是非正余弦型的；如果出現(xiàn)很多級亮點，則說明所制作的光柵接近矩形光柵。要想得到正余弦型光柵，需要在充分了解全息干板的感光特 性的基礎上嚴格控制曝光、顯影和定影時間，一般情況下制得的是非正余弦光柵。如果要制得矩形光柵， 則要用高反差系數(shù)Y的全息干板；高Y值干板的寬容度很小，可近似認為當曝光量達到某一值時就飽和 曝光，曝光量小于該值時就不曝光，因而可形成接近矩形的光柵。此外，由于實驗中所采用全息干板的感 光藥膜較薄，其厚度與光柵周期相比很小，所以實驗所制作的光柵屬于平面光柵。（b）在圖4所示光路中，測量得到1級亮點之間的距離，就可根據(jù)下式計算得到光柵實測的空 間頻率，用舄表示。此值應與設計要求值基本一致。Jo(8)3.復合全