全息透鏡的制備及應用

目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"基本要求 1\o"CurrentDocument"基本原理 1\o"CurrentDocument"實驗儀器及相關(guān)作用 3\o"CurrentDocument"實驗儀器 3\o"CurrentDocument"3.2主要儀器的相關(guān)作用 4\o"CurrentDocument"實驗過程及結(jié)論 4\o"CurrentDocument"4.1光路設(shè)計 4光路調(diào)節(jié) 5\o"CurrentDocument"實驗結(jié)果 8\o"CurrentDocument"4.3.1曝光 8\o"CurrentDocument"4.3.2沖洗 8\o"CurrentDocument"再現(xiàn) 8\o"CurrentDocument"心得體會 9\o"CurrentDocument"參考文獻 10全息透鏡的制備及應用基本要求（1） 掌握同軸全息透鏡的基本原理和方法。（2） 制作一個全息透鏡，觀察它的成像特性，并與普通透鏡作比較（3） 聯(lián)系基元全息圖的概念，進一步理解光信息記錄原理及技術(shù)。基本原理全息透鏡實際上是一張球面波基元全息圖（或稱點源的全息圖）。它相當于一塊菲涅耳波帶片，具有類似透鏡的會聚作用和成像特性。全息透鏡易制成較大的尺寸，造價低制作方法簡單，易復制，重量輕，因而在某些場合具有獨特用途。全息透鏡可用一個球面波與平面波相干，或兩束球面波相干來記錄。全息透鏡分同軸全息透鏡、離軸全息透鏡和反射型全息透鏡。同軸全息透鏡類似于菲涅爾波帶片，實質(zhì)上是一組透光與不透光相同的同心圓環(huán)，又稱為全息波帶片。一個點物的全息圖就是一個全息透鏡，當點物與參考點光源的連線通過全息圖中心時，得到的全息圖就是同軸全息透鏡。如圖2.1所示，A點是物點，坐標為（0，0，z），B為參考點源，其坐標為（0，0，z），如z，z均代表代數(shù)量，則A，Babab在H上的復振幅分布分別為(u(x,y(u(x,y)=Aexp-jka0(u(x,y)=Bexp-jk1）2）圖2.1同軸全息透鏡的形成H上的光強分布為Zb丿+AZb丿+AoBoexp-jkx2+y2

2Izzb丿b3）I(x,y)二A2+B2+ABexpjk0000經(jīng)過線性處理后，全息圖的透過率t(x,y)二t+1t(x,y)二t+1exp-jkx2+y2

2+texpjkx2+y22Iz zb丿b4）<0,Z>0,b式（4）中，t、t<0,Z>0,b0111所以一-—<0，于是式（4）中第二項相當于負透鏡，第三項相當于正透鏡，第一項相zzb當于一個平板玻璃。全息透鏡還有一些與普通透鏡不同的特點，除前面提到的三種作用同時并存外，衍射還可能出現(xiàn)高級次，因而有多重焦距，多重像。由于全息透鏡的焦距與所使用的光波長有關(guān)，因而有明顯的色散現(xiàn)象存在。這些特點可由實驗觀察到。如讓日光通過全息透鏡，即可觀察到不同衍射的光的焦點不同，出現(xiàn)多重焦距；透過全息透鏡觀看一個發(fā)光的白熾燈，會看到燈絲的多重像。實驗光路如圖2.2所示圖2.2圖2.2同軸全息透鏡記錄光路激光通過L1準直透鏡變成平行激光束，經(jīng)分束鏡S1將激光束分為兩束，一束經(jīng)全反射鏡Ml全反射，再經(jīng)半透半反鏡S2反射照射到感光底片H上；另一束經(jīng)S1反射后再經(jīng)全反射鏡M2反射，經(jīng)過會聚透鏡L聚集于A點，A點相當于一個點光源，它發(fā)出的球面波與由Ml反射的光波同軸投射到感光底片上。兩束光在底片上相干形成明暗相間的同心干涉條紋。在中心部位的干涉條紋，由于球面波的光線與平面波光線之間的夾角很小，結(jié)果條紋間隔較疏；而邊緣部位由兩束光光線的理會角逐漸擴大，條紋逐漸變密。條紋分布類似于菲涅耳波帶片，故也稱全息波帶片。透射型離軸全息透鏡實驗光路如圖2.3所示。圖2.3透射型離軸全息透鏡實驗光路基本原理：平行光束經(jīng)過分束鏡BSl將激光束分成兩束，一束經(jīng)過全反鏡Ml反射在經(jīng)過全反鏡M3反射照射到感光底片H上；另一束則是經(jīng)過BS1反射后在經(jīng)過全反鏡M2反射，再經(jīng)會聚透鏡L1聚集于A點，A點相當于一個點光源，它發(fā)出的球面波與由M3反射的光波離軸投射到感光底片上。兩束光在底片上想干形成明暗相間的同心干涉條紋。在中心部位的干涉條紋，由于球面波的光線與平面波光線的夾角很大，結(jié)果只有中心一點可以看出干涉現(xiàn)象。實驗儀器及相關(guān)作用實驗儀器He-Ne激光器一臺，全反射鏡二個，分束鏡二個(50%)，準直透鏡一只，透鏡一個，洗相設(shè)備一套，屏、光學元件調(diào)節(jié)架、全息干板等。主要儀器的相關(guān)作用He-Ne激光器：實驗用光源，可以作為光路準直調(diào)節(jié)的平行光線以及制備全息透鏡的光源。全反鏡：在實驗中反射來自分束鏡后的光束，改變其光路，使得兩束光能夠構(gòu)成干涉條件。分束鏡：把經(jīng)過擴束鏡和準直透鏡的光束均勻分成兩束光束，使得兩束光形成相干光。準直透鏡：準直，使得從激光器中出來的光束是沿平行直線傳播。洗相設(shè)備：洗相。全息干板：曝光拍照。實驗過程及結(jié)論光路設(shè)計實驗采用馬赫-曾德爾干涉系統(tǒng)，其光路示意圖如圖4.1所示。圖4.1馬赫-曾德爾干涉系統(tǒng)示意圖圖中C表示擴束鏡，在實際實驗中沒有，用針孔濾波器代替，L是準直透鏡。BS1、BS2代表分束鏡，Ml、M2、M3為反射鏡，P為光屏。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。4.2光路調(diào)節(jié)馬赫－澤德干涉儀調(diào)節(jié)步驟如下：跟據(jù)實驗光路，選擇適當?shù)墓鈱W元件及相應的具有調(diào)節(jié)機構(gòu)的光具架。擴束鏡用針孔濾波器代替，反射鏡Ml、M2和分束鏡BS1、BS2在寬光束中工作，其孔徑應至少大于準直透鏡孔徑。各種光具架一般應具有高度調(diào)節(jié)機構(gòu)和方向、俯仰微調(diào)機構(gòu)。調(diào)節(jié)激光光束與工作臺平行。首先要使激光器的高度合適，使其出射的光束與實驗中所用的光學元件的中心高度基本一致。例如，實驗中所有的光學元件的中心高度為180mm,調(diào)節(jié)激光器，使其射出的光束不但高度合適而且與平臺平行，檢查方法是可以將一個小孔光闌放在激光器前，小孔高度約為180mm，前后移動光闌，使光束都能通過小孔光闌，這說明光束與平臺平行且高度合適。調(diào)節(jié)針孔濾波器。先在激光器前方一定距離處放一光屏P2并在光屏上細光束入射點處用水筆作一定位標記，調(diào)整過程中不要觸動光屏P2。然后在光路中推入以卸下針孔的針孔濾波器，同時在針孔濾波器的擴束鏡一側(cè)的光路中放入帶有3-5mm小孔的屏P1，讓激光束無阻擋地通過，并入射到擴束鏡中，調(diào)整針孔濾波器（平移或轉(zhuǎn)動）使從擴束鏡出射到投在P2屏上的光斑為一平滑的圓光斑，其中心在屏P2的定位標記處，同時使出現(xiàn)在光屏P1面上的一組同心圓環(huán)與P1上的小孔同心。這組類似于牛頓干涉圓環(huán)的同心環(huán)帶是入射光束被擴束鏡前后表面部分反射后形成的干涉條紋。這部分調(diào)整工作非常重要，擴束鏡的軸線與系統(tǒng)的光軸不一致有可能的不到理想的結(jié)果。接著移去光屏P1，裝上針孔，利用針孔濾波器上x，y方向的兩個測微頭，改變針孔在x，y面上的位置，直到光屏P2上出現(xiàn)針孔射出的暗淡的衍射光斑，然后通過微調(diào)z方向的測微頭，軸向移動

擴束鏡，對針孔調(diào)焦。正確調(diào)焦，使P2屏上光斑最亮，同時微調(diào)x,y方向的測微頭，最后可在光屏P2上得到以標志點為中心的既大又亮又圓的衍射光斑，這是針孔濾波器的最佳位置。如圖4.2所示為激光器與針孔濾波器的最佳相對位置。圖4.2激光器與針孔濾波器最佳的相對位置圖4.3及圖4.4分別為針孔濾波器輸出的衍射斑和針孔濾波器最佳位置的輸出光斑。圖4.3針孔濾波器輸出的衍射斑

4?在針孔濾波器前放置準直鏡L,前后移動L到最佳位置，使由L射處的光束為平行光。5?使所有光學元件的面與光束垂直。首先調(diào)節(jié)各元件的鏡座高度，使各光學元件的中心高度與光束一致。然后在準直鏡L的前方分別放入各光學元件Ml、M2、BS1、BS2,調(diào)節(jié)各光學元件的仰角使反射光束重合，并如圖4.1所示把它們擺成一各平行四邊形，使兩束光光程基本一樣，把小孔光闌放在兩束光中，進一步檢查各光束是否與工作臺面平行。6?放上屏，調(diào)節(jié)Ml、M2、BS1、BS2使兩光束會合于BS2的出射面，并會合于屏上。這時屏上的光斑不一定能很好的重合，可將小孔光闌放在準直鏡L與分束鏡BS1之間，調(diào)節(jié)M2，使經(jīng)過小孔光闌的兩束光在BS2的出射面上重合，再調(diào)節(jié)S2使兩束光在屏面上重合。再反復調(diào)節(jié)一次M2及BS2，使兩束光在BS2出射面和屏面上都很好重合為止。這時兩束光接近平行，撤去光闌，在屏上可以看到干涉條紋，如圖4.5所示，微調(diào)BS2或M2的轉(zhuǎn)角及仰角可改變條紋的寬度及方向。圖4.5干涉條紋光路搭建完畢后的實物圖如圖4.6所示。圖4.6馬赫-曾德爾干涉系統(tǒng)實物圖離軸全系透鏡的干涉光路調(diào)節(jié)與共軸全息透鏡的干涉光路調(diào)節(jié)基本一致，僅是分束鏡和全反鏡的擺放位置不同，因此在這里不再贅述。實驗結(jié)果曝光在完成上述全部調(diào)節(jié)后，準備好后進行曝光處理。曝光在暗室進行，在屏P的位置上換上全息干板，一共需要曝光兩次，一次曝光時間為2秒，一次曝光時間為1秒。在整個曝光過程之前全息干板都不得見光，同時曝光時還要注意每一光學元件都不能有任何微小移動或振動,輕微的振動或氣流擾動只要使光程差發(fā)生波長數(shù)量級的變化,條紋都會模糊不清,因此拍攝時不能亂動，否則可能會使得實驗失敗。沖洗在曝光結(jié)束后，將底板拿到?jīng)_洗房沖洗，依次放入顯影液、停影液、定影液和漂白液中，但是顯影時間也不要過長,只要底片變灰了就行,千萬不能變黑了,定影3分鐘,所有的時間要嚴格掌握才能保證成功.還有沖洗時可以用紫光或綠光燈,但千萬不要被紅光照到,否則就前功盡棄了。再現(xiàn)

在沖洗完并烘干后的全息干板放置在平面波前，并且在平行平面波前放置一個有一特定形狀的透光孔作為物。在干板后放置一個接收屏，移動屏可以發(fā)現(xiàn)，當屏在小于焦點處屏上會出現(xiàn)一個正立縮小的像；當屏在焦點處則出現(xiàn)一個圓點；在屏處在大于焦點處則出現(xiàn)一個倒立放大的像，圖4.7和圖4.8分別所示為共軸和離軸全息透鏡的像。圖4.7共軸全息透鏡的像心得體會一周的開放性實驗結(jié)束了，這是進大學以來第一次做開放性實驗，非常興奮，在實驗中不僅檢驗了我所學習的知識，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情又如何完成一件事情。在設(shè)實驗過程中，與同學分工設(shè)計，和同學們相互探討，相互學習。在其中更加深刻的明白了團隊的重要性，合作才是趨勢，個人的能力是有限的，集體的力量是無窮的。通過這次全息透鏡的制備及應用的開放性實驗，本人在多方面都有所提高。首先是復習了以往學過的一些知識，溫故而知新。同時也發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，有知識點的遺漏，讓我及時的查漏補缺。在這次實驗過程中，體會了