全息光學透鏡的制作與設定

全息光學透鏡的制作與設定實驗目的1?掌握全息透鏡的設計與制作原理。2?學習全息透鏡的制作工藝。3?理解全息透鏡的成像機理，了解其應用。實驗儀器激光全息實驗臺，He—Ne激光器，暗室處理器具及顯影、定影、漂白藥劑實驗原理1?全息透鏡的分類與制作全息光柵的方法極相似，全息透鏡也是利用兩束相干光在疊加區(qū)域產(chǎn)生干涉，形成干涉條紋，記錄這些干涉條紋就得到全息透鏡。所不同的是制作全息光柵采用的是兩束平面波的疊加，而制作全息透鏡一般是采用記錄平面波與球面波的干涉疊加條紋而成。當平面波與球面波的光軸重合時，全息記錄材料記錄的是一組包括圓心在內(nèi)的同心條紋。這種全息透鏡稱為同軸全息透鏡；當平面波與球面波的光軸有一定夾角時，全息記錄材料記錄的是遠離圓心的同心條紋的一部分，這種全息透鏡稱為離軸全息透鏡。同軸全息透鏡與離軸全息透鏡在成像方式上有較大差異，在性能和使用中也各不相同。2?同軸全息透鏡的制作原理

圖一所示的是一個馬赫一曾德干涉光路。在其中一個光臂中加入透鏡I2圖一所示的是一個馬赫一曾德干涉光路。在其中一個光臂中加入透鏡I2，使同軸全息透鏡的制作記錄光路如圖一所示，K為光開關；M2、M3為平面反射鏡；C為擴束鏡；單色準直鏡；BS］、BS2為大孔徑分光鏡（應該為楔形）；I2為聚光鏡；H為全息干版（或白屏）。平面波變?yōu)榍蛎娌?。球面波會聚點稍偏離分光鏡BS2；另一個光臂是一束平面波，兩束光在H處形成穩(wěn)定的同心圓環(huán)干涉條紋。這組干涉圖對全息干版曝光，經(jīng)顯、定影處理就得到同軸全息透鏡。應該指出，制作全息透鏡還可以采用兩束球面波的干涉疊加，一束是發(fā)散的；另一束是會聚的。當記錄介質(zhì)的法線與兩球面波的球心連線重合時”就是同軸全息透鏡，否則，就是離軸全息透鏡。3?離軸全息透鏡的制作原理成球如圖二所示，目前的光路和圖一已有些差異，已沒有了分光鏡bs2，而代之是與M1.M2—樣的大孔徑反射鏡。由［丄出射的單色平面波經(jīng)分光鏡851分成兩束，透射的一束經(jīng)M2、M3反射后以一定傾角斜射在H上；反射的一束經(jīng)透鏡L2將平面波變換成球面波向著H正入射去，于是平面波與球面波光軸有一定的傾角。全息材料記錄的就是遠離中心的同心圓環(huán)的一部分"這就是離軸全息透鏡的干涉圖樣。

成球4.同軸全息透鏡的物像關系圖三是記錄同軸全息透鏡的一種光路。點源A發(fā)岀球面波冷是另一束會聚球面波的焦點。A、B兩束光是相干的，在O處放■全息記錄材料，經(jīng)曝光和顯、定影處理就能獲得同軸全息透鏡。以0點為坐標原點，A。、B。為記錄介質(zhì)處光波的振幅；％、％為球面波的位相函數(shù)，并且單'⑴同S8侮■理）小+⑴一叫沖仏+°1=勺(E)（甲-裁卜心5+二f30耳1版零，m^s^wsrakt^■3°ff=如］^v=y4乂羋&?sm丁H2,22/珥二航+書譚7（5）從式⑸可看到，正弦振幅型同軸全息透鏡的作用相當于三個光學元件，即平板玻璃、正透鏡、負透鏡。也可以認為它的作用相當于三個透鏡：一個透鏡焦距為8,—個為f，一個為f。當一束單色平面波照射在這個全息透鏡上將產(chǎn)生三束衍射光，如圖四所示。設物點坐標為O（x0,y0,xj,理想像點坐標為1（斗,yI,zI），如■五所示，那么同軸全息透鏡的物像關系為丄=怦(才-?)=1￡E6式中，m式中，m為衍射像級次物點發(fā)出的光波長。益；入為記錄時的光波長，X為成像時團五同軸全息透領物像關系圖如果記錄和成像時都用同樣的激光,取+1級衍射像，有111￡厶乙 (7)說明：俎只與記錄時的狀況條件有關。按幾何光學對放大率公式的定義，全息透鏡的垂軸放大率為峽先峽先1+卻力 (8)5■全息透鏡的應用全息透鏡是用干涉法制成的一種薄膜光學元件。它的成像是基于光的衍射現(xiàn)象，因此，其像差較普通透鏡大得多，特別是色差不易克服。但它可以與普通透鏡相互補充完成某些功能，或在某些特殊情況下作獨特的應用。⑴大相對孔徑的透鏡全息透鏡的一大優(yōu)點是便于制作大相對孔徑的透鏡.在低光強成像系統(tǒng)或全息信息存儲系統(tǒng)中，都需要大相對孔徑的透鏡，用全息法就比較容易實現(xiàn)。⑵傅里葉變換透鏡全息透鏡同普通透鏡一樣，可以完成傅里葉變換的功能，因此鏡代替信息處理系統(tǒng)中的傅里葉變換透鏡。⑶分割透鏡為了某些特殊的應用，有時需要把一個透鏡先分割開再組合起來。例如干涉用的雙半透鏡，把一塊透鏡分為兩半，使其有一定的距離。又如跟蹤接收機把一個透鏡分為四部分，再按相反方向組合起來可以對一個目標產(chǎn)生四個分開的像。這一類元件如果用全息透鏡就很容易分割。⑷多重透鏡多重透鏡的種類很多，例如一些干涉系統(tǒng)，大都需要一個標準波面和一個測試波面。用全息的方法就可以用一塊透鏡來完就又如用傅里葉變換透鏡進行空間濾波■至少要兩個變換鏡頭■如果將空間濾波器和一個變換鏡頭用一個組合的全息系統(tǒng)來代替，就可以省去一個變換透鏡，同時還可以縮短光路。⑸準直物鏡大口徑的球面或1商面的準直物鏡，制造起來都是很費工的，如果用全息的方法制造就快得多了。當然,在制造時需要有一個大口徑.高質(zhì)量的準直物鏡產(chǎn)生平面波。這種全息準直物鏡用于干涉系統(tǒng)和激光系統(tǒng)是很合