全息光柵的制作(B5紙張非常BJTU物理設(shè)計性實驗報告)

全息光柵的制作設(shè)計制作全息光柵并測出其光柵常數(shù)〔要求所制作的光柵不少于100條/毫米〕二試驗要求設(shè)計三種以上制作全息光柵的方法并進(jìn)展比較〔應(yīng)包括馬赫-曾德干預(yù)法〕；設(shè)計制作全息光柵的完整步驟〔包括拍攝和沖洗中的參數(shù)及留意事項〕，拍攝出全息光柵；給出所制作的全息光柵的光柵常數(shù)值，計算不確定度、進(jìn)展誤差分析并做試驗小結(jié)。三試驗根本原理全息光柵全息光學(xué)元件是指基于光的衍射和干預(yù)原理，承受全息方法制作的，可以完成準(zhǔn)直、聚焦、分束、成像、光束偏轉(zhuǎn)、光束掃描等功能的元件。光全息技術(shù)主要利用光相干迭加原理，簡潔講就是通過對復(fù)數(shù)項〔時間項〕的調(diào)整，使兩束光波列的峰值迭加，峰谷迭加，到達(dá)相干場具有較高的比照度的技術(shù)。常用的全息光學(xué)元件包括全息透鏡、全息光柵和全息空間濾波器等。其中全息光柵就是利用全息照相技術(shù)制作的光柵，在科研、教學(xué)以及產(chǎn)品開發(fā)等領(lǐng)域有著格外廣泛用途。一般在光學(xué)穩(wěn)定的平玻璃坯件上涂上一層給定型厚度的光致抗蝕劑或其他光敏材料的涂層，由激光器發(fā)生兩束相干光束，使其在涂層上產(chǎn)生一系列均勻的干預(yù)條紋，光敏物質(zhì)被感光，然后用特種溶劑溶蝕掉被感光局部，即在蝕層上獲得干預(yù)條紋的全息像，所制得為透射式衍射光柵。如在玻璃坯反面鍍一層鋁反射膜，可制成反射式衍射光一般在光學(xué)穩(wěn)定的平玻璃坯件上涂上一層給定型厚度的光致抗蝕劑或其他光敏材料的涂層，由激光器發(fā)生兩束相干光束，使其在涂層上產(chǎn)生一系列均勻的干預(yù)條紋，光敏物質(zhì)被感光，然后用特種溶劑溶蝕掉被感光局部，即在蝕層上獲得干預(yù)條紋的全息像，所制得為透射式衍射光柵。如在玻璃坯反面鍍一層鋁反射膜，可制成反射式衍射光柵。作為光譜分光元件，全息光柵與傳統(tǒng)的刻劃光柵相比，具有以下優(yōu)點：光譜中無鬼線、雜散光少、區(qū)分率高、有效孔徑大、價格廉價2等；全息光柵已廣泛應(yīng)用于各種光柵光譜儀中。作為光束分束器件，全息光柵在集成光學(xué)和光學(xué)通信中用作光束分束器、光互連器、耦合器和偏轉(zhuǎn)器等；在光信息處理中，可作為濾波器用于圖像相減、邊沿增加等。11光通過光柵形成光譜光柵，也稱衍射光柵，是基于多縫衍射原理的重要光學(xué)元件。光柵是一塊刻有大量平行等寬、等距狹縫〔刻線〕的平面玻璃或金屬片，其狹縫數(shù)量很大，一般每毫米幾十至幾千條。單色平行光通過光柵會形成暗條紋很寬、明條紋很細(xì)的圖樣，而這些銳細(xì)而光明的條紋稱作譜線。譜線的位置隨波長而異，因此當(dāng)復(fù)色光通過光柵時，不同波長光所產(chǎn)生的譜線在不同位置消滅而形成光譜。也就是說，光通過光柵形成光譜是單縫衍射和多縫干預(yù)的共同結(jié)果〔1〕。光柵方程光柵方程光柵方程dsink描述了光柵構(gòu)造與光的入射角和衍射角之間的關(guān)系，它表示當(dāng)衍射角滿足dsink的時候發(fā)生干預(yù)加強(qiáng)現(xiàn)象，其中d即為光柵常數(shù)。而當(dāng)光以入射角 寫id(sinsin)k。i2光柵光路2光柵光路光柵常數(shù)是光柵兩刻線之間的距離。一個抱負(fù)的光柵可以認(rèn)為由一組等間距的無限長無限窄的狹縫組成，而狹縫之間的間距稱為光柵常數(shù)，在圖光柵常數(shù)是光柵兩刻線之間的距離。一個抱負(fù)的光柵可以認(rèn)為由一組等間距的無限長無限窄的狹縫組成，而狹縫之間的間距稱為光柵常數(shù)，在圖2中用d表示。全息光柵的光柵常量大小取決于兩束平行光與全息干板的夾角。全息光柵的光柵常量大小取決于兩束平行光與全息干板的夾角。設(shè)兩列相干的平行光分別以和 角入射全息干板，則光柵常數(shù)1 2d(sinsin)；假設(shè)兩列相干的平面波的夾角很小，1 2 1 2則光柵常數(shù)d。全息光柵制作原理兩束具有特定波面外形的光束干預(yù)，在記錄平面上形成亮暗相間的干預(yù)條紋，用全息記錄介質(zhì)記錄干預(yù)條紋，經(jīng)處理得到全息光柵。而承受不同波面外形的光束或不同的全息記錄介質(zhì)和處理過程可以得到不同類型或不同用途的全息光柵。四制作方法與比較依據(jù)兩束相干平行光產(chǎn)生氣理的不同，制作全息光柵的光路可分但分振幅法制作全息光柵光柵常數(shù)通常較小。下面分別介紹三種不同制作方法：屬于分波面法的楊氏雙縫干預(yù)法和菲涅爾雙面鏡干預(yù)法，以及屬于分振幅法的馬赫-曾德干預(yù)法。楊氏雙縫干預(yù)法楊氏雙縫干預(yù)是分波面干預(yù)的典型試驗裝置。由于每條狹縫不行避開有確定的寬度，于是雙縫干預(yù)與單縫衍射總是相伴而生的。楊氏0級衍射光在全息干板上進(jìn)展相干疊加，從而制得全息光柵。3楊氏雙縫干預(yù)法3所示。雙縫間距b，全息干板與雙縫的D。試驗要求每3楊氏雙縫干預(yù)法的0級衍射條紋較寬，在全息干板可以有較大范圍的重疊，從而制得較大面積的全息光柵。同時，所得光柵的光柵常數(shù)易于把握，只需改變Db即可，由于b/D。該方法具有以下優(yōu)點：光學(xué)元件少，光路簡潔，原理易懂；光柵常數(shù)易于把握，只需轉(zhuǎn)變?nèi)⒏砂迮c雙縫之間的距離D或轉(zhuǎn)變縫間距b即可；光柵常數(shù)大且范圍廣，涵蓋10 103m，這樣經(jīng)簡潔光路放大后就可直觀地觀測到光柵的放大像，直接檢查所制全息光柵的質(zhì)量。0級光斑的寬度，因此只有縫的寬度很小，才能使干預(yù)面積較大，同時才能使兩縫0級光斑重疊；相干光僅為近平行光；該方法只能制作光柵常數(shù)很大的光柵。4菲涅爾雙面鏡4菲涅爾雙面鏡5菲涅爾雙面鏡干預(yù)法菲涅爾雙面鏡是分波面獲的相干光常用的試驗儀器，其典型4所示。圖中S為縫光源，M、M為菲涅爾雙面鏡。1 2其干預(yù)條紋近似為等間距的平行直條紋，將其進(jìn)展記錄便可制得全息光柵。菲涅爾雙面鏡干預(yù)法的制作5所示。激光器發(fā)出的光經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后得到平行光，然后入射到菲涅爾雙面鏡上，其反射光在全息干板上進(jìn)展相干疊加。光柵常數(shù)打算于雙鏡的夾角。該方法具有與楊氏雙縫干預(yù)法相像的優(yōu)點，光程差小、干預(yù)效果好，光柵常數(shù)易于把握且光柵常數(shù)較大，但其光路調(diào)整簡潔，假設(shè)用準(zhǔn)直透鏡則干預(yù)光斑面積較小，假設(shè)不用準(zhǔn)直透鏡則相干光僅為近平行光。馬赫-曾德干預(yù)法馬赫-6所示。由激光器發(fā)出的激光通過擴(kuò)束器和準(zhǔn)直鏡后變成平行光，該平行光經(jīng)半透半反鏡后被分成兩束光，分別由兩個反射鏡射向另一個半透半反鏡，最終射向全息干板。光束在全息干板上形成等距直線干預(yù)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。馬赫-曾德干預(yù)法優(yōu)點：光程差小，干預(yù)效果好；只需要調(diào)整光路中一分束鏡的方位角就可以轉(zhuǎn)變透射光和反射光的夾角，從而轉(zhuǎn)變光柵的光柵常數(shù)。缺點：透射元件多，激光通過每一透射元件時不行避開地受影響，使得準(zhǔn)直平面波波陣面變形，從而偏離了平面波；干板前的分束鏡的面積限制了兩束光的夾角，因此光柵常數(shù)小的光柵，不能選用此法。五制作步驟與裝置〔馬赫-曾德干預(yù)法〕本次試驗承受馬赫-He-Ne激1112面、全反鏡2面、白屏和光闌各一、拍攝光柵用的干片假設(shè)干、架子等。制作全息光柵6大致確定各試驗裝置的擺放位置；He-Ne激光放射器，利用白屏使激光束平行于水平面；調(diào)整發(fā)散鏡和激光放射器的距離使激光發(fā)散；調(diào)整凸透鏡和發(fā)散鏡的距離使之等于凸透鏡的焦距，得到平行光；調(diào)整兩面半反半透鏡和兩面全反鏡的位置和高度，使它們擺成一個平行四邊形，并得到兩個光斑；調(diào)整半反半透鏡和全反鏡上的微調(diào)旋鈕使得到的兩個光斑等高，4-6cm。拍攝全息光柵在黑暗環(huán)境中，擋住激光束，把干片放在架子上；2秒，再重?fù)踝〖す馐迅善∠聨У桨捣恐校?0秒鐘，取出，用清水沖洗；5分鐘，取出，沖洗后晾干；用激光束檢驗沖洗好的干片，假設(shè)能觀看零級、一級的光斑，說明此干片可以用于測定光柵常數(shù)。留意事項3V220V/3V直流電源工作〔該電源可避開接通電源瞬間電感效應(yīng)產(chǎn)生高電壓的功能〕，以延長半導(dǎo)體激光器的工作壽命；不要正對著激光束觀看，以免損壞眼睛；曝光時間要把握好，曝光面切勿放反了；由于有多組同學(xué)一起試驗，處理干片的時候切勿將干片混淆；在處理干片時留意避開光源〔手機(jī)等〕。六數(shù)據(jù)與處理測定所制光柵的光柵常數(shù)將所制得的全息光柵置于激光器前，測量所成零級明條紋與一級明條紋的間距x與屏到光柵的距離L 。依據(jù)干預(yù)加強(qiáng)條件dsink，其中k1，且夾角較小，可以求得光柵常數(shù)dsinLx。再由n1d算出每毫米光柵常數(shù)。數(shù)據(jù)記錄與處理試驗所用激光的波長632.8nm測量次數(shù)測量次數(shù)123456xcmLcmsinxLsin取平均得sin avg光柵常數(shù)dsin=光柵條數(shù)n1d= 條/毫米〔>100條/毫米，符合試驗要求〕七試驗小結(jié)首先，本次試驗是分小組完成的，在這個三人小組里，我又一次意識到小組合作的重要性。沒有大家相互協(xié)作和相互指正，就沒有進(jìn)步，就沒有試驗的成果。其次，由于這是設(shè)計性試驗，書上給出的只有簡潔而概括的指導(dǎo)，我們需要在做試驗之前查閱資料去了解試驗內(nèi)容和設(shè)計試驗方案；而不像以前的試驗，試驗教材上都已經(jīng)供給較完整的原理解釋和步驟設(shè)計。我是先到網(wǎng)上或許了解了一下試驗內(nèi)容和原理，去圖書館找了講解物理試驗的書，還在圖書館數(shù)據(jù)庫里面查到了跟全息光柵制作方法有關(guān)的期刊文獻(xiàn)，最終選出了三種不同的制作光路并進(jìn)展比較。查找資料和比照方法的過程讓我充分生疏了制作原理、具體操作步驟和不同方法的優(yōu)缺點。整理資料、寫報告的過程其實也是一種熬煉，學(xué)會用電腦敲出公式，將圖片和文字排版好，都需要有細(xì)心和急躁。然而，最大的感受是在試驗過程中科學(xué)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度是格外重要的。一方面，