全息光学元件的设计与制作实验设计

全息光学元件的设计与制作

小组成员：李贺谢佳衡杨森用全息图可再现光波的波前，或者说它对入射光具有相位调制的能力。在某些场合，全息图有可能代替普通透镜、棱镜、光栅，作为成像、转像、准直、分光元件。这种全息图就称为全息光学元件（HOE）。它使用感光记录介质制作的，其功能基于衍射原理，是一种衍射光学元件（DOE）。普通光学元件是用透明的光学玻璃、晶体、或有机玻璃制成的，起作用基于光的直线传播、光的反射、折射等几何光学原理。全息光学元件主要有全息光栅、全息透镜、全息扫描器、全息滤波器等。我们这里要制作的是全息光栅和全息透镜。

实验一马赫-曾德干涉仪法（分振幅法）制作全息光栅

【实验目的】

1．学习掌握制作全息光栅的原理和方法。

2．学习掌握制作全息复合光栅的原理和方法，观察其莫尔条纹。

3．通过实验制作一个低频全息光栅和一个复合光栅，并观察和分析实验结果。

【实验仪器】

1. 光学防震平台一个，支架、支杆及底座若干，旋转平台一个，带三维调节架及φ15 ~25μm

针孔的针孔滤波器组合两套。

2. 扩束透镜（20~40倍显微物镜）两个，已知焦距的透镜一个，反射镜若干，分束器一个，光束衰减器两套。

3. 20mW He-Ne 激光器一台。

4. 全息干板，显影、定影设备和材料。

5. 电子快门和曝光定时器一套。

【实验原理】

全息光栅的制作原理是：两束具有特定波面形状的光束干涉，在记录平面上形成亮暗相间的干涉条纹，用全息记录介质记录干涉条纹，经处理得到全息光栅。采用不同的波面形状可得到不同用途的全息光栅，采用不同的全息记录介质和处理过程可得到不同类型或不同用途的全息光栅（如正余弦光栅、矩形光栅、平面光栅和体光栅）。下面介绍制作平面全息光栅的光路布置、设计制作原理。

1、全息光栅的记录光路

记录全息光栅的光路有多种，图 1 和图 2 是其中常见的两种光路。

在图 1 所示光路中，由激光器发出的激光经分束镜 BS 后被分为两束，一束经反射镜 M 1反射、透镜 L 1 和 L 2 扩束准直后，直接射向全息干板 H；另一束经反射镜 M 2 反射、透镜

L 3和 L 4 扩束准直后，也射向全息干板 H 。图中，S 和 A 分别为电子快门和光强衰减器，电子快门与曝光定时器相连，用于控制曝光时间。两平行光束在全息干板上交叠干涉，形成平行等距直线干涉条纹。全息干板经曝光、显影、定影、烘干等处理后，就得到一个全息光栅。

在对称光路布置下，光栅周期 d 或空间频率 f0 由下式确定：

式中，θ是两束平行光之间的夹角，λ是激光波长。由（1）式可以看出，通过改变两束光之间的夹角可以得到不同空间周期或频率的全息光栅，当 θ 减小时，周期d 增大、频率0f

减小；对于低频光栅，θ很小，利用小角度近似，可以用下式来计算光栅的周期和频率：

从图 1 可知，在 θ 值较小时，有,，将之代入（2）式可得：

实验中可用此式来估算低频光栅的空间周期和空间频率。

图 2 所示光路是马赫—曾德干涉仪光路。由激光器发出的激光经 M1反射、透镜 L1 和 L2扩束准直后，变成平行光；该平行光束经分由束镜 BS 1 后被分为两束，一束经反射镜 M2 反射，再透过分束镜 BS2后射向全息干板 H ；另一束经反射镜 M3反射、再经分束镜

BS

2 反射后射向全息干板 H 。图中 S 是电子快门，与曝光定时器相连，用于控制曝光时间。两平行光束在全息干板上交叠干涉，形成平行等距直线干涉条纹。全息干板经曝光、显影、定影、烘干等处理后，就得到一个全息光栅。所形成的全息光栅的空间周期和空间频率仍然可用（1）式和（2）式确定。实验中可用图 2(b)所示的方法来测量计算光栅的空间周期和空间频率，其中 L 是焦距已知的透镜，把它放置在图 2(a)所示光路中的全息干板 H 处，在透镜后焦面上测量得到两平行光束会聚点之间的距离 2D ，则有

成立，将之代入（2）式可得

(4) 采用图 2 所示光路制作全息光栅时，实验中可用此式来估算低频光栅的空间周期和空间频率。

2、复合光栅

所谓复合光栅是指在同一张全息干板上记录两个栅线彼此平行但空间频率不同的光栅。复合光栅采用两次曝光方法来制作。设第一次曝光记录了空间频率为0f

的光栅，然后保持光栅栅线方向不变，仅改变光栅的空间频率，在同一张全息干板上进行第二次曝光，设第二次

曝光记录的光栅的空间频率为'0f 。合理选择两次曝光的曝光时间和显定影处理条件，经处理后就可得到一个复合全息光栅。复合光栅上将出现莫尔条纹，莫尔条纹的空间频率m f 是0f 和 '0f 的差频，即

例如，若0f =100 线/mm ，'0f =102 线/mm 或 98 线/mm ，则莫尔条纹的空间频率m f 为 2

线/mm 。这种复合光栅可用于光学图像微分运算。

拍摄复合光栅的光路仍可采用图 1 或图 2 所示的光路，为了改变第二次曝光时的光栅空间频率，只需改变两束平行光的夹角 θ 即可。改变夹角 θ 的方法有两种，一种是在图 1 所示光路中适当平移、并在水平方向旋转反射镜 M 1 和 M 2，在图 2 所示光路中适当平移、并在水平方向旋转反射镜 M 2 和 M 3（也可旋转分束镜 BS 2）；另一种方法是在水平方向（以竖直方向为轴）旋转全息干板 H ，如图 3 所示，以便改变夹角 θ 。其中，第二中方法操作简便，并且对于一定大小的Δ

0f 或 m f ，其所需要的调节量较大，便于提高精

度。

由图 3 可知，当干板转动一个小角度 ϕ 时，对应干涉条纹的空间周期变为：

莫尔条纹的空间频率为

根据设定的

0f 和Δ0f ，由此式可计算出干板应转动的角度 ϕ 。例如，若0f =100 线/mm ， Δ0f = 2线/mm ，则有

实验中， ϕ 角的改变可以通过调节干板夹持架下面的带有刻度的旋转台来实现。