全息光栅的制作(B5纸张_非常完整版_BJTU物理设计性实验报告)

北京交通大学

大学物理实验

设计性实验

实验题目全息光栅的制作

学院

班级

学号

姓名

全息光栅的制作

一实验任务

设计制作全息光栅并测出其光栅常数（要求所制作的光栅不少于100条/毫米）

二实验要求

1.设计三种以上制作全息光栅的方法并进行比较（应包括马赫-

曾德干涉法）；

2.设计制作全息光栅的完整步骤（包括拍摄和冲洗中的参数及注

意事项），拍摄出全息光栅；

3.给出所制作的全息光栅的光栅常数值，计算不确定度、进行误

差分析并做实验小结。

三实验基本原理

1.全息光栅

全息光学元件是指基于光的衍射和干涉原理，采用全息方法制作的，可以完成准直、聚焦、分束、成像、光束偏转、光束扫描等功能

的元件。光全息技术主要利用光相干迭加原理，简单讲就是通过对复

数项（时间项）的调整，使两束光波列的峰值迭加，峰谷迭加，达到

相干场具有较高的对比度的技术。常用的全息光学元件包括全息透镜、全息光栅和全息空间滤波器等。其中全息光栅就是利用全息照相技术

制作的光栅，在科研、教学以及产品开发等领域有着十分广泛用途。

一般在光学稳定的平玻璃坯件上涂上一层给定型厚度的光致抗蚀

剂或其他光敏材料的涂层，由激光器发生两束相干光束，使其在涂层

上产生一系列均匀的干涉条纹，光敏物质被感光，然后用特种溶剂溶

蚀掉被感光部分，即在蚀层上获得干涉条纹的全息像，所制得为透射

式衍射光栅。如在玻璃坯背面镀一层铝反射膜，可制成反射式衍射光栅。

作为光谱分光元件，全息光栅与传统的刻划光栅相比，具有以下

优点：光谱中无鬼线、杂散光少、分辨率高、有效孔径大、价格便宜

等；全息光栅已广泛应用于各种光栅光谱仪中。作为光束分束器件，全息光栅在集成光学和光学通信中用作光束分束器、光互连器、耦合器和偏转器等；在光信息处理中，可作为滤波器用于图像相减、边沿增强等。

2. 光栅条纹

光栅，也称衍射光栅，是基

于多缝衍射原理的重要光学元件。

光栅是一块刻有大量平行等宽、

等距狭缝（刻线）的平面玻璃或

金属片，其狭缝数量很大，一般

每毫米几十至几千条。单色平行

光通过光栅会形成暗条纹很宽、明条纹很细的图样，而这些锐细而明亮的条纹称作谱线。谱线的位置

随波长而异，因此当复色光通过光栅时，不同波长光所产生的谱线在不同位置出现而形成光谱。也就是说，光通过光栅形成光谱是单缝衍射和多缝干涉的共同结果（如图1）。

3. 光栅方程 光栅方程sin d k θλ=描述了光栅结构与光的入射角和衍射角之间的关系，它表示当衍射角θ满足sin d k θλ=的时候发生干涉加强现象，其中d 即为光栅常数。而当光以入射角i θ入射时，光栅方程写为 (sin sin )i d k θθλ+=。

4.

光栅常数

光栅常数是光栅两刻线之

间的距离。一个理想的光栅可

以认为由一组等间距的无限长

无限窄的狭缝组成，而狭缝之

间的间距称为光栅常数，在图

2中用d 表示。 图1 光通过光栅形成光谱

图2 光栅光路

5.全息光栅制作原理

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。而采用不同波面形状的光束或不同的全息记录介质和处理过程可以得到不同类型或不同用途的全息光栅。

四制作方法与比较

根据两束相干平行光产生机理的不同，制作全息光栅的光路可分为两类。一种称为“分振幅法”，该类方法是利用分束镜使一束光波一分为二；另一类称为“分波面法”，该类方法是利用一定的仪器将一束光波的波面一分为二。其中在实际制作时通常采取分振幅法，但分振幅法制作全息光栅光栅常数通常较小。

下面分别介绍三种不同制作方法：属于分波面法的杨氏双缝干涉法和菲涅尔双面镜干涉法，以及属于分振幅法的马赫-曾德干涉法。

1.杨氏双缝干涉法

杨氏双缝干涉是分波面干涉的典型实验装置。由于每条狭缝不可避免有一定的宽度，于是双缝干涉与单缝衍射总是相伴而生的。杨氏双缝干涉法利用光束通过两条缝的0级衍射光在全息干板上进行相干叠加，从而制得全息光栅。

光路如图3所

示。双缝间距b，

全息干板与双缝的

距离D。实验要求

每条缝的缝宽较小，

使光束通过两条缝

图3 杨氏双缝干涉法

的0级衍射条纹较宽，在全息干板可以有较大范围的重叠，从而制得较大面积的全息光栅。同时，所得光栅的光栅常数易于控制，只需改变全息干板与双缝之间的距离D 或改变缝间距b 即可，因为/b D θ≈。

该方法具有以下优点：光学元件少，光路简单，原理易懂；光栅常数易于控制，只需改变全息干板与双缝之间的距离D 或改变缝间距b 即可；光栅常数大且范围广，涵盖31010m μ，这样经简单光路放大后就可直观地观测到光栅的放大像，直接检查所制全息光栅的质量。

同时该方法也有如下缺点 ：缝的宽度决定了0级光斑的宽度，因此只有缝的宽度很小，才能使干涉面积较大，同时才能使两缝0级光斑重叠；相干光仅为近平行光；该方法只能制作光栅常数很大的光栅。

2. 菲涅尔双面镜干涉法

菲涅尔双面镜是分波面获的

相干光常用的实验仪器，其典型

光路如图4 所示。图中S 为缝光

源，M 1、M 2为菲涅尔双面镜。

其干涉条纹近似为等间距的平行

直条纹，将其进行记录便可制得

全息光栅。

菲涅尔双面镜干涉法的制作

光路如图5所示。激光器发出的

光经扩束准直后得到平行光，然

后入射到菲涅尔双面镜上，其反射光在全息干板上进行相干叠加。

光栅常数决定于双镜的夹角 。 该方法具有与杨氏双缝干涉法相似的优点，光程差小、干涉效果好，光栅常数易于控制且光栅常数较大，但其光路调节复杂，如果用准直透镜则干涉光斑面积较小，如果不用准直透镜 则相干光仅为近平行光。 图5 菲涅尔双面镜干涉法 图4 菲涅尔双面镜