全息光学实验技术基础(实验班全息实验)

全息光学实验技术基础

实验教学目的

掌握光学平台上进行全息实验记录、再现的基本原理与光路设计方法；

掌握全息干板的处理技术；

掌握全息透镜基本参数的测试；

实践训练主要内容

光学平台及主要附件的功能应用训练；

光学功能元器件的选择及规范使用训练；

全息成像记录的基本光路设计方法；

光束的扩束、准直、平行、分光等调试技术；

掌握马赫曾德尔干涉系统的设计方法。

实验要点与难点

光学系统共轴调试方法；

全息记录光路的设计与实现；

全息透镜参数的测试。

实验学时：3学时

同轴全息透镜

【实验目的】

1. 掌握同轴全息透镜的制作原理和方法；

2. 观察同轴全息透镜的结构和成像特性，分析全息透镜与普通透镜的异同点，巩固有关同轴全息透镜的基本理论。

【实验光路】

图9-19 同轴全息透镜制作光路图

M 1~M 4-反射镜； BS 1,BS 2-分光束； La-He-Ne 激光器；L 0-扩束镜；Lc-准直透镜； SF-针孔滤波器；K-光电开关；L-透镜；P(H)- 光屏(全息干板)。

【实验原理】

同轴全息透镜实质上是一组透光与不透光相间的同心圆条纹，类似于菲涅尔波带板。由于它是用全息照相的方法制作的，通常又称为全息波带片。

制作同轴全息透镜的光路如图9-19所示。细激光束经扩束镜L 0、针孔滤波器SF 和准直透镜L c 变成一束平行光，平行光束经过分束镜BS 1成两束；一束透过BS 1经反射镜M 2和分束镜BS 2后到达光屏P 上；另一束由BS 1反射的光束，经反射镜M 1反射后，通过透镜L 会聚于A 点，然后再发散照射到光屏P 上。前者是一束平面光波，后者相当于由点光源A 发出的球面光波，二者的光轴重合。这时，在光屏P 上可以得到明暗相间的同心圆条纹，其亮环半径H n f n r λ2=,n 是整数，λ波长，H f 是A 点到全息干板的距离，即全息透镜的焦距。条纹间距ρλρ/)(f d = ，ρ为径向坐标，可见条纹分布为中心疏、边沿密。为观察这些条纹，可在光屏P 后用放大镜观察，或将光屏移至远处观察。在P 处放置全息干板H 记录下这些干涉条纹，经显影、定影等常规暗室处理后，即制得了同轴全息透镜。 将得到的同轴全息透镜放回原位，挡去球面光波（即光束I ），只让平面光波（即光束II ）照射全息透镜，则将再现出球面波。在全息透镜后面观察，除了能看见平行光透过的0级衍射分量外，还能观察到±1级衍射分量。-1级衍射分量构成一发散的球面波，其球心在

A 点。这表明同轴全息透镜的作用相当于一个凹透镜，其焦距等于A 点至全息透镜的距离。±级衍射分量构成一个会聚的球面波，会聚于A '点。这表明平行光束经过透镜时能得到一束会聚光，因此其作用又相当于一个凸透镜，焦距等于A '点到全息透镜的距离。A 点和A '点对称地分居于全息透镜的前后两边，二点至全息透镜的距离相等，因而全息透镜的两个焦距相等。

全息透镜具有与普通透镜类似的一些性质：

1) 全息透镜具有与正透镜类似的聚焦特性。平行光透过全息透镜时能得到一会聚球面

波，会聚点即它的焦点。焦点至全息透镜的距离即为它的焦距。应当注意：全息透镜的焦距一般并不等于制作时形成球面波的透镜L 的焦距。它只取决于光束会聚点Ａ至全息干板的距离，而这个距离在实验中是可以调节的。

2) 全息透镜也具有成像作用，其成像规律与普通透镜一致。例如，当发光物体位于全

息透镜2倍焦距之外时，可在全息透镜后面1倍到2倍焦距之间得到物体的倒立、缩小的实像；当物体在全息透镜的2倍到1倍焦距之间时，可在全息透镜后面2倍焦距之外得到一个放大的倒立的实像；若物体在1倍焦距之内，则在全息透镜的后面可以看到一个放大的正立的虚像出现在物体的同一侧。

全息透镜也有一些与普通透镜完全不同的特性：

① 由于正弦型薄全息图总是同时存在±1级衍射，同一个全息透镜既相当于一个正透镜，同时又相当于一个负透镜。因此，同轴全息透镜在成像时，既有类似于正透镜所成的像，同时也有类似于负透镜所成的像。而普通透镜要么是正透镜，要么是负透镜，不能两者兼是。这一差异可以从比较两者的透镜系数公式中看出。设正弦型同轴全息透镜的像方焦距为'H

f ，则其透镜系数为 )2exp()2exp('221'2210H H H f y x jk f y x jk

+++-+=ττττ (9-23)

而普通薄透镜的投射系数为 )2exp('2

2f y x jk L +-=τ (9-24)

比较可知，一个正弦型同轴全息透镜的作用与一块平板玻璃、一个正透镜和一个负透镜的作用相当。

思考题9-8 ： 全息透镜为什么能像普通透镜那样完成成像的功能？它与普通透镜及菲涅尔波带板比较，在成像性质方面有何异同？试分析之。

② 对于非线性记录的薄全息透镜，再现时除了±1级衍射外，还同时有高次衍射，如±2级、±3级等衍射，因而全息透镜存在多重成像。但普通透镜是不存在这种性质的。

思考题9-9 ：用非线性记录制作一同轴全息透镜，考察其多级像的位置和大小。 ③ 全息透镜具有明显的色散作用。由于衍射角对应于不同波长的入射光有着不同的数

值，所以同一个全息透镜即使是对于同一级衍射所形成的会聚焦点的位置也随波长的不同而变化。也就是说，对于不同的波长，全息透镜的焦距值也不同。红光的焦距较长，黄、绿光的较短。因此，全息透镜所形成的像存在明显的色散，特别是离轴全息透镜所形成的像，色散更为明显。全息透镜的色散率D=λλ/∆，可见色散率只与成像时物光的波长有关。

【实验步骤】

1. 调节好马赫-策恩德尔干涉仪光路，调节中注意两光束的光程接近相等。

2. 在反射镜M 1和分束镜BS 2之间置入高鉴别率的镜头L ，使其光轴与原光束的光轴重合。光轴I 经镜头L 后会聚于A 点，然后发散照射在光屏P 上。光屏P 与光束的光轴垂直。沿光轴调节L 或P 的位置，使会聚点A 到光屏P 的距离等于全息透镜的预定焦距值。

3. 取下光屏P ，装上全息干板H 进行曝光，经常规暗室处理后即得到同轴全息透镜。

4. 将制得的全息透镜放回原处，挡去球面波（即光束I ），只用平面波（即光束II ）照明，在全息透镜后面放置光屏观察光场分布。移动光屏，仔细寻找全息透镜的主焦点（即-1级衍射光的会聚点）位置。量取主焦点至全息透镜的距离，既得到全息透镜的焦距f H 。将此焦距值与预定焦距值作比较，二者应当相等。将光屏Ｐ沿光轴向全息透镜接近，仔细观察是否存在高级衍射光形成的次焦点。由于用银盐全息干板制得的全息透镜的衍射效率比较低（一般小于２０％），而且存在较强的零级衍射光的干扰，观察其焦点及成像规律时要特别仔细。

5. 挡住平行光，用点源发出的球面波再现，考查其再现光束。

6. 让日光透过全息透镜，在其后面观察各种色光会聚点，比较不同色光的焦距值的大小。

7. 透过全息透镜观看白炽灯泡的亮灯丝，分析观察到的现象。