全息光栅的设计制作

全息光栅的设计制作

光栅是重要的分光元件之一，由于它的分辨率优于棱镜，因而许多光学仪器中都采用光栅代替棱镜作为分光的主要元件，如单色仪、光谱仪、摄谱仪等。此外，光栅在现代光学中的应用日趋广泛，如光通信中用作光耦合器、光互连中用作互连元件、激光器用作选频元件、光信息处理用作编码器、调制器、滤波器等等。全息光栅制作技术是20世纪60年代随着全息技术的发展而出现的，因其具有传统刻划光栅所不具备的一些优点而受到人们的重视。目前，全息光栅在某些方面已经取代刻划光栅，在光栅家族中占有了一席之地。

[实验目的]

1、掌握用全息方法制作光栅的基本原理；

2、掌握全息实验光路的基本调节方法和一维光栅的制作技巧；

3、了解全息光栅的基本特性和测试方法；

4、初步了解全息记录介质—卤化银乳胶的特性和干板的处理方法。

[实验仪器]

全息防震平台（2m ×1.5m ），He-Ne 激光器，反射镜（若干），分束镜，针孔滤波器，干板架， 全息干板。

[实验原理]

一．全息光栅制作原理

由光的干涉原理可知，两束平行的相干光干涉，干涉场是一组明暗相间的等间隔的平面族，其周期由两束平行光的夹角和光波波长所确定。若将全息记录干板置于该干涉场中，则干板上记录到的干涉条纹将呈等间隔的平行直线条纹，这就是全息光栅。

设两束平行光与光轴的夹角分别为θ1和θ2，光波波长为λ，显然，干板记录的全息光栅的透射率应该呈余弦函数分布，称为余弦光栅。

⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎥⎦⎤⎢⎣

⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛++===⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=+===---x U x U e e U UU U I e e U U U U e U U e U U x j x j x j x j x j x j λθθπλθθπλθθπλθθπλθπλθπλθπλθπ212202120sin sin 2sin sin 220*2sin 2sin

2021sin 202sin 201sin sin cos 4sin sin 2cos 122;;

;2121212

1

由干全息光栅常数d 由下式确定：

πλθθπ=-d 2

1sin sin ;L

D d f ≈--==21210sin sin ;sin sin 1θθλθθ ;;0λλD

L d L D f ==或

f 0是光栅空间频率，表征了光栅线密度特性， 其单位通常用“lp/mm ” （lp 表示“线对”，指一条亮纹和一条暗纹构成的一个“线对”，对应光栅的一个周期）。可见，要想提高全息光栅的线密度，只需增大两束平行光的夹角。

二．光栅的空间频率的测量原理

在光栅有效使用宽度确定的情况下，光栅的分辨率主要取决于光栅的空间频率f 0，因而通常把光栅的空间频率（也称光栅的线密度）作为表征全息光栅分辨率特性的一个重要指标。光栅空间频率的测量是利用分光计测量光栅的一级衍射角θ1，然后由光栅方程式（2）计算而得

；k k d 1;sin 1==取λθλ

θ10sin 1==d f （2） [实验内容]

一、光路的设计与排布

1、设计：根据全息光栅的制作原理，自行设计记录一个空间频率为f 0 ～ 200 lp/mm 的全息光栅的实验光路。要求将光路图画在报告上，并说明设计思路。

光路设计的原则是：

光栅法线

1）充分利用全息防震平台的面积1.5m×1.2m，光路的排布应以方便操作为宜；

2）选取合适的路径，使相干光束达到等光程。

2、光路的排布：根据所设计的光路图，在防震台上排布光路。请把光路排布中遇到的问题、解决的思路和办法写在实验报告中。

光路排布的原则是：

1）各光学元件必须调到共轴，光束走向应相对于台面保持平行，以获得一致的偏振态，避免相干不完全；

2）根据要求的光栅线密度，计算两束相干光的夹角θ1+θ2，并按照计算值排布光路；

3）全息干板应与两光束对称放置；

4）选取合适的分束镜分束比，以及合适的扩束镜倍数，以获得合适的光强比（光强比通常取1：1，以便获得较高的衍射效率）；

5）针对不同倍数的扩束镜，选用相匹配的针孔滤波器；

6）所有夹持光学元件的支架必须保持稳定，不得有丝毫震动。

二、记录一维全息光栅

利用排布好的光路，制作一块一维全息光栅。

注意：

1、本实验使用天津Ⅰ型银盐干板；

2、选取合适的曝光时间t E，经试验约为15秒。

3、将银盐干板安装在干板架上，感光胶面应背向物光方向，干板在干板架上被夹持应稳固不摇晃；

4、曝光前需静台两分钟，曝光过程中应保证全息防震台稳定，室内空气平稳，无大的气流运动；

5、银盐干板应严格避光操作，待定影结束后才可见白光。

三、银盐干板的后处理

对曝光后的干板进行化学处理，应严格按常规的暗室操作规则进行，具体处理步骤如下：

1、在D--19 显影液中显影，温度200C，时间2分钟左右；

2、清水中轻涮一遍；

3、用F--5 定影液定影，时间5-10分钟；

4、流水冲洗20分钟以上；

5、自然晾干或吹干；

6、为了提高全息光栅的衍射效率，后处理过程可增加“漂白”过程，使全息光栅由振幅型转化为位

相型，此过程可在4、5两步之间进行。

实验室提供配制的R-10漂白液。

四、一维光栅的特性测量

1．测量全息光栅的线密度f0：

用分光计测量本实验制作的光栅样品的线密度。可用汞灯作光源，利用绿色谱线作已知其波长（λ=546.1nm）。请自行设计测量方法和计算公式。

2．测量全息光栅的角色散:

按照角色散的定义,利用钠黄双线(589.6nm、589.0nm)或汞黄双线（576.98、579.07）测量其衍射角，

由定义式d

d

θ

λ

算得色散。若f0太小，光谱中双黄线的角间距难以测量时，该项可不作要求。

3.分析实验结果，对实验过程中所遇到的问题和看到的现象进行讨论。

五、给出你的实验结论、体会和对此实验的建议。