信息光学--全息光栅制作

实验三  全息光栅的制作

【实验目的】

1、了解用全息方法制作一维光栅和二维正交光栅的基本原理。

2、掌握全息实验光路的基本调节方法和制作技巧。

3、初步了解全息干涉的处理方法。

【实验原理】

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干涉条纹，其周期由两束平行线的夹角和光波波长确定，若将全息记录干版置于该干涉场中，则干版上记录到得干涉条纹将呈现等间隔的干涉直线条纹，这就是全息光栅。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制作。

设两束平行光的夹角为，光波波长为，且两束平行光对于全息干版呈对称入射，如下图所示。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。由干涉原理可知，全息光栅周期d由下式确定：

d1                    （1）

f02sin/2

f0为光栅空间频率，用来表征光栅线密度特性，其单位通常为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）。由式1可知，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。对于低频光栅，两束平行光的夹角很小，利用小角度近似，可以用下式来计算光栅的周期和频率：

d

1. 全息光栅的记录光路 1                       （2） f0

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。

图1所示光路中

BS：分光比为1:1的分束镜    S、A：电子快门和光强衰减器（不用）

M1、M2：全反镜       L1、L2和L3、L4：两路扩束准直   H：全息干板

图1 全息光栅记录光路之一

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。利用该光路所形成的全息光栅的空间周期和空间频率仍可用式（1）和式（2）来确定。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时焦距已知的透镜，把它放在图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束平行光束会聚点之间的距离2D，则有tan/2/2D/f成

立，可得d1f，实验中可用此式来估算低频光栅的空间周期和空间频率。 f02D

2. 二维正交光栅

二维光栅相当于两个正交的一维光栅的乘积，在光信息处理中可用作特殊的滤波器。全息二维光栅的制作是通过两次曝光的方法，即第一次对全息干板曝光，记录一维光栅，然后将干板绕其法线旋转90°，再曝光一次，完成二维光栅的记录。

【实验内容】

1. 采用图1所示光路，拍摄一个f0300线/mm的二维正交光栅，并测量其空间频率；

2. 采用图2所示光路，拍摄一个f0300线/mm的二维正交光栅，并测量其空间频率。

【实验步骤】

1. 光路参数估算：根据要求制作的光栅的空间频率，估算出D和l

2. 根据图2的光路进行布置。需注意：

1） 各光学元件必须跳到共轴，所有光束走向相对于平台保持平行；

2） 两束光强比尽量保持1:1，以便获得较高的衍射效率

3. 记录二维全息光栅

1）全息干板需曝光两次，调整曝光时间避免曝光过度。

2）两次曝光之间应将干板绕其法线旋转90°

4. 显影、清水冲洗、定影、清水冲洗。

【光栅特性测量】

将制作好的光栅放在激光光束前进行干涉实验，测得正负一级间距为p，干板距离光屏为f，则实际空间频率为 f0p，与目标值比较。 2f

在观察屏上，如果只出现中间的三个亮点（0级和1级），则说明制作的光栅是正余弦型的，如果出现0级、1级、2级、3级等亮点，说明所制作的光栅是非正余弦型的；如果出现很多级亮点，则说明制作的光栅接近矩形光栅。要想得到正余弦型光栅，需要在充分了解全息干板的感光特性的基础上严格控制曝光、显影和定影时间，一般情况下值得的是非正余弦光栅。

实验三  全息光栅的制作

【实验目的】

1、了解用全息方法制作一维光栅和二维正交光栅的基本原理。

2、掌握全息实验光路的基本调节方法和制作技巧。

3、初步了解全息干涉的处理方法。

【实验原理】

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干涉条纹，其周期由两束平行线的夹角和光波波长确定，若将全息记录干版置于该干涉场中，则干版上记录到得干涉条纹将呈现等间隔的干涉直线条纹，这就是全息光栅。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制作。

设两束平行光的夹角为，光波波长为，且两束平行光对于全息干版呈对称入射，如下图所示。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。由干涉原理可知，全息光栅周期d由下式确定：

d1                    （1）

f02sin/2

f0为光栅空间频率，用来表征光栅线密度特性，其单位通常为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）。由式1可知，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。对于低频光栅，两束平行光的夹角很小，利用小角度近似，可以用下式来计算光栅的周期和频率：

d

1. 全息光栅的记录光路 1                       （2） f0

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。

图1所示光路中

BS：分光比为1:1的分束镜    S、A：电子快门和光强衰减器（不用）

M1、M2：全反镜       L1、L2和L3、L4：两路扩束准直   H：全息干板

图1 全息光栅记录光路之一

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。利用该光路所形成的全息光栅的空间周期和空间频率仍可用式（1）和式（2）来确定。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时焦距已知的透镜，把它放在图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束平行光束会聚点之间的距离2D，则有tan/2/2D/f成

立，可得d1f，实验中可用此式来估算低频光栅的空间周期和空间频率。 f02D

2. 二维正交光栅

二维光栅相当于两个正交的一维光栅的乘积，在光信息处理中可用作特殊的滤波器。全息二维光栅的制作是通过两次曝光的方法，即第一次对全息干板曝光，记录一维光栅，然后将干板绕其法线旋转90°，再曝光一次，完成二维光栅的记录。

【实验内容】

1. 采用图1所示光路，拍摄一个f0300线/mm的二维正交光栅，并测量其空间频率；

2. 采用图2所示光路，拍摄一个f0300线/mm的二维正交光栅，并测量其空间频率。

【实验步骤】

1. 光路参数估算：根据要求制作的光栅的空间频率，估算出D和l

2. 根据图2的光路进行布置。需注意：

1） 各光学元件必须跳到共轴，所有光束走向相对于平台保持平行；

2） 两束光强比尽量保持1:1，以便获得较高的衍射效率

3. 记录二维全息光栅

1）全息干板需曝光两次，调整曝光时间避免曝光过度。

2）两次曝光之间应将干板绕其法线旋转90°

4. 显影、清水冲洗、定影、清水冲洗。

【光栅特性测量】

将制作好的光栅放在激光光束前进行干涉实验，测得正负一级间距为p，干板距离光屏为f，则实际空间频率为 f0p，与目标值比较。 2f

在观察屏上，如果只出现中间的三个亮点（0级和1级），则说明制作的光栅是正余弦型的，如果出现0级、1级、2级、3级等亮点，说明所制作的光栅是非正余弦型的；如果出现很多级亮点，则说明制作的光栅接近矩形光栅。要想得到正余弦型光栅，需要在充分了解全息干板的感光特性的基础上严格控制曝光、显影和定影时间，一般情况下值得的是非正余弦光栅。