全息光栅的制作实验报告

全息光栅的制作

一、实验任务：

设计并制作全息光栅，并测出其光栅常数，要求所制作的光栅不少于每毫米100条。

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；

2、设计制作全息光栅的完整步骤，拍摄出全息光栅；

3、给出所制作的全息光栅的光栅常数值，进行不确定度计算。误差分析并作实验小结。

三、实验的基本物理原理：

1、光栅产生的原理：

光栅也称衍射光栅，是利用多缝衍射原理使光发生色散(分解为光谱)的光学元件。它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。光栅的狭缝数量很大，一般每毫米几十至几千条。单色平行光通过光栅每个缝的衍射和各缝间的干涉，形成暗条纹很宽、明条纹很细的图样，这些锐细而明亮的条纹称作谱线。谱线的位置随波长而异，当复色光通过光栅后，不同波长的谱线在不同的位置出现而形成光谱。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）。

图1

2、测量光栅常数的方法：

用测量显微镜测量；

用分光计，根据光栅方程d·sin =k 来测量；

用衍射法测量。激光通过光栅衍射，在较远的屏上，测出零级和一级衍射光斑的间距△x及屏到光栅的距离L，则光栅常数d= L/△x。

四、实验的具体方案及比较

1、洛埃镜改进法：

基本物理原理：洛埃镜的特点是一部分直射光和另一部分反射镜的反射光进行干涉，如原始光束是平行光，则可增加一全反镜，同样可做到一部分直射光和一部分镜面反射光进行干涉，从而制作全息光栅（如图2）。

优点：这种方法省去了制造双缝的步骤。

缺点：光源必须十分靠近平面镜。

图2

2、杨氏双缝干涉法：

λ，其中：λ为波长，L为双缝到屏（全息干版）的距离，x?为=

L?

xd

双缝间距，d为光栅常数。

优点：使用激光光源相干条件很容易满足。

缺点：所需的实验仪器较复杂，不易得到。

3、马赫—曾德干涉仪法：

基本物理原理：只要调节光路中的一面分光镜的方位角，就可以改变透射光和反射光的夹角，从而改变干涉条纹的间距。

优点：这种方法对光路的精确度要求不高，实验效果不错，易于学生操作。缺点：这种方法对光路的精确度要求不高，实验可能不够精确。

实验原理图：

图3

五、仪器的选择与配套

综合考虑各方面条件，本次试验采用马赫—曾德干涉仪法，所需的实验仪器有He-Ne激光发射器1架、发散镜1面、凸透镜1面、半反半透镜2面、全反镜2面和白屏、光阑各一、拍摄光栅用的干片若干、架子。

六、实验步骤

（一）制作全息光栅

1.打开He-Ne激光发射器，利用白屏使激光束平行于水平面。

2.调节发散镜和激光发射器的距离使激光发散。

3.调节凸透镜和发散镜的距离使之等于凸透镜的焦距，得到平行光。

4. 调节2面半反半透镜和2面全反镜的位置和高度，使它们摆成一个平行四边形（如图5）。

5.调节半反半透镜和全反镜上的微调旋钮，使得到的2个光斑等高，且间距为4-6cm。

6. 测出实验中光路的光程差△l。

（在实验中我们测得的光路的光程差△l=1.5cm）

（二）拍摄全息光栅

1.挡住激光束，把干片放在架子上，让激光束照射在干片上1-2秒，挡住激光束，把干片取下带到暗房中。

2.把干片泡在显影液中大约10秒钟，取出，用清水冲洗，在泡在定影液中约5分钟。取出，冲洗后晾干。

3.用激光束检验冲洗好的干片，若能看见零级、一级的光斑，说明此干片可以用于测定光栅常数。

（三）测定所制光栅的光栅常数

图4

数据处理：

h=143.6cm r=19.0cm

由公式d=kλh/r，λ=633nm，k=1可得：

d=4784nm

所以n=10^6/d=209

所以在1mm中大约有209个光栅.

误差分析：

马赫—曾德干涉仪法对光路的精确度要求不高，实验存在一定的误差。装置在摆放时由于并不能构成标准的平行四边形，激光束在射出时可能并不是非常平行，打到墙上的光圈可能并不是一束平行光，在测量时可能会存在度数的不精确，计算时的约近等等等等，这些都构成了这个实验的误差。

七、实验注意事项

1、不要正对着激光束观察，以免损坏眼睛。

2、半导体激光器工作电压为直流电压3V，应用专用220V/3V直流电源工作(该电源可避免接通电源瞬间电感效应产生高电压的功能)，以延长半导体激光器的工作寿命。

八、实验总结

设计型实验，原先并没有接触过。以前的实验，都是了解了书上介绍的实验原理后，严格按照书上的详细步骤来做的，不需要自己去思考和研究太多的东西。这一次准备设计型实验，让我锻炼了好多方面的能力。首先，书上给出的只有简单而概括的指导，所有的东西都要自己去查资料，去想办法解决。连试验究竟是怎么回事都不知道的情况下，要先去网上大概了解实验内容和原理，然后查阅相关文献，具体研究实验方案。尤其，这次的试验，需要我们自己提供三种以上的不同实验方案，进行细致比较之后选定一种。这就要求我们熟悉和掌握每种方案的原理、具体操作步骤和对应的优点缺点，逐一分析比较之后，在将自己的选定方案展开。这一系列过程要花费大部分时间在图书馆，因为要在浩瀚的文献中找到自己需要的，对于我这个还没上完科技文献检索课的学生来说，真的有点困难。我的报告中，有一部分资料来源于互联网，然而网上的东西又不完全符合我的要求，修修改改，总算弄得差不多了。其实，自己明白了原理，按照自己预先设计好的方案进行实验，在具体操作过程中，问题并不大，可以说，做让人费神的是预习时候的实验报告的书写。现在，实验已经基本做完，感觉收获却是很大。以后，对于设计型实验，也可以更熟练的进行了。

想说，在进行实验的全部过程中，科学和严谨的态度是最重要的，不可以在不明白的情况下进行试验，不可以在数据有问题的情况下继续试验，后期的实验数据处理，也要认真对待。

九、参考文献

1、詹卫申、丁建华物理实验教程

2、章昌奕、马宁生全息光栅的制作.

3、杨伟斌、滕坚实验室全息光栅的制作及质量评定[J].物理与工程