全息光栅的设计与制作

全息光栅的设计与制作

全息光学元件(HOE)是指采用全息方法(包括计算全息方法)制作，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。在完成上述功能时，它不是基于光的反射和折射规律，而是基于光的衍射和干涉，所以全息光学元件也称为衍射元件。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。

全息光栅是一种重要的分光元件。作为光谱分光元件，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、生产效率高、价格便宜等，已广泛应用于各种光栅光谱仪中，供科研、教学、产品开发之用。作为光束分束器件，在集成光学和光通信中用作光束分束器、光互连器、耦合器和偏转器等。在光信处理中，可作为滤波器用于图像相减、边缘增强等。本实验主要进行平面全息光栅的设计和制作实验。

一、实验目的

1、掌握制作正弦型和矩形全息光栅的原理和方法

2、掌握制作复合型光栅的原理和方法，观察摩尔条纹

3、测试光栅常数

二、主要仪器与设备

He-Ne激光器、分束镜、反射镜、透镜、全息干板、显影液、定影液、吹

风机、干板夹、底座等

三、实验原理

全息光栅的制作原理：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。采用不同的波面形状可得到不同用途的全息光栅，采用不同的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)。

1、全息光栅的记录光路

记录全息光栅的光路有多种，图1、图2及图3都可以用于产生相干平行

，通过选择透镜的直径和摆放光束，图3两束平行光之间的夹角决定于ADB

位置来调节夹角。常采用图1光路，由激光器发出的激光经分束镜BS后被分

为两束，一束经反射镜M1反射、透镜L1和L2扩束准直后，直接射向全息干板

H: 另一束经反射镜M2反射、透镜L3和L4扩束准直后，也射向全息干板H。图中，S和A分别为电子快门和光强衰减器，电子快门与曝光定时器相连，用于控制曝光时间。两平行光束在全息干板上交叠干涉，形成平行等距直线干涉条纹。全息干板经曝光、显影、定影、烘干等处理后，就得到一个全息光栅。

图1 全息光栅记录光路

图2 全息光栅记录光路之二(a) 记录光路(b) 空间频率测量计算方法

图3 全息光栅记录光路之三

光栅常数或空间频率由下式决定(光程差决定)：

λθ

=2sin 2d (1)

式中，d 称为光栅常数，其倒数即为光栅的空间频率d f /10=。θ是两束准直光之间的夹角，λ为激光波长。公式(1)称为光栅方程。

由公式(1) 可以看出，改变两束光之间夹角θ的值便可控制光栅条纹密度(d 的大小)。根据光栅方程，当θ值减少时，d 值将增大，从而减少0f 。在低频光栅的情况下，θ值很小，公式(1)可简化为：

λθ=d (2)

从图1可知，在θ值很小，l D /2/)2/tan(=≈θθ，将此公式代入(2) 可得：

l

D d f λ210== (3) 公式（3）就是估算低频全息光栅的空间频率公式。

实验步骤：

1、低频全息光栅制备

首先按照图1搭建实验光路，根据所要求制作mm f /1000线=全息光栅，由公式(1)及(3)，估算出两光束之间的夹角θ和相应的光路参数l 和D 。

调整分束镜BS ，使两束光的光强相等，并两光束相对于BS 对称分布。

调整反射镜M 1和M 2，使由它们反射回的两个细光束在干板面(白屏)中心重合； 在两激光束未扩束前安装准直镜L 2和L 4,使其中心位置与激光束中心重合，办法使观察由各透镜两表面反射的系列光点是否位于同一条直线上。

再将扩束镜L 1和L 3,分别置于L 2和L 4的钱脚面上，使两束光经扩束、准直后，两个等大的光斑在全息干板(白屏)面上重合。

(3) 曝光和显影、定影处理

光路安装、调整好后，关闭电子快门，取下白屏放上全息干板，静置1min 后进行曝光，曝光时间视激光器功率大小选定，一般在20~40s 之间，由曝光定时器控制。经显影、定影、漂白和烘干处理后便制得一正弦全息光栅。为了得到正弦光栅，要求曝光正确，显影适当，否则所制得的光栅为非正弦型的。

曝光一次，经过显影定影漂白得到一维光栅，将同一块干板曝光后，旋转90o 后，再次曝光，经显影、定影及漂白后得到正交光栅。

2、全息光栅空间频率检测

用细光束直接照射光栅，在其后的白屏上观察衍射图样，如图4。由于光栅至白屏的距离远大于光栅常数，此衍射图样为弗朗合肥衍射图样，频谱。如果其谱点只有三个亮点，则表明此光栅是正弦型的；如果出现±2、±3，…级亮点，则表明此光栅是非正弦型的。当两点很多时，就表明该光栅接近矩形光栅。当白光源照射光栅时，还可观察到彩色的光栅光谱。

图4 全息光栅衍射花样及空间频率检测

设光栅至屏的距离为f ，±1级两个谱点之间的距离为p ，则由光栅衍射公式

λθ=sin d 算得该关山的实际空间频率为： λf p f 20="

(4) 此值应与设计值基本一致。

课后思考题：

1、制作全息光栅时，两束相干光夹角变化与光栅衍射角什么关系？

夹角越大，光栅常数越小，衍射角越大

2、如果不进行漂白，得到的光栅是什么类型？

p

θ