全息平面光柵的制作及其參數(shù)測定

1、全息平面光柵的制作及其參數(shù)測定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握空間頻率較低的全息平面光柵的制作方法。2學(xué)會(huì)在全息臺(tái)上光學(xué)元件的共軸調(diào)節(jié)技術(shù)、擴(kuò)束與準(zhǔn)直的基本方法，熟練地獲得和檢驗(yàn)平行光。3用幾何光學(xué)和物理光學(xué)方法測定全息光柵的光柵常數(shù)。二、儀器及用具光學(xué)平臺(tái)(全息臺(tái))，He-Ne激光器，定時(shí)器，快門，50%分束鏡，平面鏡,全息干板，像屏，底片夾，透鏡，顯定影用具，讀數(shù)顯微鏡等。三、實(shí)驗(yàn)原理全息光柵是用全息照相的方法制作的一種分光元件。與用普通方法制作的刻劃光柵和復(fù)制光柵相比，全息光柵沒有周期性誤差，雜散光少，分辨率和衍射效率高，制作的環(huán)境條件要求較低，因而其應(yīng)用越來越廣泛。兩列同頻率的相干平面光波以一定夾角

2、相交時(shí)，在兩光束重疊區(qū)域?qū)a(chǎn)生干涉現(xiàn)象。如圖1(a)所示，在z=0的xy平面(該平面垂直于紙面)上將接收到一組平行于y軸的明暗相間的直條紋，其光強(qiáng)分布和條紋間距分別為2兀1)I=211+cosx(sin0一sin0)0九122)d二=1sin01一sin022sinl(0+0)cosl(0-0)212式中：01、2分別為兩束相干光與(xy)平面的法線夾角，+012為兩束光的會(huì)聚角。當(dāng)兩束光對稱入射即01=02-|時(shí)有(a)(b)圖13)令V為干涉條紋的空間頻率，則12sin(e/2)4)V=d九如果在z=0處平行于xy平面放置一塊全息干板H(圖1b),則經(jīng)曝光、顯影、定影等處理后，即可獲得一張

3、全息光柵。當(dāng)空間頻率v比較小時(shí)，稱之為低頻全息光柵。四、實(shí)驗(yàn)光路本實(shí)驗(yàn)采用馬赫曾特爾干涉儀光路，如圖2所示。它主要是有兩塊50%的分束器BS、BS和兩塊全反射鏡M、M組成。四個(gè)反射面互相平行，中心1212圖2光路構(gòu)成一個(gè)平行四邊形。擴(kuò)束鏡C和準(zhǔn)直透鏡L共焦以后產(chǎn)生平行光，平行光射到BS上分成兩束，這兩束光經(jīng)M、M反射后在BS上相遇發(fā)生干涉，在1122BS后面的觀察屏P上可觀察到干涉條紋。如果條紋太細(xì)可用讀數(shù)顯微鏡來觀2察。五、光路調(diào)節(jié)1平行光的產(chǎn)生和檢驗(yàn)平行光由擴(kuò)束鏡C和準(zhǔn)直鏡L產(chǎn)生，C、L兩者構(gòu)成一個(gè)倒裝望遠(yuǎn)鏡，其作用一是擴(kuò)束，二是壓縮激光的發(fā)散角。(1)擴(kuò)束鏡的調(diào)節(jié)。讓激光細(xì)束通過屏上小孔

4、，屏后適當(dāng)?shù)奈恢蒙戏胖糜惺挚潭瘸叩陌灼?，調(diào)節(jié)白屏位置使激光束射到十字刻度的中心點(diǎn)上。擴(kuò)束鏡置于孔屏和白屏之間適當(dāng)位置，調(diào)節(jié)擴(kuò)束鏡的各微調(diào)旋鈕，使擴(kuò)束鏡反射回來的自準(zhǔn)直像點(diǎn)剛好進(jìn)入孔屏小孔，而擴(kuò)束x后的光斑成為一個(gè)以白屏中心點(diǎn)為中心的平滑高斯型光斑。（2）準(zhǔn)直鏡的調(diào)節(jié)。在調(diào)好的擴(kuò)束鏡后放入準(zhǔn)直鏡，準(zhǔn)直鏡距擴(kuò)束鏡的距離約為二者焦距之和。然后用平行平晶調(diào)整出射平行光到最佳狀態(tài)。具體采用剪切法檢查光束的不平行度（見附I）。將被測光束傾斜投射到平晶上，觀察平晶兩表面反射光重合部分的干射條紋，沿光軸方向移動(dòng)準(zhǔn)直鏡，使干涉條紋最寬或成均勻視場為止。此時(shí)從準(zhǔn)直鏡出射的光為平行光束。2兩光束夾角大小的測定由式

5、（3）可看出，干涉條紋的間距d是由兩光束的會(huì)聚角e決定的。改變會(huì)聚角e便可獲得不同光柵常數(shù)的光柵。當(dāng)e比較小時(shí)，d%，伙，因此，只要測出e，便可估算光柵的空間頻率。具體辦法是將透鏡l放在兩光束重疊區(qū)，0則兩光束在L的后焦面上會(huì)聚成兩個(gè)亮點(diǎn)，如圖3所示。若兩亮點(diǎn)間的距離為x，00透鏡焦距為f,則兩光束的會(huì)聚角e可表示為e=，光柵的空間頻率為：5)六、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1調(diào)節(jié)激光光束平行于工作臺(tái)面，用自準(zhǔn)直法調(diào)整各光學(xué)元件表面與激光束主線垂直。2按圖2光路依次加入光學(xué)元件，調(diào)整好馬赫曾特爾干涉儀光路，使兩光束到達(dá)P屏的光程相等。調(diào)M和BS使兩光束在P屏處重合。123調(diào)擴(kuò)束鏡和準(zhǔn)直透鏡使之產(chǎn)生平行光。實(shí)驗(yàn)要求

6、制作v二100mm和v二20mm光柵各一塊，按要求預(yù)先計(jì)算出兩光束在透鏡L的后焦面上形成的兩亮點(diǎn)間的距離x。00屏P處放入透鏡L，使其與光束I共軸。然后調(diào)整BS的方位，使兩個(gè)亮點(diǎn)02沿水平方向拉開到預(yù)定距離x。x可用鋼尺或讀數(shù)顯微鏡測量。00撤去透鏡L，關(guān)閉光開關(guān)，將全息干板置于P屏處，穩(wěn)定數(shù)十秒鐘后進(jìn)行曝0光。經(jīng)顯影、定影、水洗干燥后得到全息光柵。用幾何光學(xué)和物理光學(xué)方法測出自制全息光柵的空間頻率，并與設(shè)計(jì)值比較之。附錄I平板剪切法檢査光束的不平行度若有一平晶，其表面完全平行，當(dāng)一束光入射到平晶上時(shí)，由平晶第一表面和第二表面反射的光在重疊區(qū)域產(chǎn)生干涉條紋，如圖4所示。干涉條紋的間距由,九九公

7、式d=決定。因9角很小，故9二虧。若入射光束的不平行度甲愈小，Pd2sm2則干涉條紋的間距d愈大。當(dāng)入射光為平行光時(shí)，9二0,則條紋間距d為無窮大，干涉場將一片明亮。實(shí)際上干涉條紋間距為50mm左右時(shí)，光束的不平行度只有2左右，這已是較理想的平行光波了。因此，當(dāng)用一決平行平晶放置在待檢驗(yàn)的光路上，并用屏接收由平晶兩表面反射的光斑，此時(shí)可見到干涉條紋。然后改變光束的不平行度，使條紋間距增大，當(dāng)屏上只有12個(gè)條紋后，入射光束已被調(diào)成平行光。附錄II復(fù)合光柵的制作所謂復(fù)光柵是指在同一張全息干板上拍攝的兩個(gè)柵線平行但空間頻率不同的光柵。復(fù)合光柵采用兩次曝光法制作第一次拍攝空間頻率為Vi的光柵2dsinV二2i九然后將全息干板H在水平方向旋轉(zhuǎn)一個(gè)微小角度到H1的位置(如圖5),在同干板上進(jìn)行第二次曝光則又得到另一空間頻率為V2的光柵2dsin7)2V二cosp2九如果兩光柵的方向嚴(yán)格平行則復(fù)合光柵的莫爾條紋的空間頻