全息透鏡的制備及應(yīng)用

目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"基本要求 1\o"CurrentDocument"基本原理 1\o"CurrentDocument"實(shí)驗(yàn)儀器及相關(guān)作用 3\o"CurrentDocument"實(shí)驗(yàn)儀器 3\o"CurrentDocument"3.2主要儀器的相關(guān)作用 4\o"CurrentDocument"實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)論 4\o"CurrentDocument"4.1光路設(shè)計(jì) 4光路調(diào)節(jié) 5\o"CurrentDocument"實(shí)驗(yàn)結(jié)果 8\o"CurrentDocument"4.3.1曝光 8\o"CurrentDocument"4.3.2沖洗 8\o"CurrentDocument"再現(xiàn) 8\o"CurrentDocument"心得體會(huì) 9\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 10全息透鏡的制備及應(yīng)用基本要求（1） 掌握同軸全息透鏡的基本原理和方法。（2） 制作一個(gè)全息透鏡，觀察它的成像特性，并與普通透鏡作比較（3） 聯(lián)系基元全息圖的概念，進(jìn)一步理解光信息記錄原理及技術(shù)。基本原理全息透鏡實(shí)際上是一張球面波基元全息圖（或稱點(diǎn)源的全息圖）。它相當(dāng)于一塊菲涅耳波帶片，具有類似透鏡的會(huì)聚作用和成像特性。全息透鏡易制成較大的尺寸，造價(jià)低制作方法簡(jiǎn)單，易復(fù)制，重量輕，因而在某些場(chǎng)合具有獨(dú)特用途。全息透鏡可用一個(gè)球面波與平面波相干，或兩束球面波相干來記錄。全息透鏡分同軸全息透鏡、離軸全息透鏡和反射型全息透鏡。同軸全息透鏡類似于菲涅爾波帶片，實(shí)質(zhì)上是一組透光與不透光相同的同心圓環(huán)，又稱為全息波帶片。一個(gè)點(diǎn)物的全息圖就是一個(gè)全息透鏡，當(dāng)點(diǎn)物與參考點(diǎn)光源的連線通過全息圖中心時(shí)，得到的全息圖就是同軸全息透鏡。如圖2.1所示，A點(diǎn)是物點(diǎn)，坐標(biāo)為（0，0，z），B為參考點(diǎn)源，其坐標(biāo)為（0，0，z），如z，z均代表代數(shù)量，則A，Babab在H上的復(fù)振幅分布分別為(u(x,y(u(x,y)=Aexp-jka0(u(x,y)=Bexp-jk1）2）圖2.1同軸全息透鏡的形成H上的光強(qiáng)分布為Zb丿+AZb丿+AoBoexp-jkx2+y2

2Izzb丿b3）I(x,y)二A2+B2+ABexpjk0000經(jīng)過線性處理后，全息圖的透過率t(x,y)二t+1t(x,y)二t+1exp-jkx2+y2

2+texpjkx2+y22Iz zb丿b4）<0,Z>0,b式（4）中，t、t<0,Z>0,b0111所以一-—<0，于是式（4）中第二項(xiàng)相當(dāng)于負(fù)透鏡，第三項(xiàng)相當(dāng)于正透鏡，第一項(xiàng)相zzb當(dāng)于一個(gè)平板玻璃。全息透鏡還有一些與普通透鏡不同的特點(diǎn)，除前面提到的三種作用同時(shí)并存外，衍射還可能出現(xiàn)高級(jí)次，因而有多重焦距，多重像。由于全息透鏡的焦距與所使用的光波長有關(guān)，因而有明顯的色散現(xiàn)象存在。這些特點(diǎn)可由實(shí)驗(yàn)觀察到。如讓日光通過全息透鏡，即可觀察到不同衍射的光的焦點(diǎn)不同，出現(xiàn)多重焦距；透過全息透鏡觀看一個(gè)發(fā)光的白熾燈，會(huì)看到燈絲的多重像。實(shí)驗(yàn)光路如圖2.2所示圖2.2圖2.2同軸全息透鏡記錄光路激光通過L1準(zhǔn)直透鏡變成平行激光束，經(jīng)分束鏡S1將激光束分為兩束，一束經(jīng)全反射鏡Ml全反射，再經(jīng)半透半反鏡S2反射照射到感光底片H上；另一束經(jīng)S1反射后再經(jīng)全反射鏡M2反射，經(jīng)過會(huì)聚透鏡L聚集于A點(diǎn)，A點(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)點(diǎn)光源，它發(fā)出的球面波與由Ml反射的光波同軸投射到感光底片上。兩束光在底片上相干形成明暗相間的同心干涉條紋。在中心部位的干涉條紋，由于球面波的光線與平面波光線之間的夾角很小，結(jié)果條紋間隔較疏；而邊緣部位由兩束光光線的理會(huì)角逐漸擴(kuò)大，條紋逐漸變密。條紋分布類似于菲涅耳波帶片，故也稱全息波帶片。透射型離軸全息透鏡實(shí)驗(yàn)光路如圖2.3所示。圖2.3透射型離軸全息透鏡實(shí)驗(yàn)光路基本原理：平行光束經(jīng)過分束鏡BSl將激光束分成兩束，一束經(jīng)過全反鏡Ml反射在經(jīng)過全反鏡M3反射照射到感光底片H上；另一束則是經(jīng)過BS1反射后在經(jīng)過全反鏡M2反射，再經(jīng)會(huì)聚透鏡L1聚集于A點(diǎn)，A點(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)點(diǎn)光源，它發(fā)出的球面波與由M3反射的光波離軸投射到感光底片上。兩束光在底片上想干形成明暗相間的同心干涉條紋。在中心部位的干涉條紋，由于球面波的光線與平面波光線的夾角很大，結(jié)果只有中心一點(diǎn)可以看出干涉現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)儀器及相關(guān)作用實(shí)驗(yàn)儀器He-Ne激光器一臺(tái)，全反射鏡二個(gè)，分束鏡二個(gè)(50%)，準(zhǔn)直透鏡一只，透鏡一個(gè)，洗相設(shè)備一套，屏、光學(xué)元件調(diào)節(jié)架、全息干板等。主要儀器的相關(guān)作用He-Ne激光器：實(shí)驗(yàn)用光源，可以作為光路準(zhǔn)直調(diào)節(jié)的平行光線以及制備全息透鏡的光源。全反鏡：在實(shí)驗(yàn)中反射來自分束鏡后的光束，改變其光路，使得兩束光能夠構(gòu)成干涉條件。分束鏡：把經(jīng)過擴(kuò)束鏡和準(zhǔn)直透鏡的光束均勻分成兩束光束，使得兩束光形成相干光。準(zhǔn)直透鏡：準(zhǔn)直，使得從激光器中出來的光束是沿平行直線傳播。洗相設(shè)備：洗相。全息干板：曝光拍照。實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)論光路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)采用馬赫-曾德爾干涉系統(tǒng)，其光路示意圖如圖4.1所示。圖4.1馬赫-曾德爾干涉系統(tǒng)示意圖圖中C表示擴(kuò)束鏡，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中沒有，用針孔濾波器代替，L是準(zhǔn)直透鏡。BS1、BS2代表分束鏡，Ml、M2、M3為反射鏡，P為光屏。它是由兩塊分束鏡（半反半透鏡）和兩塊全反射鏡組成，四個(gè)反射面接近互相平行，中心光路構(gòu)成一個(gè)平行四邊形。從激光器出射的光束經(jīng)過擴(kuò)束鏡及準(zhǔn)直鏡，形成一束寬度合適的平行光束。這束平行光射入分束板之后分為兩束。一束由分束板反射后達(dá)反射鏡，經(jīng)過其再次反射并透過另一個(gè)分束鏡，這是第一束光；另一束透過分束鏡，經(jīng)反射鏡及分束鏡兩次反射后射出，這是第二束光。在最后一塊分束鏡前方兩束光的重疊區(qū)域放上屏P。若1,11兩束光嚴(yán)格平行，則在屏幕不出現(xiàn)干涉條紋；若兩束光在水平方向有一個(gè)交角，那么在屏幕的豎直方向出現(xiàn)干涉條紋，而且兩束光交角越大，干涉條紋越密。4.2光路調(diào)節(jié)馬赫－澤德干涉儀調(diào)節(jié)步驟如下：跟據(jù)實(shí)驗(yàn)光路，選擇適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)元件及相應(yīng)的具有調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的光具架。擴(kuò)束鏡用針孔濾波器代替，反射鏡Ml、M2和分束鏡BS1、BS2在寬光束中工作，其孔徑應(yīng)至少大于準(zhǔn)直透鏡孔徑。各種光具架一般應(yīng)具有高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和方向、俯仰微調(diào)機(jī)構(gòu)。調(diào)節(jié)激光光束與工作臺(tái)平行。首先要使激光器的高度合適，使其出射的光束與實(shí)驗(yàn)中所用的光學(xué)元件的中心高度基本一致。例如，實(shí)驗(yàn)中所有的光學(xué)元件的中心高度為180mm,調(diào)節(jié)激光器，使其射出的光束不但高度合適而且與平臺(tái)平行，檢查方法是可以將一個(gè)小孔光闌放在激光器前，小孔高度約為180mm，前后移動(dòng)光闌，使光束都能通過小孔光闌，這說明光束與平臺(tái)平行且高度合適。調(diào)節(jié)針孔濾波器。先在激光器前方一定距離處放一光屏P2并在光屏上細(xì)光束入射點(diǎn)處用水筆作一定位標(biāo)記，調(diào)整過程中不要觸動(dòng)光屏P2。然后在光路中推入以卸下針孔的針孔濾波器，同時(shí)在針孔濾波器的擴(kuò)束鏡一側(cè)的光路中放入帶有3-5mm小孔的屏P1，讓激光束無阻擋地通過，并入射到擴(kuò)束鏡中，調(diào)整針孔濾波器（平移或轉(zhuǎn)動(dòng)）使從擴(kuò)束鏡出射到投在P2屏上的光斑為一平滑的圓光斑，其中心在屏P2的定位標(biāo)記處，同時(shí)使出現(xiàn)在光屏P1面上的一組同心圓環(huán)與P1上的小孔同心。這組類似于牛頓干涉圓環(huán)的同心環(huán)帶是入射光束被擴(kuò)束鏡前后表面部分反射后形成的干涉條紋。這部分調(diào)整工作非常重要，擴(kuò)束鏡的軸線與系統(tǒng)的光軸不一致有可能的不到理想的結(jié)果。接著移去光屏P1，裝上針孔，利用針孔濾波器上x，y方向的兩個(gè)測(cè)微頭，改變針孔在x，y面上的位置，直到光屏P2上出現(xiàn)針孔射出的暗淡的衍射光斑，然后通過微調(diào)z方向的測(cè)微頭，軸向移動(dòng)

擴(kuò)束鏡，對(duì)針孔調(diào)焦。正確調(diào)焦，使P2屏上光斑最亮，同時(shí)微調(diào)x,y方向的測(cè)微頭，最后可在光屏P2上得到以標(biāo)志點(diǎn)為中心的既大又亮又圓的衍射光斑，這是針孔濾波器的最佳位置。如圖4.2所示為激光器與針孔濾波器的最佳相對(duì)位置。圖4.2激光器與針孔濾波器最佳的相對(duì)位置圖4.3及圖4.4分別為針孔濾波器輸出的衍射斑和針孔濾波器最佳位置的輸出光斑。圖4.3針孔濾波器輸出的衍射斑

4?在針孔濾波器前放置準(zhǔn)直鏡L,前后移動(dòng)L到最佳位置，使由L射處的光束為平行光。5?使所有光學(xué)元件的面與光束垂直。首先調(diào)節(jié)各元件的鏡座高度，使各光學(xué)元件的中心高度與光束一致。然后在準(zhǔn)直鏡L的前方分別放入各光學(xué)元件Ml、M2、BS1、BS2,調(diào)節(jié)各光學(xué)元件的仰角使反射光束重合，并如圖4.1所示把它們擺成一各平行四邊形，使兩束光光程基本一樣，把小孔光闌放在兩束光中，進(jìn)一步檢查各光束是否與工作臺(tái)面平行。6?放上屏，調(diào)節(jié)Ml、M2、BS1、BS2使兩光束會(huì)合于BS2的出射面，并會(huì)合于屏上。這時(shí)屏上的光斑不一定能很好的重合，可將小孔光闌放在準(zhǔn)直鏡L與分束鏡BS1之間，調(diào)節(jié)M2，使經(jīng)過小孔光闌的兩束光在BS2的出射面上重合，再調(diào)節(jié)S2使兩束光在屏面上重合。再反復(fù)調(diào)節(jié)一次M2及BS2，使兩束光在BS2出射面和屏面上都很好重合為止。這時(shí)兩束光接近平行，撤去光闌，在屏上可以看到干涉條紋，如圖4.5所示，微調(diào)BS2或M2的轉(zhuǎn)角及仰角可改變條紋的寬度及方向。圖4.5干涉條紋光路搭建完畢后的實(shí)物圖如圖4.6所示。圖4.6馬赫-曾德爾干涉系統(tǒng)實(shí)物圖離軸全系透鏡的干涉光路調(diào)節(jié)與共軸全息透鏡的干涉光路調(diào)節(jié)基本一致，僅是分束鏡和全反鏡的擺放位置不同，因此在這里不再贅述。實(shí)驗(yàn)結(jié)果曝光在完成上述全部調(diào)節(jié)后，準(zhǔn)備好后進(jìn)行曝光處理。曝光在暗室進(jìn)行，在屏P的位置上換上全息干板，一共需要曝光兩次，一次曝光時(shí)間為2秒，一次曝光時(shí)間為1秒。在整個(gè)曝光過程之前全息干板都不得見光，同時(shí)曝光時(shí)還要注意每一光學(xué)元件都不能有任何微小移動(dòng)或振動(dòng),輕微的振動(dòng)或氣流擾動(dòng)只要使光程差發(fā)生波長數(shù)量級(jí)的變化,條紋都會(huì)模糊不清,因此拍攝時(shí)不能亂動(dòng)，否則可能會(huì)使得實(shí)驗(yàn)失敗。沖洗在曝光結(jié)束后，將底板拿到?jīng)_洗房沖洗，依次放入顯影液、停影液、定影液和漂白液中，但是顯影時(shí)間也不要過長,只要底片變灰了就行,千萬不能變黑了,定影3分鐘,所有的時(shí)間要嚴(yán)格掌握才能保證成功.還有沖洗時(shí)可以用紫光或綠光燈,但千萬不要被紅光照到,否則就前功盡棄了。再現(xiàn)

在沖洗完并烘干后的全息干板放置在平面波前，并且在平行平面波前放置一個(gè)有一特定形狀的透光孔作為物。在干板后放置一個(gè)接收屏，移動(dòng)屏可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)屏在小于焦點(diǎn)處屏上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)正立縮小的像；當(dāng)屏在焦點(diǎn)處則出現(xiàn)一個(gè)圓點(diǎn)；在屏處在大于焦點(diǎn)處則出現(xiàn)一個(gè)倒立放大的像，圖4.7和圖4.8分別所示為共軸和離軸全息透鏡的像。圖4.7共軸全息透鏡的像心得體會(huì)一周的開放性實(shí)驗(yàn)結(jié)束了，這是進(jìn)大學(xué)以來第一次做開放性實(shí)驗(yàn)，非常興奮，在實(shí)驗(yàn)中不僅檢驗(yàn)了我所學(xué)習(xí)的知識(shí)，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情又如何完成一件事情。在設(shè)實(shí)驗(yàn)過程中，與同學(xué)分工設(shè)計(jì)，和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)。在其中更加深刻的明白了團(tuán)隊(duì)的重要性，合作才是趨勢(shì)，個(gè)人的能力是有限的，集體的力量是無窮的。通過這次全息透鏡的制備及應(yīng)用的開放性實(shí)驗(yàn)，本人在多方面都有所提高。首先是復(fù)習(xí)了以往學(xué)過的一些知識(shí)，溫故而知新。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，有知識(shí)點(diǎn)的遺漏，讓我及時(shí)的查漏補(bǔ)缺。在這次實(shí)驗(yàn)過程中，體會(huì)了