全息光学元件的设计与制作实验设计资料

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1、全息光学元件的设计与制作小组成员：李贺 谢佳衡 杨森用全息图可再现光波的波前，或者说它对入射光具有相位调制的能力。在某些场合，全息图有可能代替普通透镜、棱镜、光栅，作为成像、转像、准直、分光元件。这种全息图就称为全息光学元件（HOE）。它使用感光记录介质制作的，其功能基于衍射原理，是一种衍射光学元件（DOE）。普通光学元件是用透明的光学玻璃、晶体、或有机玻璃制成的，起作用基于光的直线传播、光的反射、折射等几何光学原理。全息光学元件主要有全息光栅、全息透镜、全息扫描器、全息滤波器等。我们这里要制作的是全息光栅和全息透镜。实验一 马赫-曾德干涉仪法（分振幅法）制作全息光栅【实验目的】 1 学习掌握

2、制作全息光栅的原理和方法。 2 学习掌握制作全息复合光栅的原理和方法，观察其莫尔条纹。 3通过实验制作一个低频全息光栅和一个复合光栅，并观察和分析实验结果。 【实验仪器】1. 光学防震平台一个，支架、支杆及底座若干，旋转平台一个，带三维调节架及15 25针孔的针孔滤波器组合两套。 2. 扩束透镜（2040倍显微物镜）两个，已知焦距的透镜一个，反射镜若干，分束器一个，光束衰减器两套。 3. 20mW He-Ne 激光器一台。 4. 全息干板，显影、定影设备和材料。 5. 电子快门和曝光定时器一套。 【实验原理】全息光栅的制作原理是：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

3、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光路布置、设计制作原理。 1、全息光栅的记录光路 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。 在图 1 所示光路中，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 M 1反射、透镜 L 1 和 L 2 扩束准直后，直接射向全息干板 H；另一束经反射镜 M 2 反射、透镜 L 3和 L 4 扩束准直后，也射向全息干板 H。图中，

4、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。在对称光路布置下，光栅周期 d 或空间频率 f0 由下式确定：式中，是两束平行光之间的夹角，是激光波长。由（1）式可以看出，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，当 减小时，周期d增大、频率减小；对于低频光栅，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：从图 1 可知，在 值较小时，有,，将之代入（2）式可得：实验中可用此式来估算低频光栅的空间周期和空间频率

5、。图 2 所示光路是马赫曾德干涉仪光路。由激光器发出的激光经 M1反射、透镜 L1 和 L2扩束准直后，变成平行光；该平行光束经分由束镜 BS 1 后被分为两束，一束经反射镜 M2 反射，再透过分束镜 BS2后射向全息干板 H；另一束经反射镜 M3反射、再经分束镜 BS 2 反射后射向全息干板 H。图中 S 是电子快门，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。所形成的全息光栅的空间周期和空间频率仍然可用（1）式和（2）式确定。实验中可用图 2(b)所示的方法来测量计算光栅的空间周

6、期和空间频率，其中 L 是焦距已知的透镜，把它放置在图 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平行光束会聚点之间的距离 2D，则有成立，将之代入（2）式可得 (4) 采用图 2 所示光路制作全息光栅时，实验中可用此式来估算低频光栅的空间周期和空间频率。2、复合光栅 所谓复合光栅是指在同一张全息干板上记录两个栅线彼此平行但空间频率不同的光栅。复合光栅采用两次曝光方法来制作。设第一次曝光记录了空间频率为的光栅，然后保持光栅栅线方向不变，仅改变光栅的空间频率，在同一张全息干板上进行第二次曝光，设第二次曝光记录的光栅的空间频率为 。合理选择两次曝光的曝光时间和显定影处理条件，经

7、处理后就可得到一个复合全息光栅。复合光栅上将出现莫尔条纹，莫尔条纹的空间频率 是和 的差频，即例如，若=100 线/mm， =102 线/mm 或 98 线/mm，则莫尔条纹的空间频率 为 2 线/mm。这种复合光栅可用于光学图像微分运算。 拍摄复合光栅的光路仍可采用图 1 或图 2 所示的光路，为了改变第二次曝光时的光栅空间频率，只需改变两束平行光的夹角 即可。改变夹角 的方法有两种，一种是在图 1 所示光路中适当平移、并在水平方向旋转反射镜 M 1 和 M 2，在图 2 所示光路中适当平移、并在水平方向旋转反射镜 M 2 和 M 3（也可旋转分束镜 BS 2）；另一种方法是在水平方向（以竖

8、直方向为轴）旋转全息干板 H，如图 3 所示，以便改变夹角 。其中，第二中方法操作简便，并且对于一定大小的 或 ，其所需要的调节量较大，便于提高精度。由图 3 可知，当干板转动一个小角度 时，对应干涉条纹的空间周期变为：莫尔条纹的空间频率为根据设定的和 ，由此式可计算出干板应转动的角度 。例如，若 =100 线/mm， = 2线/mm，则有实验中， 角的改变可以通过调节干板夹持架下面的带有刻度的旋转台来实现。【实验内容与步骤】 （一）实验内容 采用图 2 所示光路。（1）拍摄一个空间频率 = 100 线/mm 的低频光栅，并采用衍射方法初步测量其空间频率；（2）拍摄一个复合光栅，第一次曝光记录

9、光栅的空间频率为 100 线/mm，第二次曝光记录光栅的空间频率为 98 线/mm，即莫尔条纹的空间频率为 2 线/mm。 （二）实验步骤 1低频全息光栅的制作 （1）参数光路估算 根据要求制作的全息光栅的空间频率 ，参照图 2(b)、由（4）式计算出 D。实验中， = 632.8nm，= 400mm。 （2）调光路布置和调整（a）首先保证从激光器出射的细激光束平行于台面；（b）用细激光束调整光路中各元器件的高度和中心位置，并使各元器件的光轴平行于台面；（c）按图2所示光路先放置好反射镜M1和电子快门S，再用L1、L2及针空滤波器将细激光束扩束准直成平行光；（d）放置好分束镜BS1，使平行光尽

10、量以45度角入射，入射平行光被BS1分成两束；（e）放置反射镜M2和M3及分束镜BS2，使BS1、M2、M3和BS2的位置近似成矩形；（f）调节M2和M3或BS2，使经BS2反射和透射的平行光以一定角度在全息干板H（此时以毛玻璃屏代替）上交叠；（g）在全息干板处放置透镜L，在透镜后焦面上放置毛玻璃屏，调节M2和M3或BS2，使聚点之间的距离达到要求的值；（h）熟悉了解电子快门和曝光定时器的使用。光路调整完毕后，将各调整底座固定好，不要再碰各元器件。（3）准备显影、定影材料 把三个适当大小的水槽依次放置好，按自左至右（或反之）依次在其中加入适量的显影液、清水和定影液。 （4）曝光 （a）按照激光

11、器输出功率大小和所使用的全息干板来决定的曝光时间（一般由由指导教师根据事先的实验给定），调整好曝光定时器；（b）记下光束在毛玻璃屏上交叠的位置，关闭电子快门和室内灯光，取下干板架上的毛玻璃屏、换上全息干板，使全息干板的感光药膜面对着入射光束，此后不要再碰光学平台及其上面的各元器件，稳定一分钟左右；（c）控制曝光定时器进行曝光。（5）显 影、定影处理 完成第（4）步后，将曝光后的全息干板取下来，按给定的显影、定影时间进行处理。处理完毕后用清水进行充分的冲洗，然后凉干，得到全息光栅。 （6）观察实验结果 （a）将凉干后的光栅放置在支架上，并在其后放置透镜 L，用其中的一束平行光束垂直照射，在透镜的

12、后焦面上用毛玻璃屏接收，构成图 4 所示的光路。从毛玻璃屏上即可观察到光栅的衍射图样。在观察屏上，如果只出现中间的三个亮点（0 级和1 级），则说明所制作的光栅是正余弦型的；如果出现 0 级、1 级、2 级、3 级、级亮点，则说明所制作的光栅是非正余弦型的；如果出现很多级亮点，则说明所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，一般情况下制得的是非正余弦光栅。如果要制得矩形光栅，则要用高反差系数 的全息干板；高 值干板的宽容度很小，可近似认为当曝光量达到某一值时就饱和曝光，曝光量小于该值时就不曝光，因而可形成接近矩形的光栅

13、。此外，由于实验中所采用全息干板的感光药膜较薄，其厚度与光栅周期相比很小，所以实验所制作的光栅属于平面光栅。（b）在图 4 所示光路中，测量得到1 级亮点之间的距离 p ，就可根据下式计算得到光栅实测的空间频率，用表示。此值应与设计要求值基本一致。【拓展实验】复合全息光栅的制作 仍采用图 2 所示光路，所不同的是要进行两次曝光，并在两次曝光之间，将全息干板旋转适当角度。第一次曝光记录光栅的空间频率为 =100 线/mm，其步骤与上述的（1）（4）相同。在第一次曝光完毕后，按计算要求的角度 调节干板下面的旋转台，不要碰台面上的其它任何器件。调节完毕后稳定三十秒到一分钟，再进行第二曝光，时间与第一

14、次曝光的时间相同。两次曝光完毕后，按上述的第（5）步进行显影、定影等处理，即可得到复合全息光栅。对着普通光源观察，可以观察到复合光栅上的莫尔条纹，也可采用图 4 所示的光路测量光栅的空间频率，并与设计值进行比较。实验二全息透镜的制作 全息透镜又分为同轴全息透镜、离轴全息透镜和反射全息透镜。由于全息透镜类似于菲涅耳波带片，所以全息透镜又叫全息波带片。和普通透镜相比，全息透镜具有重量轻、造价低、相对孔径大，易于制作和批量复制；以及在同一张全息片上可具有多功能（如聚焦、分束、滤波和多重记录）等优点，因而在许多领域已获得了应用。 【实验目的】 1、 掌握几种全息透镜的制作原理和制作方法，并制作出几种全

15、息透镜进行观察。 2、 通过对全息透镜成像的认识，帮助理解普通三维物体的全息照片再现原物的立体像的机理。 【实验仪器】He-Ne 激光器一台(30mW 左右)；扩束镜 1 只；分束镜 2 个；反射镜 2 个；50 准直镜 2 只；干板架 1 个；观察白屏 1 个；电子快门 1 个；全息干板若干小块。 【实验原理】 图1（a）所示为全息透镜的制作原理。点光源 A 发出发散的球面波，而 B 则是一个会聚球面波的交点，两光波相干；在两束光相重叠的干涉场内，放置一种全息记录介质，通过曝光和显影等处理，就可以制成全息透镜。 图 1 全息透镜的记录及其光栅结构 图 1 (b,c)是全息透镜的光栅结构。如果记录介质表面中心的法线与 A、B 两点的连线相重合，则是同轴全息透镜，如图 1(c)所示；否则便是离轴全息透镜，如图 1(b) 所示。 全息透镜的特性可以用它的透射系数来表征。