1信息光学实验讲义（二）信息光学实验讲义（二）指导教师：刘厚通指导教师：刘厚通安徽工业大学数理学院2实验三实验三 全息光栅的制作全息光栅的制作 引言引言 光栅是一种重要的分光元件,在实际中被广泛应用许多光学元件, 例如单色仪、 摄谱仪、光谱仪等都用光栅作分光元件;与刻划光栅相比, 全息光栅具有杂散光少、 分辨率高、适用光谱范围宽、有效孔径大、生产效率高, 成本低廉等突出优点实验目的实验目的 1、了解全息光栅的原理； 2、掌握制作全息光栅的常用光路和调整方法； 3、掌握制作全息光栅的方法基本原理基本原理（（1 1）全息光栅）全息光栅当参考光波和物光波都是点光源且与全息干板对称放置时可以在干板上形成平 行直条纹图形，这便是全息光栅采用线性曝光可以得到正弦振幅型全息光栅从 光的波动性出发，以光自身的干涉进行成像，并且利用全息照相的办法成像制作全 息光栅，这是本节的内容2 2）光栅制作原理与光栅频率的控制）光栅制作原理与光栅频率的控制用全息方法制作光栅, 实际上就是拍摄一张相干的两束平行光波产生的干涉条 纹的照相底片，当波长为λ的两束平行光以夹角交迭时, 在其干涉场中放置一块 全息干版, 经曝光、显影、定影、漂白等处理, 就得到一块全息光栅。
相邻干涉条 纹之间的距离即为光栅的空间周期d (实验中常称为光栅常数) 如图2-1所示：图 2-1 全息光栅制作原理示意图有多种光路可以制作全息光栅其共同特点是①将入射细光束分束后形成两个 点光源，经准直后形成两束平面波； ②采用对称光路，可方便地得到等光程如图 2-2和图2-3所示3Ⅰ图 2-2 全息光栅制作实验光路图MSPL1L2L12345 67891 011121314151617SPML35015010 02 70200150L 1L2图 2-3 全息光栅制作实验光路图图2-2采用马赫-曾德干涉仪光路,它是由两块分束镜（半反半透镜）和两块全反 射镜组成，四个反射面接近互相平行，中心光路构成一个平行四边形从激光器出 射的光束经过扩束镜及准直镜，形成一束宽度合适的平行光束这束平行光射入分 束板之后分为两束一束由分束板反射后达反射镜，经过其再次反射并透过另一个 分束镜，这是第一束光；另一束透过分束镜，经反射镜及分束镜两次反射后射出， 这是第二束光在最后一块分束镜前方两束光的重叠区域放上屏P若Ⅰ，Ⅱ两束光 严格平行，则在屏幕不出现干涉条纹；若两束光在水平方向有一个交角，那么在屏 幕的竖直方向出现干涉条纹，而且两束光交角越大，干涉条纹越密。
当条纹太密时， 必须用显微镜才能观察得到在屏平面所在处放上全息感光干版，记录下干涉条纹， 这就是一块全息光栅 为了保证干涉条纹质量，光束 I 和 II 需要严格水平于光学平台，可在图中最后 一个分束镜后面两束光的重叠区内放一透镜，将屏移到透镜的后焦面细调两块反 射镜使光束 I 和 II 在屏上的像点处于同一水平线上，这样 I、II 严格水平于平台4然后，可转动两块反射镜或最后一块分束镜使两个像点重合这时光束 I 和光 束 II 处于重合状态，会聚角，应没有干涉条纹撤去透镜后，微调两块反射0 镜或最后一块分束镜的水平调节旋钮，改变 I、II 的会聚角使其不为零，就可在光 束 I 和 II 的重叠区看到较明显的干涉条纹 图 2-3 所用光路是一种非对称结构，它主要由一块 50%的分束镜 S、和一块全 反射镜 M 组成，中心光路构成一个三角形扩束镜和准直透镜用以产生平行光平 行光射到 S 上分成两束，这两束光经过反射后在全息干板 P 上相遇发生干涉，若在 此处放上白屏，可在其上观察到干涉条纹，如果条纹太细可用显微镜来观察干涉 条纹为等距直条纹，用记录介质全息干板放在干涉场中经曝光、显影、定影等处理 就得到全息光栅。
准确的控制光栅常数（即光栅的空间频率）,是光栅质量的重要指标之一我们 采用透镜成像的方法来控制制作的光栅的空间频率： 如果上图中经最后一块分束镜射出的两相干光束I、II与P面水平法线的交角不 相等，分别为θ1和θ2，ω=θ1+θ2称为两束光的会聚角，如图2-4中所示，图 2-4 两束光投射到屏幕上 则由杨氏干涉实验的计算得到两束光在P面形成的干涉条纹的间距为：（1） 2cos2sin2sinsin1212121 vd式中 λ 为激光束的波长，对于 He-Ne 激光器 λ=632.8nm当21而且(2/ )21《1 时，近似有：d （2）在本实验中，由于两束光的会聚角不大，因此可以根据上式估算光栅的空间 频率具体办法是：把透镜 L2放在两束光 I、II 的重叠区，如图 2-5 所示5图 2-5 用透镜估算两束光的会聚角在 L 的焦面上两束光会聚成两个亮点若两个亮点的间距为0x，透镜 L 的焦距为 ƒ，则有fx /0由此式和式（2）可得：0/xfd。
从而所得到的正弦光栅的空间频率为:fx dv01（3）根据式（3） ，按需要制作的全息光栅对空间频率的要求，调整两光束Ⅰ、Ⅱ的 方向，使之有合适的夹角例如要拍摄100线/mm的全息光栅，，设所配备的透镜的焦距mm/100线1Lf=150mm，氦氖激光器激光波长，根据式（3） ，有mm51063. 0mmfx5 . 91001501063. 05 0实验时把屏幕放在的后焦面上，根据两个亮点的间距，即可判断光栅的空间1L频率是否达到要求可调节Ⅰ、Ⅱ两束光的方向，一直到0x=9.5mm为止由式（1）,并参照图2-4和图2-5，在实验中改变Ⅰ、Ⅱ两束光的方向从而改变 光栅空间频率的途径有两种一种是绕铅垂方向略微转光路中的任一块反射镜或最后一块分束镜，从而改变2，使得干涉条纹的间距d改变；另一种是绕铅垂方向旋转干版P，这时在保持21不变的条件下将使21改变，从而改变了d，也即改变了空间频率υ在本实验中，因干版架无旋转微调装置，所以采用第一种办 法 以上方法制作的是最简单的一维光栅，以下是其观察示意图：6图 2-6 一维光栅的观察（（3 3）正交光栅）正交光栅如果以上的一维光栅制作成功，那么两维光栅只需要对干版进行两次曝光就行 了。
这两次曝光分别是让干版水平放置和垂直放置， 所用光路及拍摄方法与全息光栅基本相同，仍然是在马赫-曾德干涉仪上拍制 只是暴光一次后，将全息干版旋转 900再暴光一次，这样就使两个相互垂直的光栅 拍在一块干版上，这就是正交光栅 正交光栅的观察：图 2-7 正交光栅的观察（（4 4）复合光栅）复合光栅 复合光栅是用全息方法在同一干板上拍摄到的两个栅线平行但空间频率稍有差 别的光栅，采用二次暴光法来制作 第一次暴光拍摄空间频率为υ的光栅，然后保持光栅栅线方向，仅改变光栅的 空间频率，在同一张全息干版上进行第二次暴光，拍摄空间频率为υ0的光栅 如果两个光栅的栅线方向严格平行，则复合光栅将出现莫尔条纹，其空间频率 υ¹是υ和υ0的差频，即： υ¹=△υ=∣υ-υ0∣ 例如，若υ=100线/mm，υ0=102线/mm或98线/mm，则： 莫尔条纹的空间频率υ¹=∣υ-υ0∣=2线/mm 这种复合光栅可在典型实验——光学微分实验中使用 本实验中复合光栅仍然可以在马赫-曾德干涉仪上拍制的具体方法是先拍一个 100线/mm的光栅，然后保持干版不动，移动任何一个反射镜或最后一个分束镜在水 平方向的转角，如果用本实验系统提供的燕尾平移台的话大致是转动5个最小刻度。
实验内容实验内容 实验组实验组 1 1 和组和组 2 2 所用仪器和调整步骤如下所示所用仪器和调整步骤如下所示( (使用天津托普实验使用天津托普实验7设备设备) )：： 一、实验仪器 1、He-Ne 激光器 L（632.8nm） 2、二维调整架： SZ-07 3、扩束镜 L1： f1=4.5mm 4、二维调整架： SZ-07 5、准直镜 L2： f2=225mm 6、分光镜 S（半透半反镜） 7、二维调整架： SZ-07 8、全息干版 P 9、二维干板架： SZ-12A 10、通用底座： SZ-04 11、一维调座： SZ-03 12、二维调整架： SZ-07 13、通用底座： SZ-04 14、平面反射镜 M 15、二维底座： SZ-02 16、三维底座： SZ-01 17、二维底座： SZ-02 18、读数显微镜 19、白屏 H： SZ-13 20、读数显微镜架 : SZ-38 二、仪器实物图及原理图（见图 2-3） 五、实验步骤 1、把全部器件按图 2-3 的顺序摆放在平台上，点亮激光器，调节激光器输出的 光束与平台面平行，并调节各光学元件表面与激光束的主光线垂直。
2、调节分出的两光束，使其到达 P(此时的 P 可用白屏代替)时的光程差相等.3、根据光栅常数，求出 100 线/mmθ 角的大小)]2/sin(2/[d4、根据所求出的 θ 角，调节好图中的角的大小 5、用全息干板替换白屏，稳定 1 分钟后对全息干版曝光 2—3 秒钟，然后显影 约 2 分钟，定影 5 分钟，吹干后就可得到全息光栅 （显影时间应依照显影 液和定影液的浓度而定） 6、观察全息光栅的花样：用激光细束直接照射到所拍的全息光栅上，在光栅后 面的白屏上观察到奇数个亮点中间是 0 级，对称分布在 0 级两侧的分别是 级、级、……当用白光作为光源来照射全息光栅时，光栅能按波长12 大小把光分开，波长短的光衍射角小，如让光栅的衍射光通过透镜，在透镜 的后焦面上可得到按波长大小排列的单色线条，这就是光栅光谱 实验组实验组 3 3 所用仪器如下所示所用仪器如下所示( (使用北京方式实验设备使用北京方式实验设备) )：： 一、实验步骤 1、 调节马赫-曾德干涉仪光路光路，调出干涉条纹，在分束镜后加上透镜和白 屏 2、 拍摄全息光栅：调妥后挡住激光束,放置全息干版,静置1～2min后曝光,制作 100线/mm光栅8一块。
3、对制作的光栅进行观察 二、实验仪器序号名称技术指标数量单位1半导体激光器（含电源）650nm/25mW1套2二维扩束镜（含镜架）40X1套3准直透镜（带框）Φ401套4二维分束镜（含镜架）Φ75,1:12套5二维反射镜（含镜架）Φ60,加强铝2套6傅立叶透镜（带框）Φ75 ，f=150mm1套7干版架1个8白屏1个9曝光定时器1套10显影附件（全套）1套实验四实验四 全息照相全息照相 引言引言 全息照相是以光的干涉和衍射理论为基础的波前记录和再现技术普通照相可 以对各种物体的光强进行永久性记录并保存下来，小至显微镜下的图像，大至星体 的图像，它已在人类历史和科学研究等方面获得了广泛的应用，并且正在不断地提 高和发展1947 年英国科学家盖伯在提高电子显微镜的分辨率研究中提出了“光学 成像的一种新的两步方法”为全息照相的发展奠定了理论基础由于当时没有一种 良好的相干光源因而进展缓慢直到 1960 年以后激光的出现为全息照相提供了相干 性良好的光源才获得了迅速发展1962 年美国科学家利思用激光作光源并引入离轴 参数光束的方法拍摄了第一张具有实用价值的全息图后，全息照相开始成为光学研 究方面的活跃领域之一。
此后除激光全息外还发展了超声全息、微波全息、红外全9息等，并在军事技术、科学研究、工农业生产、艺术记录等方面得到广泛应用实验目的实验目的 1、通过拍摄漫反射物体的透。