南昌大学低频全息光栅制作及衍射特性研究

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1、低频全息光栅制作及衍射特性研宄一、实验目的：1.学习掌握制作全息光栅的原理和方法2.掌握制作全息光栅的常用光路和调整方法3.通过实验制作一个低频全息光栅，观察并分析实验结果二、实验原理:如图1所示，I、n两朿相干光与//平面的法线夹角为e4^2,e=0^+02为两朿光的会聚角。这两朿相干的平行光相互叠加时产生等距的明暗相间的直条纹，干涉条纹的间距巾下式决定：AAA==Sin^+Sin^2Sini（0+幻⑽i⑷—幻22当两來光对称入射即0^=02=001A"=2/(2sinI当0很小时，当所制光栅空间频率较低时，两朿光的会聚角不大，就可以根据上式估算光栅的空间频率（如图2所示）。具体方法

2、是把透镜U放在I、II两束光的重合区，则两束光在U的后焦面上会聚成两个亮点。若两个亮点间的距离为x0,透镜焦距为f,则有：即光栅的空间频率力:反之，亦可从v（或光栅常数Ax）推出xQ,再推出e角，从而完成低频全息光栅制作光路的设计。检查光栅的正弦性及其空间频率儿何光学方法：将制备的光栅直接貫入激光细光來屮，在远处屏上将得到其衍射阁样，如阁4所示。巾于光栅至屏的距离远大于光栅间距，此衍射图样为夫琅和费衍射图样，亦即其频谱。如果光栅的频谱只有0级和±1级三个亮点，则表明此光栅是正弦型的。如果频谱中出现±2、±3、•••级亮点，则表明此光栅为非正弦型。根据光栅G至屏尸的距离/，以及频谱屮级两

3、亮点之间的距离t/，则可计算出光栅的实际空间频率/。显然v=df/（2lA）将实空间频率与要求的空间频率^相比较，并分析产生误差的原因。三、实验仪器：光学平台（全息台），He---Ne激光器，定时器，快门，50%分束镜，平而镜，全息干板，像屏，底片夹，透镜,显定影用具等.E1!实验内容和步骤:扩镜准全反白板k1=^全反镜透全息干板防震台氨氖激光器磁力座激光器电源调节架一、光路的设计与排布1、设计：根据全息光栅的制作原理，自行设计记录一个空间频率为v=500C/mm的全息光栅的实验光路。要求将光路图画在预习报告上，并说明设计思路。二、光路的排布：根据所设计的光路图，在防震台上排布光路。请

4、把光路排布屮遇到的问题、解决的思路和办法写在实验报告屮。三、记录一维全息光栅利用排布好的光路，制作一块一维全息光栅。注意：1、本实验使用天津1型银盐干板；2、选取合适的曝光时间t;3、将银盐干板安装在干板架上，干板在干板架上被夹持应稳同不摇晃；4、曝光前需静台两分钟，曝光过程屮应保证全息防震台稳定，室A空气平稳，无大的气流运动;5、银盐干板应严格避光操作，待定影结束后才可见白光。四、银盐干板的后处理对曝光后的干板进行化学处理，应严格按常规的暗室操作规则进行，具体处理步骤如下：1、在D~19显影液中显影,温度200C,时间2分钟左右;2、淸水中轻涮一遍；3、用F--5定影液定影，时间5-

5、10分钟；4、流水冲洗20分钟以上；5、自然晾干或吹干；6、为了提高全息光栅的衍射效率，后处理过程可增加“漂白”过程，使全息光栅巾振幅型转化为位相型，此过程可在4、5两步之间进行。实验室提供的漂白液为铁氰化钾溶液。五、一维光栅的特性测量测景全息光栅的空间频率：用几何光学和物理光学方法测出自制全息光栅的空间频率v’，并与设计伉v比较之、五、实验数据与处理:1.实验设计的光路如下图e凸透镜扩束镜■实验室己知激光波长为Z=632.8nm焦距f=150mm要求制作v=500的光栅1根据公式±计算出x()应该为x0=4.9cm后经实验测量出D=9.80cmL=15cm计算得出实际光栅频率V=-^

6、=-二516.222ZA2x15x632.8xl0~b计算相对误差的大小<£=Ux100%=516.22_500x100%=3.24%v抑500六、误差分析：1、调节平行光时没有达到标准的平行，存在误差。2、使两束光重合从而达到干涉吋仍然存在误差。3、曝光后显影定影的时间也影响光栅的透光本领，从而影响光栅常数的测量。4、实验中的测量存在不可避免的误差，应该多次测量取平均位。七、改进的光路设计及实验研究一个好的全息光栅制作光路，必须满足以下条件：1）光程差的要求。从光源到干板，各路光束所经过的光程应尽量接近，即相互间的光程差要尽可能小；2）物参比的要求。物光和参考光照射到干板表面的光强之

7、比一般控制在1:2至1:10以内，否则将降低干涉条纹的对比度，降低衍射效率。具体比例应根据物表而反射（或散射）特性、物的种类、全息图的类别，以及记录介质特性等因素而定；3）光学元件使用数量要尽可能少。一方面是为了减少不必要的光能量损失，另一方面也为了减少引入噪声的概率。八、思考题：一、光路设计的原则是？答：（1）所有光束必须出自同一台激光器；（2）充分利用全息防震平台的面积1.2mX0.8m，光路的排布应以方便操作为宜；（3）尽可能少用光学元件