全息光栅实验

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1、全息光栅的制作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，并且制作简便、快速。1、实验目的1、了解全息光栅的原理2、用马赫-曾德干涉仪搭光路并拍照3、学习对全息光栅的后处理2、基本原理（一）全息光栅当参考光波和物光波都是平面波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

2、相的办法成像制作全息光栅，这是本节的内容。（二）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,如图1所示,当波长为λ的两束平行光以夹角θ交迭时,在其干涉场中放置一块全息干版H,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)。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。我们常采用马赫-曾德干涉仪光路,如图2所示。ⅠⅡⅠ图1全息光栅制作实验光

3、路图它是由两块分束镜（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到达反射镜，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，则在屏幕上不出现干涉条纹；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

4、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。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。准确的控制光栅常数

5、（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3中所示，PⅠθ1ωθ2Ⅱ图2两束光投射到屏幕上（俯视图）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：---------（1-1）式中λ为激光束的波长，对于He-Ne激光器λ=6328。当而且《1时，近似有：---------------------------（1-2）在本实验中，由于两束光的会聚角不大，因此可以根

6、据上式估算光栅的空间频率。具体办法是：把透镜L2放在图1-2中两束光I、II的重叠区，如图3所示.LⅠωX0Ⅱf图3用透镜估算两束光的会聚角（俯视图）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，透镜L的焦距为ƒ，则有。由此式和式（1-2）可得：。从而所得到的正弦光栅的空间频率为:------------------（1-3）根据式（1-3），按需要制作的全息光栅对空间频率的要求，调整图2中两光束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，=100线/mm，本实验所配备的透镜L1的焦距f=150mm，氦氖激光器激光波长λ=0.63

7、×10-3mm，根据式（1-3），=λf=0.63×10-3×150×100=9.5mm实验时把屏幕放在L1的后焦面上（图3），根据两个亮点的间距，即可判断光栅的空间频率是否达到要求。可调节图2中Ⅰ、Ⅱ两束光的方向，一直到=9.5mm为止。由式（1-1）,并参照图1、2和图3，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，使得干涉条纹的间距改变；另一种是绕铅垂方向旋转干版P，这时在保持不变的条件下将使改变，从而改变了，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，

8、所以采用第一种办法。以上