信息光学实验指导材料

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1、信息光学实验指导材料实验全息光栅特性及制作技术［实验目的］1、了解用全息方法制作光栅的基本原理；2、掌握全息实验光路的基木调节方法和一维、二维全息光栅的制作技巧；3、了解全息光栅的皋木特性和测试方法；4、初步了解全息记录介质一卤化银乳胶的特性和干板的处理方法。［实验仪器］全息防震平台（3mX1.4m）,激光器，反射镜（若干），分束镜，针孔滤波器，干板架，全息干板，照度计。［实验原理］光栅是重要的分光元件之一，山于它的分辨率优于棱镜，因而许多光学仪器中都采用光栅代替棱镜作为分光的主要元件，如单色仪

2、、光谱仪、摄谱仪等。此外，光栅在现代光学中的应用日趋广泛，如光通信中用作光耦合器、光互连中用作互连元件、激光器用作选频元件、光信息处理用作编码器、调制器、滤波器等等。全息光栅制作技术是20世纪60年代随着全息技术的发展而出现的，因其具有传统刻划光栅所不具备的一些优点而受到人们的亜视。目前，全息光栅在某些方面已经取代刻划光栅，在光栅家族中占有了一席之地。一、原理rti光的干涉原理可知，两束平行的相干光干涉，干涉场是一组明暗相间的等间隔的平血族，其周期市两束平行光的夹角和光波波长所确定。若将全息记录

3、十板置于该干涉场中，则干板上记录到的干涉条纹将呈等间隔的平行ft线条纹，这就是全息光栅。2dsin*人光栅法线A全息干板设两束平行光的夹角为0，光波波长为人0,口两束平行光对于全息干板呈对称入射状态（见图2-1所示），显然，干板记录的全息光栅的透射率应该呈余弦函数分布，称为余弦光栅。由干涉原理可知，全息光栅周期〃由下式确定(2-1)图2-1通常还用光栅空间频率/o表征光栅线密度特性，上式还可表示为2sin㊁二人人）（2・2）其中,/o定义为fo=+（2-3）其单位通常用“lp/mm”（lp表示“

4、线对”，指一条亮纹和一条暗纹构成的一个“线对”,对应光栅的一个周期）。市公式（2・2）可见，耍想提高全息光栅的线密度，只需增大两束平行光的夹角，做到这一点并不困难，只要记录介质的分辨率允许，全息光栅的极限空间频率可达/Omax=2/Ao（对应于〃二180°）,这是刻划工艺无法实现的。二、特性全息光栅的特性主耍包括分辨率和衍射效率。1、光栅的分辨率•空间频率：在光栅有效使用宽度确定的情况下，光栅的分辨率主耍取决于光栅的空间频率/o,因而通常把光栅的空间频率（也称光栅的线密度）作为表征全息光栅分辨率

5、特性的一个車要指标。光栅空间频率的测量是利川测角仪器测量光栅的一级衍射角（八,然后由光栅方程计算而得dsinOx=kA（2-4）其中取k=1,入射光应垂直入射到光栅上,J=1//Oo2、光栅的衍射效率：衍射效率具休指光栅分光的效率，定义为某一级衍射光能量与入射光总能量Z比，数学表述为衍射光能量二厶「入射光总能量一其中厶表示光栅第i级衍射光能量。应用中通常关心的是光栅+1级衍射的能量，因此光栅的衍射效率一般特指其+1级衍射效率。衍射效率的测量是以测量入射光功率/",以及入射光以〃角入射到光栅上时其

6、+1级衍射光的光功率PI,然斤将二者相比而得77=^x100%（2-6）全息光栅的衍射效率比较低，余弦光栅的理论衍射效率最大只能达到33.9%,这也是全息光栅还不能完全代替刻划光栅的原因之一。（详细内容请参看有关教科书）三、一维光栅和二维光栅通常所指的光栅都是一维光栅，它仅由一组平行线构成，其透射率仅在X方向上有变化。如果由两组相互正交的平行线构成光栅，则称为正交光栅，也称二维光栅，其透射率在X和Y两个方向上都发牛变化。二维光栅在实际中的应用也是不可低估的，它相当于是两个正交的一维光栅的乘积，在

7、光信息处理中可用作特殊的滤波器。全息二维光栅的制作是通过两次曝光的方法，即第一次对全息干板曝光，记录一维光栅，然后将干板绕其法线旋转90°,再曝一次光，完成二维光栅的记录。［实验内容］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/o〜800lp/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。光路设计的原则是：1）所有光朿必须出自同一台激光粘；2）充分利用全息防震平台的而积1.4mx3.0m,光路的排布应以方便操作为宜；3）尽可能少用光学

8、元件，以免引入能量损失和波面畸变，因此可利用发散球面波代替平而波干涉，光路中省去2个准直透镜；4）选取合适的路径，使相干光束达到等光程。2、光路的排布：根据所设计的光路图，在防震台上排布光路。请把光路排布中遇到的问题、解决的思路和办法写在实验报告中。光路排布的原则是：1）各光学元件必须调到共轴，光束走向应相对于台而保持平行，以获得一致的偏振态，避免相干不完全；2）根据要求的光栅线密度，计算两束相干光的夹介，并按照计算值排布光路；3）全息干板应与两光東对称放置；4）选取合适的分束镜分束比，以及合适