全息光栅的制作(B5纸张-非常完整版-BJTU物理设计性实验报告)

北 京 交 通 大 学大学物理实验设计性实验实验题目 全息光栅的制作 学院 班级 学号姓名全息光栅的制作一 实验任务设计制作全息光栅并测出其光栅常数（要求所制作的光栅不少于100条/毫米）二 实验要求1. 设计三种以上制作全息光栅的方法并进行比较（应包括马赫-曾德干涉法）；2. 设计制作全息光栅的完整步骤（包括拍摄和冲洗中的参数及注意事项），拍摄出全息光栅；3. 给出所制作的全息光栅的光栅常数值，计算不确定度、进行误差分析并做实验小结。三 实验基本原理1. 全息光栅全息光学元件是指基于光的衍射和干涉原理，采用全息方法制作的，可以完成准直、聚焦、分束、成像、光束偏转、光束扫描等功能的元件。光全息技术主要利用光相干迭加原理，简单讲就是通过对复数项（时间项）的调整，使两束光波列的峰值迭加，峰谷迭加，达到相干场具有较高的对比度的技术。常用的全息光学元件包括全息透镜、全息光栅和全息空间滤波器等。其中全息光栅就是利用全息照相技术制作的光栅，在科研、教学以及产品开发等领域有着十分广泛用途。一般在光学稳定的平玻璃坯件上涂上一层给定型厚度的光致抗蚀剂或其他光敏材料的涂层，由激光器发生两束相干光束，使其在涂层上产生一系列均匀的干涉条纹，光敏物质被感光，然后用特种溶剂溶蚀掉被感光部分，即在蚀层上获得干涉条纹的全息像，所制得为透射式衍射光栅。如在玻璃坯背面镀一层铝反射膜，可制成反射式衍射光栅。 作为光谱分光元件，全息光栅与传统的刻划光栅相比，具有以下优点：光谱中无鬼线、杂散光少、分辨率高、有效孔径大、价格便宜等；全息光栅已广泛应用于各种光栅光谱仪中。作为光束分束器件，全息光栅在集成光学和光学通信中用作光束分束器、光互连器、耦合器和偏转器等；在光信息处理中，可作为滤波器用于图像相减、边沿增强等。图1 光通过光栅形成光谱2. 光栅条纹光栅，也称衍射光栅，是基于多缝衍射原理的重要光学元件。光栅是一块刻有大量平行等宽、等距狭缝（刻线）的平面玻璃或金属片，其狭缝数量很大，一般每毫米几十至几千条。单色平行光通过光栅会形成暗条纹很宽、明条纹很细的图样，而这些锐细而明亮的条纹称作谱线。谱线的位置随波长而异，因此当复色光通过光栅时，不同波长光所产生的谱线在不同位置出现而形成光谱。也就是说，光通过光栅形成光谱是单缝衍射和多缝干涉的共同结果（如图1）。3. 光栅方程光栅方程描述了光栅结构与光的入射角和衍射角之间的关系，它表示当衍射角满足的时候发生干涉加强现象，其中d即为光栅常数。而当光以入射角入射时，光栅方程写为 。图2 光栅光路4. 光栅常数光栅常数是光栅两刻线之间的距离。一个理想的光栅可以认为由一组等间距的无限长无限窄的狭缝组成，而狭缝之间的间距称为光栅常数，在图2中用d表示。全息光栅的光栅常量大小取决于两束平行光与全息干板的夹角。设两列相干的平行光分别以和角入射全息干板，则光栅常数；若两列相干的平面波的夹角很小，则光栅常数。5. 全息光栅制作原理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纹，用全息记录介质记录干涉条纹，经处理得到全息光栅。而采用不同波面形状的光束或不同的全息记录介质和处理过程可以得到不同类型或不同用途的全息光栅。四 制作方法与比较根据两束相干平行光产生机理的不同，制作全息光栅的光路可分为两类。一种称为“分振幅法” ，该类方法是利用分束镜使一束光波一分为二；另一类称为 “分波面法” ，该类方法是利用一定的仪器将一束光波的波面一分为二。 其中在实际制作时通常采取分振幅法，但分振幅法制作全息光栅光栅常数通常较小。下面分别介绍三种不同制作方法：属于分波面法的杨氏双缝干涉法和菲涅尔双面镜干涉法，以及属于分振幅法的马赫-曾德干涉法。1. 杨氏双缝干涉法杨氏双缝干涉是分波面干涉的典型实验装置。由于每条狭缝不可避免有一定的宽度，于是双缝干涉与单缝衍射总是相伴而生的。杨氏双缝干涉法利用光束通过两条缝的0级衍射光在全息干板上进行相干叠加，从而制得全息光栅。图3 杨氏双缝干涉法 光路如图3所示。双缝间距b，全息干板与双缝的距离D。实验要求每条缝的缝宽较小，使光束通过两条缝的0级衍射条纹较宽，在全息干板可以有较大范围的重叠，从而制得较大面积的全息光栅。同时，所得光栅的光栅常数易于控制，只需改变全息干板与双缝之间的距离D或改变缝间距b即可，因为。该方法具有以下优点：光学元件少，光路简单，原理易懂；光栅常数易于控制，只需改变全息干板与双缝之间的距离D或改变缝间距b即可；光栅常数大且范围广，涵盖，这样经简单光路放大后就可直观地观测到光栅的放大像，直接检查所制全息光栅的质量。同时该方法也有如下缺点 ：缝的宽度决定了0级光斑的宽度，因此只有缝的宽度很小，才能使干涉面积较大，同时才能使两缝0级光斑重叠；相干光仅为近平行光；该方法只能制作光栅常数很大的光栅。2. 菲涅尔双面镜干涉法图5 菲涅尔双面镜干涉法图4 菲涅尔双面镜菲涅尔双面镜是分波面获的相干光常用的实验仪器，其典型光路如图4 所示。图中S 为缝光源，M1、M2为菲涅尔双面镜。其干涉条纹近似为等间距的平行直条纹，将其进行记录便可制得全息光栅。菲涅尔双面镜干涉法的制作光路如图5所示。激光器发出的光经扩束准直后得到平行光，然后入射到菲涅尔双面镜上，其反射光在全息干板上进行相干叠加。光栅常数决定于双镜的夹角 。该方法具有与杨氏双缝干涉法相似的优点，光程差小、干涉效果好，光栅常数易于控制且光栅常数较大，但其光路调节复杂，如果用准直透镜则干涉光斑面积较小，如果不用准直透镜 则相干光仅为近平行光。3. 马赫-曾德干涉法图6 马赫-曾德干涉法马赫-曾德干涉法属于分振幅法，其光路图如图6所示。由激光器发出的激光通过扩束器和准直镜后变成平行光，该平行光经半透半反镜后被分成两束光，分别由两个反射镜射向另一个半透半反镜，最后射向全息干板。光束在全息干板上形成等距直线干涉条纹。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。优点：光程差小，干涉效果好；只需要调节光路中一分束镜的方位角就可以改变透射光和反射光的夹角，从而改变光栅的光栅常数。缺点：透射元件多，激光通过每一透射元件时不可避免地受影响，使得准直平面波波阵面变形，从而偏离了平面波；干板前的分束镜的面积限制了两束光的夹角，因此光栅常数小的光栅，不能选用此法 。五 制作步骤与装置（马赫-曾德干涉法）本次实验采用马赫-曾德干涉仪法。所需的实验仪器有He-Ne激光发射器1架、发散镜1面、凸透镜1面、半反半透镜2面、全反镜2面、白屏和光阑各一、拍摄光栅用的干片若干、架子等。1. 制作全息光栅1) 按图6大致确定各实验装置的摆放位置；2) 打开He-Ne激光发射器，利用白屏使激光束平行于水平面；3) 调节发散镜和激光发射器的距离使激光发散；4) 调节凸透镜和发散镜的距离使之等于凸透镜的焦距，得到平行光；5) 调节两面半反半透镜和两面全反镜的位置和高度，使它们摆成一个平行四边形，并得到两个光斑；6) 调节半反半透镜和全反镜上的微调旋钮使得到的两个光斑等高，且间距为4-6cm。2. 拍摄全息光栅1) 在黑暗环境中，挡住激光束，把干片放在架子上；2) 让激光束照射在干片上2秒，再重新挡住激光束，把干片取下带到暗房中；3) 把干片泡在显影液中大约10秒钟，取出，用清水冲洗；4) 泡在定影液中约5分钟，取出，冲洗后晾干；5) 用激光束检验冲洗好的干片，若能看见零级、一级的光斑，说明此干片可以用于测定光栅常数。3. 注意事项1) 半导体激光器工作电压为直流电压3V，应用专用220V/3V直流电源工作（该电源可避免接通电源瞬间电感效应产生高电压的功能），以延长半导体激光器的工作寿命；2) 不要正对着激光束观察，以免损坏眼睛；3) 曝光时间要掌握好，曝光面切勿放反了；4) 由于有多组同学一起实验，处理干片的时候切勿将干片混淆；5) 在处理干片时注意避免光源（手机等）。六 数据与处理1. 测定所制光栅的光栅常数将所制得的全息光栅置于激光器前，测量所成零级明条纹与一级明条纹的间距与屏到光栅的距离。根据干涉加强条件，其中，且夹角较小，可以求得光栅常数。再由算出每毫米光栅常数。2. 数据记录与处理实验所用激光的波长测量次数123456取平均得 光栅常数 光栅条数 条/毫米（