信息光学实验讲义二

1、信息光学实验讲义（二）指导教师：刘厚通安徽工业大学数理学院实验三 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。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（1）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

2、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）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，当波长为的两束平行光以夹角a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； 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。图 2-2 全

3、息光栅制作实验光路图图 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，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

4、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。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。图2-

5、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1和2，=1+2称为两束光的会

6、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）式中为激光束的波长，对于He-Ne激光器=632.8nm。当而且1时，近似有： （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。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，透镜L的焦距为，则有。由此式和式（2）可得：。从而所得到的正弦光栅的空间频率为: （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、的方向，使之有

7、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f=150mm，氦氖激光器激光波长，根据式（3），有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频率是否达到要求。可调节、两束光的方向，一直到=9.5mm为止。由式（1）,并参照图2-4和图2-5，在实验中改变、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。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

8、制作的是最简单的一维光栅，以下是其观察示意图：图2-6 一维光栅的观察（3）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）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的光栅，然后保持光栅栅线方向，仅改变光栅的

9、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0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，其空间频率是和0的差频，即：=-0例如，若=100线/mm，0=102线/mm或98线/mm，则：莫尔条纹的空间频率=-0=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。实验内容实验组1和组2所用仪器和调整步骤如下所示(使用天津托普实验设备)：

10、一、实验仪器1、He-Ne激光器L（632.8nm）2、二维调整架： SZ-073、扩束镜L1： f1=4.5mm4、二维调整架： SZ-075、准直镜L2： f2=225mm6、分光镜S（半透半反镜）7、二维调整架： SZ-078、全息干版P9、二维干板架： SZ-12A10、通用底座： SZ-0411、一维调座： SZ-0312、二维调整架： SZ-0713、通用底座： SZ-0414、平面反射镜M15、二维底座： SZ-0216、三维底座： SZ-0117、二维底座： SZ-0218、读数显微镜19、白屏H： SZ-1320、读数显微镜架 : SZ-38二、仪器实物图及原理图（见图2-3

11、）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/mm角的大小。4、 根据所求出的角，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23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

12、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3所用仪器如下所示(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12min后曝光,制作 100线/mm光栅一块。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）401

13、套4二维分束镜（含镜架）75,1:12套5二维反射镜（含镜架）60,加强铝2套6傅立叶透镜（带框）75 ，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 全息照相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1

14、960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1、通过拍摄漫反射物体的透射全息图，加深对全息照相基本原理的理解；2、通过观察透射全息图的重现像，领会并总结全息照相的特点及其与普通照相的本质区别；3、通过光路布置过程，熟悉和掌握各种光学元件的特性及其调节方法。基本原理（1） 全息照相的原理全息照相是和普通照

15、相具有本质区别的一种显示物体三维像的照相技术，它具有真正的视差和大景深，因此有真正的立体感。普通照相是把从物体表面发出或反射的光经透镜会聚成像，用感光胶片把像记录下来。由于现有的光记录介质的响应时间比光波振动的周期长得多，因此都只能记录光强光波振幅的平方，而不能直接记录光波的位相，所以它得不到一个三维像的记录。全息照相不仅记录了物体光波的振幅，同时也记录了它的位相，这种方法把物体光波波前的全部信息都记录下来，所以成为“全息照相”，也称为波前记录。利用光的衍射原理可把物体光波还原再现出来。全息照相不仅要记录物体光波的振幅，而且还要记录位相，而记录介质只对光的强度（振幅的平方）敏感，因此必须把位相

16、也转换成振幅信息并把它记录下来，光的干涉效应两列相干光波叠加而产生明暗相间的干涉条纹（干涉图案），不但与这些相干光的振幅有关，而且与相位有关，为了产生干涉效应记录位相，可用另一束称之为参考光的相干光和物体光波相干涉来完成。现在通常采用的记录和再现光路大都是利思所提出的“离轴型”全息图光路，即物光束和参考光束由明显不同的方向到达记录介质。这种全息图记录的典型光路如图12-1所示图1-1 透射全息图拍摄示意图从激光器发出的光经分光片分成两束，其中反射的一束到达反射镜，然后经扩束镜扩束后照射全息底片（此即参考光束），另一束透射光到反射镜，经扩束镜扩束后照到物体，再由物体漫反射到全息底片形成物光束。物

17、光束和参考光束在全息底片上迭加，产生干涉并出现各种明暗不同的条纹、圆环、斑点等干涉图案，并有胶片上感光乳剂记录下来，经显、定影后成为一张全息照片（全息图）。全息图上的干涉条纹形状反映物光和参考光的位相关系，而其明暗对比则反映物光的强度。由图中可知，全息照相的记录过程和普通照相不同，它可以不要透镜，因此也称无透镜成像，而记录过程实质上是一个光波干涉的过程。用数学公式可以表达如下：设来自物体的单色光波在全息干板平面（平面）上的复振幅分布为： (1)称为物光波。同一波长的参考光波在于平板平面上的复振幅分布为： (2) 称为参考光波。平板上总的复振幅分布为： (3)干板上的光强分布为： (4)将(1)

18、，(2)，(3)式代入(4)式中，得出： (5)适当控制曝光量和冲洗条件，可以使全息图的振幅透过率t(x,y)与曝光量E（与光强I成正比）成线性关系，即设 (6)，为常数。这就是全息图的记录过程。由上面的描述可知，底片上干涉条纹的反衬度为：其中。干涉条纹的间距则决定于随位置变化的快慢。对一定的、来说，干涉条纹的明暗对比反映了物光波的振幅大小，即强度因子，干涉条纹的形状间隔反映了物光波的位相分布。因此底片记录了干涉条纹，也就记录了物光波前的全部信息振幅和位相。用与参考光完全相同的光束照射全息图，透过光的复振幅分布是： (7)将(2)，（6）式代入上式，整理得出：(8)(8)式中的第一项，具有再现

19、光的特性，是衰减了的再现光，这是0级衍射。(8)式的第二项，是原来的物光波乘一系数，它具有原来物光波的特性，如果用眼睛接收到这个光波，就会看到原来的“物”。这个再现象是虚像，称为原始像。(8)中的第三项，具有与原物光波共轭的位相：，说明它代表一束会聚光，应形成一个实像。因为有一位相因子存在，这个实像不在原来的方向上。这个像叫共轭像。通常把形成原始像的衍射光称为+1级衍射，把形成共轭像的衍射光称为级衍射。图1-2全息记录图1-3波前重现在参考光为球面波的情况下，重现光的点光源和原记录时参考光的点光源必须在相同位置（相对于底片），才能得到无畸变虚像。否则，重现像的位置不同于原来“物”的位置，重现像

20、的放大倍数也不等于1。照明点光源愈远，像愈大，反之像缩小。要得到无畸变实像，应以参考光的共轭光一束会聚在原参考光点光源的会聚光照明底片。（2）全息照相特点 由于全息照相是波前的记录和再现，因此它有着和普通照相不同的特点：1、普通照相只记录物光波的强度，全息照相则记录物光波的全部信息。因而普通照相得到的是二维平面图像，全息照相得到的是三维的立体像。2、普通成像中，物通过透镜成像在底片上，物、像之间有点点对应关系。全息照相中不用成像透镜，物像之间不存在点点对应关系。物上每一点发出的球面波照在整个底片上，反之，底片上每一点又记录了所有物点发出的光波。因而，如果全息图被打碎，其中任一碎片均能再出现的像

21、的全貌，只是分辨率有所降低。3、全息图可同时重现虚像和实像，尤其在参考光采用平行光照明的情况下，特别容易观察到。重现时，只需将全息底片做一次翻转即可。4、全息照相可进行多重记录，只需适当改变参考光相对于全息底片的入射角，即可在同一张全息底片上记录多个全息图。（3）、全息照相的工作条件要记录一张较为满意的全息图，必须具备以下基本条件：1、一个很好的相干光源：全息原理在1948年就已提出，但由于没有适合的光源而难以实现。激光的出现为全息照相提供了一个理想的光源，为了保证物光和参考光之间良好的相干性，应尽量使两束光光程相等。2、一个稳定的工作系统：由于全息照相记录的是非常细密的干涉条纹，拍摄过程中极

22、小的干扰都会引起条纹模糊，甚至无法记录。因此，拍摄过程中要求各光学元件与干板必须保持高度的稳定性。全息记录是在全息台上进行，全息台具有防震的功能。各元件都用磁性材料固定在全息台上。此外，气流通过光路，声波干扰及温度变化都会引起空气密度的变化，导致光程的不稳定，所以曝光时应避免大声喧哗、敲门、吹风等。3、高分辨率的感光底片：普通照相用的感光底片由于银化合物的颗粒较粗，每毫米只能记录50到100个条纹，不能记录全息照相中的细密条纹。全息照相用特制的高分辨率感光底片。实验内容 1、透射全息图的拍摄（1）光路调整根据图1-1基本光路，按照全息台面的大小和激光器的位置，考虑各光学元器件的特点，在台面上大

23、致设计好光路的摆放。在安装光路时要注意到： 物光与参考光两光束的夹角应控制在3060，以便重现时衍射物光与零级透射光容易分开。由于激光的相干长度有限,从分束镜到记录平面应使参考光和物体中心部位物光的光程尽量相等，。 由反射镜1反射的细激光束应射到拍摄所用的干版的中心。 物体与干版架的距离一般应控制在25cm以内，太大会导致物光较弱，不利于记录。实验组1和组2所用仪器和调整步骤如下所示(使用天津托普实验设备)：实验仪器1、He-Ne激光器L(632.8nm)2、分光镜S（半透半反镜）3、三维调整架： SZ-184、平面反射镜M15、二维调整架： SZ-076、扩束镜L1： f=15mm7、二维调

24、整架： SZ-078、平面反射镜M29、二维调整架： SZ-0710、扩束镜L2： f=4.5mm11、二维调整架： SZ-0712、小物体13、载物台： SZ-2014、全息干版P： 15、二维干版架： SZ-12A16、二维底座： SZ-0217、三维底座： SZ-0118、一维调座： SZ-0319、一维调座： SZ-0320、一维调座： SZ-0321、二维底座： SZ-0222、三维底座： SZ-0123、通用底座： SZ-0424、毛玻璃屏25、通用底座： SZ-04仪器实物图及原理图图1-4图1-5实验步骤 (一)、透射式全息图的记录1、 将所有器件按图1-4的相对位置摆放在平台

25、上，调至等高，拿去L1、L2，打开激光器调好光路 。当然此时不能放上全息干版。先用毛玻璃屏代替全息干版。2、 将物光光束与参考光光束的光程调至基本相等，光程差接近于0。并使两者的夹角在30度到40度之间。3、 调M1的倾角，使物光光束照射在物的中间位置，调M2的倾角，使参考光光束照射在白纸的中间。4、 加入L1，调至其上下、左右、前后位置，使光团刚好照全物体，加入L2，调节其上下、左右、前后位置，使光团照在毛玻璃屏上，并使其与物光的光强比在2：15：1之间。5、 关上照明灯，用黑纸挡住激光器的出光口。把干版底片夹到干版架上，应使乳胶面对着光入射的方向。先静置激光器2-3分钟后移开黑纸，对干版进行曝光，曝光时间约为3秒10秒，然后，在弱绿光下进行显影和定影，显影时间约2-3分钟，定影时间约为3-5分钟。晾干。此时的干版就是全息图。（显影时间和定影时间应依照显影液和定影液的浓度和温度而定）(二)、透射式全息图的重现6、 用透镜将激光器扩速后照明全息图，使光照方向沿原参考光的方向，仔细观察虚像。7、 平移全息底片，使