实验四全息光栅拍摄..doc

实验四 全息光栅的拍摄 光栅按其结构分类，可分为平面光栅、阶梯光栅和凹凸光栅；按衍射条件分类，可分为透射光栅和反射光栅。光栅的刻制方法有两种：机刻光栅和全息光栅。机刻光栅是用金刚刀挤压镀于硬质玻璃上的铝反射层而得。刻制工作量极大，刻制速度极慢，最多能刻到3600线/mm。由于其制造周期长，成本高，一般只能制得少量的母光栅，而实际应用的多是复制光栅，机刻光栅的缺点是线槽稍有缺陷时就会出现“鬼线”，即位于光谱线两侧的模糊不清的假线。全息光栅是用全息照相法刻制的高精度光栅。即用高光强的相干性极好的单色光，如激光，用高分辨的感光材料。记录干涉条纹，经曝光、化学处理、和真空镀膜可以得到全息反射光栅。这种光栅几乎没有线槽间的周期误差，几乎没有“鬼线”，杂散光很少。最大线槽密度可达6500线/mm，最常用的是1200—1500线/mm的全息光栅。透射全息光栅制作较为简单。最简单的全息图是用两个平面光波相干叠加而得到的全息图，这种全息图是一组平行等距的直条纹，它可与机刻光栅起到相同的作用，故称为全息光栅。全息光栅与机刻光栅和复制光机相比，它的制作方法简单、成本低；而且没有周期性误差，杂散光少，对环境条件（如振动、温度、湿度等）要求低。 一、实验目的 (1)了解全息光栅的原理和用途。 (2)知道全息图对记录材料分辨率的要求。 (3)掌握全息拍摄的光路构建。 (4)掌握全息干板的化学处理过程。 (5)测量全息光栅的空间频率、衍射效率。 二，实验原理概述 透射全息光栅：全息光栅是指有大量平行、等宽和等距的多狭缝的光学元件。记录全息光栅的光路图如图(4-1)所示，也可用图4-2，图4-3 图4-4 物光,参考光和干涉条纹 如图可见，干板上记录的是两束平行光(物光和参考光)的干涉条纹。设当物光和参考光分别为； (4-1) (4-2) 式中和分别为它们的相位，和分别为振幅。两光束干涉后的光强 (4-3) 式中M称为干涉条纹对比度(反衬度)， ＝， ， ，= (4-4) 式中即两光波相位差，若干涉条纹可看成是一个驻波，则其波矢量就是±．若两光波的波长相同，则，由此不难证明 (4-5) 式中是和之间的夹角，如(图4-4)所示。 利用得到 (4-6) 式中就是干涉条纹的空间周期，即条纹间距(光栅空间周期或光栅常数)。 图4-5 干涉条纹在x方向 的空间频率 用干板记录干涉条纹：设干板的放置方向与相同(图4-4所示)，则干板上记录的干涉条纹的空间周期，就是，这时干板记录的干涉条纹的密度(单位长度内的条纹数，即光栅的空间密度)为 (4-7) 当干板的放置方向与的方向成夹角为时，如(图4-5)所示。则干涉条纹在方向的空间频率分量应为 (4-8) 式中和分别为和与轴之间的夹角。 (4-7)，(4-8)式中λ是物光和参考光的波长，(4-7)式表明在拍摄波长一定时，物光和参考光的夹角越大，则干涉条纹的密度越大。夹角一定时拍摄用的波长越短，则干涉条纹的密度越大。空间频率的控制方法如下。 两束平行光的夹角是通过调节反射镜或 来实现的。在置于光束相交区的P屏(干板H处)上会出现干涉条纹，见(图4-6)。形成光栅后，取走P，将一透镜放在两束平行光光斑重合相交的地方(即观察屏P处)，由于两光束有夹角，故通过透镜后在其焦平面上有两个聚焦光点，在透镜的焦平面上测量两个聚焦光点之间的距离x，调节位置，使x值满足所需光栅间距Λ的要求。 例：透镜焦距f=380mm, Λ=0.01mm,632.8nm。利用光栅方程为Λsinθ=k和图4-5，并考虑到很小，则可知， 取k =1，在旁轴条件下有： （4-9） 于是可计算得两个光点距离为 由式(4-8)可见通过调节x值(实际上是两平行光的夹角θ值)就可以控制光栅间距Λ。将光栅间距Λ调好后，将此辅助透镜L取走。在屏的位置换上全息干版就可摄制全息光栅。 记录全息光栅对干板分辨率的要求：条纹密越大对干板的分辨率要求也就越高，(表4-1)是用He-Ne(632.8nm)拍摄干涉条纹(全息光栅)时，对干板的分辨率的最小要求。 表4-1 用He-Ne(632.8nm)拍摄全息图片时，对干板的分辨率的要求 θ 30o 60o 90o 120o 150o 180o 分辨率(cy/mm) 818 1580 2230 2740 3050 3160 在拍摄振幅透射光栅时，一般都工作在曝光特性曲线的线性区，故可以把干板的复透射率表示为