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。

Ⅰ
图1 全息光栅制作实验光路图
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0=ω，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（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：
Ⅱ
Ⅰ
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，
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： ⎪
⎭
⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛+=+==
2cos 2sin 2sin sin 121212
1θθθθλ
θθλv d --------- （1-1）
式中λ为激光束的波长，对于He-Ne 激光器λ=6328∙
A 。

当21θθ=而且
(2/)21θθ+《1时，近似有：
ωλ
≈
d
---------------------------（1-2） 在本实验中，由于两束光的会聚角ω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L 2放在图1-2中两束光I 、II 的重叠区，如图3所示.
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0x ，透镜L 的焦
距为ƒ，则有f x /0≈ω。

由此式和式（1-2）可得：0/x f d λ≈。

从而所得到的正弦光栅的空间频率为:
λf x d v 01==
------------------（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，v =100线/mm ，本实验所配备的透镜L 1的焦距f=150mm ，氦氖激光器激光波长λ=0.63×10-3mm ，根据式（1-3），0x =λf v =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0x =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2θ，使得干涉条纹的间距d 改变；另一种是绕铅垂方向旋转干版P ，这时在保持21θθω+=不变的条件下将使21θθ-改变，从而改变了d ，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，所以采用第一种办法。

以上方法制作的是最简单的一维光栅，以下是其观察示意图：
（二）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：
（三）全息干板与异丙醇介绍
实验室所选用的全息干板其材料比较特殊，它由红敏光致聚合物构成，只对氦氖激光发出的632．8nm 的红光十分敏感，因此可以在白光下曝光，其后处理过程都可以在白光下进行，这样使处理全息干板变得方便多了。

红敏光致聚合物全息干板
异丙醇是无色透明挥发性液体。

有似乙醇和丙酮混合物的气味，其气味不大。

蒸汽能对眼睛、鼻子和咽喉产生轻微刺激，能通过皮肤被人体吸收。

溶解性: 溶于水、醇、醚、苯、氯仿等多数有机溶剂，能与水、醇、醚相混溶，本次实验中异丙醇主要起脱水的作用。

实现显影定影的方法有很多。

本次将全息干板先在清水中慢慢冲洗，然后放入浓度在90%以上的异丙醇中，这样实现显影与定影，各种处理过程中时间的掌握很关键。

实验室中用到的异丙醇
3、实验步骤
一、制作100线/mm 的全息光栅
（1）用金刚刀切割出自己所需要的全息干板，所选用的全息干板可以在白光下曝光，其后处理都可以在白光下进行， 准备好清水、乙炳醇、遮光用的黑色泡沫、吹风机。

（2）调节马赫-曾德干涉仪光路，调出干涉条纹，将光屏放在汇聚透镜的后焦面上，如果两光束平行的话，应该是一个亮点，由于亮点十分锐利，也较大，眼睛观察测量时会有大的偏差，所以在激光器后可以放一个孔径光阑，通过调节它可以改变亮斑的大小及亮度，已达到人眼最适合观察的那个状态。

（3）如图1 转动最后一块透射镜使得两个光点分离，由于所要制作的全息光栅的空间频率为100线/mm ，根据公式0x =0ff ， 可以知道 0x =9.5mm 。

用尺测量光屏上两个亮点之间的距离，使其精确地达到9.5mm 。

（4）在离最后一块透镜最近的地方，也就是光斑重合面积最大的地方放置全息干板的样品，调节样品的高度，使得光斑的重合区域落在样板上
（5）遮住平行光管，用新的全息干板代替样板，要使乳胶面对着激光。

然
后，将干板的底座固定住。

（6）拿掉遮住平行光管的黑色泡沫块，进行曝光，曝光时间大约两分钟。

在曝光时要保证不受外来较大震动的影响，即不能说话，不能走动，不能通风。

（7）取下干板，用夹子夹住，然后在自来水下轻轻冲洗，观察，使其表面光滑而干净为止，再在清水中浸大约1分钟。

（8）放入异炳醇中浸大约两分钟。

（9）取出全息干板用吹风机吹干，如果在阳光下肉眼可以看到干板曝光处呈现彩色的话，说明是成功的。

如果制作好的全息光栅直接暴露在外面的话表面很快就会损坏，所以拍好的全息光栅要永久保存的话需用干净玻璃片覆盖全息干版感光面并用密封胶封住，这样就可得到可永久保存的全息光栅。

二、制作正交光栅：
制作正交光栅的方法与制作100线/mm的一维全息光栅的方法基本相同，就是要进行两次曝光，第一曝光好以后，立即遮住平行光管，然后将全息干板旋转90度，再进行第二次曝光。

后处理过程与制作一维全息光栅一样。

4、数据与图像记录
一、数据记录
按照图4观察一维全息光栅的衍射斑，记录主极大光斑与一级光斑之间的距离d ，物屏与光栅之间的距离z。

适当改变z,记录d
利用
z
f
d
λ
=,(f为光栅的空间频率)
二、图像记录
按照图4、5调节光路，分别观察一维全息光栅与正交光栅在物屏上的衍射图样，用相机记录下来。