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λ的两束平行光以夹角 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。

如图2-2和图2-3所示。

Ⅰ图 2-2 全息光栅制作实验光路图MSPL1L2L1234567891011121314151617SPML350150100270200150L1L2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Ⅰ，Ⅱ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。

图2-3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θ1和θ2，ω=θ1+θ2称为两束光的会聚角，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： ⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛+=+==2cos 2sin 2sin sin 1212121θθθθλθθλv d （1）式中λ为激光束的波长，对于He-Ne 激光器λ=632.8nm 。

当21θθ=而且(2/)21θθ+《1时，近似有：ωλ≈d （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0x ，透镜L 的焦距为ƒ，则有f x /0≈ω。

由此式和式（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==（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，mm /100线=ν，设所配备的透镜1L 的焦距f=150mm ，氦氖激光器激光波长mm 51063.0-⨯=λ，根据式（3），有mm f x 5.91001501063.050=⨯⨯⨯==-νλ实验时把屏幕放在1L 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Ⅰ、Ⅱ两束光的方向，一直到0x =9.5mm 为止。

由式（1）,并参照图2-4和图2-5，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：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υ的光栅，然后保持光栅栅线方向，仅改变光栅的空的光栅。

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υ0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υ的差频，即：¹是υ和υ∣υ¹=△υ=∣υ-υ=102线/mm或98线/mm，则：例如，若υ=100线/mm，υ∣=2线/mm莫尔条纹的空间频率υ¹=∣υ-υ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)：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-07 8、全息干版P9、二维干板架： SZ-12A 10、通用底座： SZ-04 11、一维调座： SZ-03 12、二维调整架： SZ-07 13、通用底座： SZ-04 14、平面反射镜M15、二维底座： SZ-02 16、三维底座： SZ-01 17、二维底座： SZ-02 18、读数显微镜19、白屏H ： SZ-13 20、读数显微镜架 : SZ-38 二、仪器实物图及原理图（见图2-3） 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)]2/sin(2/[θλ=d ，求出100线/mm θ角的大小。

4、根据所求出的θ角，调节好图中的θ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2—3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级两侧的分别是1±级、2±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1～2min 后曝光,制作 100线/mm 光栅一块。

3、对制作的光栅进行观察。

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1960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。