菲涅尔双面镜干涉法

全息光栅制作方法的设计和研究

全息光学元件（HOE）是指采用全息方法（包括计算全息方法）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。在完成上述功能时，它不是基于光的反射和规律折射，而是基于光的衍射和干涉原理。所以全息光学元件又称为衍射元件。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。全息光栅是一种重要的分光元件。作为光谱分光元件，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、生产效率高、价格便宜等，已 广泛应用于各种光栅光谱仪中，供科研、教学、产品开发之用。作为光束分束器件，在集成 光学和光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。本实验主要进行平面全息光栅的设计和制作实验。

一. 实验目的

1.学习掌握制作全息光栅的原理和方法。

2.学习掌握制作全息复合光栅的原理和方法，观察其莫尔条纹。

3.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。 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

图1 光通过光栅形成光谱

光栅方程dsin??k?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

dsin??k?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?i入射时，光栅方程写为 d(sin?i?sin?)?k?。 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?1和?2角入射全息干板，则光栅常数d??(sin?1?sin?2)；若两列相干的平面波的夹角???1??2很小，则光栅常数图2 光栅光路 d???。 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。 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。

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

图3 菲涅尔双面镜

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。

图4菲涅尔双面镜干涉法

三、实验步骤

1.制作全息光栅

（1）按照如图4摆放实验器材

（2）打开激光器，使激光器发出的光经扩束镜后得到平行光，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

（3）调节双面镜的夹角以此来调节光栅常数

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）。

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