全息光学透镜的制作与设定

全息光学透镜的制作与设定

实验目的

1．掌握全息透镜的设计与制作原理。

2．学习全息透镜的制作工艺。

3．理解全息透镜的成像机理，了解其应用。

实验仪器

激光全息实验台， He—Ne激光器， 暗室处理器具及显影、定影、漂白药剂

实验原理

1．全息透镜的分类

与制作全息光栅的方法极相似，全息透镜也是利用两束相干光在叠加区域产生干涉，形成干涉条纹，记录这些干涉条纹就得到全息透镜。所不同的是制作全息光栅采用的是两束平面波的叠加，而制作全息透镜一般是采用记录平面波与球面波的干涉叠加条纹而成。当平面波与球面波的光轴重合时，全息记录材料记录的是一组包括圆心在内的同心条纹。这种全息透镜称为同轴全息透镜；当平面波与球面波的光轴有一定夹角时，全息记录材料记录的是远离圆心的同心条纹的一部分，这种全息透镜称为离轴全息透镜。同轴全息透镜与离轴全息透镜在成像方式上有较大差异，在性能和使用中也各不相同。 2．同轴全息透镜的制作原理

同轴全息透镜的制作记录光路如图一所示，K为光开关；M1、M2、M3为平面反射镜；C为扩束镜；L1为单色准直镜；BS1、BS2为大孔径分光镜(应该为楔形)；I2为聚光镜；H为全息干版(或白屏)。

图一所示的是一个马赫—曾德干涉光路。在其中一个光臂中加入透镜I2，使平面波变为球面波。球面波会聚点稍偏离分光镜BS2；另一个光臂是一束平面波，两束光在H处形成稳定的同心圆环干涉条纹。这组干涉图对全息干版曝光，经显、定影处理就得到同轴全息透镜。

应该指出，制作全息透镜还可以采用两束球面波的干涉叠加，一束是发散的；另一束是会聚的。当记录介质的法线与两球面波的球心连线重合时，就是同轴全息透镜，否则，就是离轴全息透镜。 3．离轴全息透镜的制作原理

如图二所示，目前的光路和图一已有些差异，已没有了分光镜BS2，而代之是与M1、M2一样的大孔径反射镜。由L1出射的单色平面波经分光镜BS1分成两束，透射的一束经M2、M3反射后以一定倾角斜射在H上；反射的一束经透镜L2将平面波变换成球面波向着H正入射去，于是平面波与球面波光轴有一定的倾角。全息材料记录的就是远离中心的同心圆环的一部分，这就是离轴全息透镜的干涉图样。

4．同轴全息透镜的物像关系

图三是记录同轴全息透镜的一种光路。点源A发出球面波，B是另一束会聚球面波的焦点。A、B两束光是相干的，在O处放置全息记录材料，经曝光和显、定影处理就能获得同轴全息透镜。

以O点为坐标原点，A0、B0为记录介质处光波的振幅；фA、фB为球面波的位相函数，并且

(1)

两束光波在H上的复振幅分布为

(2)

对于薄正弦振幅型全息图，全息透镜的透过率函数为

（3）

或

考虑到式(1)，有

（4）

式中，f表示全息透镜+1级衍射像的像方焦距。于是得到

（5）

从式(5)可看到，正弦振幅型同轴全息透镜的作用相当于三个光学元件，即

平板玻璃、正透镜、负透镜。也可以认为它的作用相当于三个透镜：一个透镜的焦距为∞，一个为f，一个为-f。当一束单色平面波照射在这个全息透镜上将产生三束衍射光，如图四所示。

设物点坐标为O(x0，y0，x0)，理想像点坐标为I(xI，yI，zI)，如图五所示，那么同轴全息透镜的物像关系为

（6）

式中，m为衍射像级次数物点发出的光波长。

； λ0为记录时的光波长，λ为成像时

如果记录和成像时都用同样的激光，取+1级衍射像，有

（7）

说明：f1只与记录时的状况条件有关。

按几何光学对放大率公式的定义，全息透镜的垂轴放大率为

（8）

5．全息透镜的应用

全息透镜是用干涉法制成的一种薄膜光学元件。它的成像是基于光的衍射现象，因此，其像差较普通透镜大得多，特别是色差不易克服。但它可以与普通透镜相互补充完成某些功能，或在某些特殊情况下作独特的应用。

(1)大相对孔径的透镜

全息透镜的一大优点是便于制作大相对孔径的透镜。在低光强成像系统或全息信息存储系统中，都需要大相对孔径的透镜，用全息法就比较容易实现。

(2)傅里叶变换透镜

全息透镜同普通透镜一样，可以完成傅里叶变换的功能，因此，可用全息透镜代替信息处理系统中的傅里叶变换透镜。

(3)分割透镜

为了某些特殊的应用，有时需要把一个透镜先分割开再组合起来。例如干涉用的双半透镜，把一块透镜分为两半，使其有一定的距离。又如跟踪接收机把一个透镜分为四部分，再按相反方向组合起来，可以对一个目标产生四个分开的像。这一类元件如果用全息透镜就很容易分割。

(4)多重透镜

多重透镜的种类很多，例如一些干涉系统，大都需要一个标准波面和一个测试波面。用全息的方法就可以用一块透镜来完成。又如用傅里叶变换透镜进行空间滤波，至少要两个变换镜头，如果将空间滤波器和一个变换镜头用一个组合的全息系统来代替，就可以省去一个变换透镜，同时还可以缩短光路。

(5)准直物镜

大口径的球面或非球面的准直物镜，制造起来都是很费工的，如果用全息的方法制造就快得多了。当然，在制造时需要有一个大口径、高质量的准直物镜产生平面波。这种全息准直物镜用于干涉系统和激光系统是很合适的。

(6)把成像元件与转像元件结合起来

光学系统有时需要加一个棱镜来转像。如果用离轴透射全息透镜或者反射全息透镜，就可以同时完成成像和转像的功能。

实验内容

1．制作一张正弦位相型同轴全息透镜的全息图，透镜焦距f =200mm。

2．制作一张正弦位相型离轴全息透镜的全息图，并且用实验方法确定其焦

距，实验者自己设计光路。

3．用实验内容1的同轴全息透镜制作一个对切透镜。

注意事项

1．不得直视未经扩束或散射的激光细束。

2．在全息透镜制作过程中应避免曝光量不足，以延长显影时间的方式来获

得全息图的正常黑度。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/wezg.html