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

图一所示的是一个马赫一曾德干涉光路。在其中一个光臂中加入透镜I2图一所示的是一个马赫一曾德干涉光路。在其中一个光臂中加入透镜I2，使同轴全息透镜的制作记录光路如图一所示，K为光开关；M2、M3为平面反射镜；C为扩束镜；单色准直镜；BS］、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）。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成球如图二所示，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—样的大孔径反射镜。由［丄出射的单色平面波经分光镜851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。

成球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发岀球面波冷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■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0点为坐标原点，A。、B。为记录介质处光波的振幅；％、％为球面波的位相函数，并且单'⑴同S8侮■理）小+⑴一叫沖仏+°1=勺(E)（甲-裁卜心5+二f30耳1版零，m^s^wsrakt^■3°ff=如］^v=y4乂芈&・sm丁H2,22/珥二航+書谭7（5）从式⑸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：一个透镜焦距为8,—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,xj,理想像点坐标为1（斗,yI,zI），如■五所示，那么同轴全息透镜的物像关系为丄=怦(才-?)=1£E6式中，m式中，m为衍射像级次物点发出的光波长。益；入为记录时的光波长，X为成像时團五同轴全息透領物像关系图如果记录和成像时都用同样的激光,取+1级衍射像，有111£厶乙 (7)说明：俎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峡先峡先1+却力 (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。⑴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。⑵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，因此镜代替信息处理系统中的傅里叶变换透镜。⑶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。⑷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就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。⑸准直物镜大口径的球面或1商面的准直物镜，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