全息光栅的制作(B5纸张非常BJTU物理设计性实验报告)

全息光栅的制作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〕二试验要求设计三种以上制作全息光栅的方法并进展比较〔应包括马赫-曾德干预法〕；设计制作全息光栅的完整步骤〔包括拍摄和冲洗中的参数及留意事项〕，拍摄出全息光栅；给出所制作的全息光栅的光栅常数值，计算不确定度、进展误差分析并做试验小结。三试验根本原理全息光栅全息光学元件是指基于光的衍射和干预原理，承受全息方法制作的，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，简洁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，到达相干场具有较高的比照度的技术。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格外广泛用途。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预条纹，光敏物质被感光，然后用特种溶剂溶蚀掉被感光局部，即在蚀层上获得干预条纹的全息像，所制得为透射式衍射光栅。如在玻璃坯反面镀一层铝反射膜，可制成反射式衍射光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预条纹，光敏物质被感光，然后用特种溶剂溶蚀掉被感光局部，即在蚀层上获得干预条纹的全息像，所制得为透射式衍射光栅。如在玻璃坯反面镀一层铝反射膜，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、区分率高、有效孔径大、价格廉价2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、边沿增加等。11光通过光栅形成光谱光栅，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，而这些锐细而光明的条纹称作谱线。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消灭而形成光谱。也就是说，光通过光栅形成光谱是单缝衍射和多缝干预的共同结果〔1〕。光栅方程光栅方程光栅方程dsink描述了光栅构造与光的入射角和衍射角之间的关系，它表示当衍射角满足dsink的时候发生干预加强现象，其中d即为光栅常数。而当光以入射角 写id(sinsin)k。i2光栅光路2光栅光路光栅常数是光栅两刻线之间的距离。一个抱负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，在图光栅常数是光栅两刻线之间的距离。一个抱负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。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和 角入射全息干板，则光栅常数1 2d(sinsin)；假设两列相干的平面波的夹角很小，1 2 1 2则光栅常数d。全息光栅制作原理两束具有特定波面外形的光束干预，在记录平面上形成亮暗相间的干预条纹，用全息记录介质记录干预条纹，经处理得到全息光栅。而承受不同波面外形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。四制作方法与比较依据两束相干平行光产生气理的不同，制作全息光栅的光路可分但分振幅法制作全息光栅光栅常数通常较小。下面分别介绍三种不同制作方法：属于分波面法的杨氏双缝干预法和菲涅尔双面镜干预法，以及属于分振幅法的马赫-曾德干预法。杨氏双缝干预法杨氏双缝干预是分波面干预的典型试验装置。由于每条狭缝不行避开有确定的宽度，于是双缝干预与单缝衍射总是相伴而生的。杨氏0级衍射光在全息干板上进展相干叠加，从而制得全息光栅。3杨氏双缝干预法3所示。双缝间距b，全息干板与双缝的D。试验要求每3杨氏双缝干预法的0级衍射条纹较宽，在全息干板可以有较大范围的重叠，从而制得较大面积的全息光栅。同时，所得光栅的光栅常数易于把握，只需改变Db即可，由于b/D。该方法具有以下优点：光学元件少，光路简洁，原理易懂；光栅常数易于把握，只需转变全息干板与双缝之间的距离D或转变缝间距b即可；光栅常数大且范围广，涵盖10 103m，这样经简洁光路放大后就可直观地观测到光栅的放大像，直接检查所制全息光栅的质量。0级光斑的宽度，因此只有缝的宽度很小，才能使干预面积较大，同时才能使两缝0级光斑重叠；相干光仅为近平行光；该方法只能制作光栅常数很大的光栅。4菲涅尔双面镜4菲涅尔双面镜5菲涅尔双面镜干预法菲涅尔双面镜是分波面获的相干光常用的试验仪器，其典型4所示。图中S为缝光源，M、M为菲涅尔双面镜。1 2其干预条纹近似为等间距的平行直条纹，将其进展记录便可制得全息光栅。菲涅尔双面镜干预法的制作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展相干叠加。光栅常数打算于双镜的夹角。该方法具有与杨氏双缝干预法相像的优点，光程差小、干预效果好，光栅常数易于把握且光栅常数较大，但其光路调整简洁，假设用准直透镜则干预光斑面积较小，假设不用准直透镜则相干光仅为近平行光。马赫-曾德干预法马赫-6所示。由激光器发出的激光通过扩束器和准直镜后变成平行光，该平行光经半透半反镜后被分成两束光，分别由两个反射镜射向另一个半透半反镜，最终射向全息干板。光束在全息干板上形成等距直线干预条纹。全息干板经曝光、显影、定影、烘干等处理后就得到一个全息光栅。马赫-曾德干预法优点：光程差小，干预效果好；只需要调整光路中一分束镜的方位角就可以转变透射光和反射光的夹角，从而转变光栅的光栅常数。缺点：透射元件多，激光通过每一透射元件时不行避开地受影响，使得准直平面波波阵面变形，从而偏离了平面波；干板前的分束镜的面积限制了两束光的夹角，因此光栅常数小的光栅，不能选用此法。五制作步骤与装置〔马赫-曾德干预法〕本次试验承受马赫-He-Ne激1112面、全反镜2面、白屏和光阑各一、拍摄光栅用的干片假设干、架子等。制作全息光栅6大致确定各试验装置的摆放位置；He-Ne激光放射器，利用白屏使激光束平行于水平面；调整发散镜和激光放射器的距离使激光发散；调整凸透镜和发散镜的距离使之等于凸透镜的焦距，得到平行光；调整两面半反半透镜和两面全反镜的位置和高度，使它们摆成一个平行四边形，并得到两个光斑；调整半反半透镜和全反镜上的微调旋钮使得到的两个光斑等高，4-6cm。拍摄全息光栅在黑暗环境中，挡住激光束，把干片放在架子上；2秒，再重挡住激光束，把干片取下带到暗房中；10秒钟，取出，用清水冲洗；5分钟，取出，冲洗后晾干；用激光束检验冲洗好的干片，假设能观看零级、一级的光斑，说明此干片可以用于测定光栅常数。留意事项3V220V/3V直流电源工作〔该电源可避开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；不要正对着激光束观看，以免损坏眼睛；曝光时间要把握好，曝光面切勿放反了；由于有多组同学一起试验，处理干片的时候切勿将干片混淆；在处理干片时留意避开光源〔手机等〕。六数据与处理测定所制光栅的光栅常数将所制得的全息光栅置于激光器前，测量所成零级明条纹与一级明条纹的间距x与屏到光栅的距离L 。依据干预加强条件dsink，其中k1，且夹角较小，可以求得光栅常数dsinLx。再由n1d算出每毫米光栅常数。数据记录与处理试验所用激光的波长632.8nm测量次数测量次数123456xcmLcmsinxLsin取平均得sin avg光栅常数dsin=光栅条数n1d= 条/毫米〔>100条/毫米，符合试验要求〕七试验小结首先，本次试验是分小组完成的，在这个三人小组里，我又一次意识到小组合作的重要性。没有大家相互协作和相互指正，就没有进步，就没有试验的成果。其次，由于这是设计性试验，书上给出的只有简洁而概括的指导，我们需要在做试验之前查阅资料去了解试验内容和设计试验方案；而不像以前的试验，试验教材上都已经供给较完整的原理解释和步骤设计。我是先到网上或许了解了一下试验内容和原理，去图书馆找了讲解物理试验的书，还在图书馆数据库里面查到了跟全息光栅制作方法有关的期刊文献，最终选出了三种不同的制作光路并进展比较。查找资料和比照方法的过程让我充分生疏了制作原理、具体操作步骤和不同方法的优缺点。整理资料、写报告的过程其实也是一种熬炼，学会用电脑敲出公式，将图片和文字排版好，都需要有细心和急躁。然而，最大的感受是在试验过程中科学和严谨的态度是格外重要的。一方面，