全息光栅的设计要点.pdf

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1、燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 I 摘 要 本文讲的主要是全息光栅的制作和对所做光栅的光栅常数的测量。光栅是利用多缝 衍射原理使光发生色散的光学元件。它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。光栅的狭缝数量很大，单色平行光通过光栅每个缝的衍射和各缝间的 干涉，形成暗条纹很宽、明条纹很细的图样，这些锐细而明亮的条纹称作谱线。利用两 束相干涉的平行光形成的明暗条纹也可以制作光栅，利用光强不同的明暗条纹经曝光后 在全息干板上留下条纹，即可得到全息光栅。此实验主要应用马赫- 曾德干涉原理来制作 全息光栅 , 并测得光栅常数。 关键词激光技术；半导体激光器；受激辐射

2、；光场 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 II Abstract This paper is mainly about the holographic grating production and to do the grating constant measurement of the grating. Use the slit diffraction grating is the principle that light dispersion happens optical elements. It is a large and wide, with parallel isome

3、tric slit (scribed line) of flat glass or metal. The grating slit a large quantity, monochromatic parallel light through the grating diffraction and the gap of each seam the interference between, form dark stripe is very wide, Ming stripe very fine pattern, the sharp thin and bright stripe called sp

4、ectrum line. The use of two phase of parallel light beam interference of the formation of the light and shade stripe can also make grating, the use of light intensity of light and shade the different stripe after exposure in the holographic GanBan leave behind the stripe, can get holographic grating

5、. This experiment is mainly used CengDe interference principle to Mach-making holographic grating, the grating constant. Keywords: grating ；holographic grating ；grating constant 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 III 目 录 摘 要 I Abstract II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题背景 1 1.2 本文研究内容 2 第 2 章 全息光栅实验设计 . 4 2.1 设计要求 4 2.2 设计原

6、理 4 2.2.1 光栅产生的原理 4 2.2.2 马赫曾德干涉仪法原理 5 2.2.3 激光法测光栅常数原理 5 2.3 设计步骤 . 6 2.3.1 制作全息光栅 6 2.3.2 拍摄全息光栅 6 2.3.3 测定所制光栅的光栅常数 7 第 3 章 全息光栅实验处理 . 8 3.1 实验数据记录 8 3.2 实验数据处理 8 结论 . 10 参考文献 . 12 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 1 第1章 绪论 1.1 课题背景 光栅是利用多缝衍射原理使光发生色散(分解为光谱 )的光学元件。它是一块刻有大 量平行等宽、等距狭缝(刻线 )的平面玻璃或金属片。光栅的狭缝数量很大，一般

7、每毫米 几十至几千条。单色平行光通过光栅每个缝的衍射和各缝间的干涉，形成暗条纹很宽、 明条纹很细的图样，这些锐细而明亮的条纹称作谱线。谱线的位置随波长而异，当复色 光通过光栅后，不同波长的谱线在不同的位置出现而形成光谱。光通过光栅形成光谱是 单缝衍射和多缝干涉的共同结果。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

8、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。全息光学元件是指采用全息方法（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。 光栅是结合数码科技与传统印刷的技术，能在特制的胶片上显现不同的特殊效果。 在平面上展示栩栩如生的立体世界，电影般的流畅动画片段，匪夷所思的幻变效果。光 栅是一张由条状透镜组成的薄片，当我们从镜头的一边看过去，将看到在薄片另一面上

9、的一条很细的线条上的图像，而这条线的位置则由观察角度来决定。如果我们将这数幅 在不同线条上的图像，对应于每个透镜的宽度，分别按顺序分行排列印刷在光栅薄片的 背面上，当我们从不同角度通过透镜观察，将看到不同的图像。 光栅是十分常见的光学元器件，所以制作并且用简便的方法制作测量高精度的光栅 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 2 就成了时下关于光栅的最热门的话题之一。 在光学实验中，一般用分光计测定光栅常数，但用分光计测定光栅常数存在着几个 问题：（1）仪器调节复杂，需要花费大量的时间和精力来进行仪器状态的调节；（2）同 时只能操作者一个观察实验现象，不利于教学演示；（ 3）只能测定透射光

10、栅常数，不能 测定反射光栅常数使得测定有局限。另外一种方法是利用生物显微镜测定光栅常数。同 样这种测量方法也不利于教学演示，而且生物显微镜也不是常见的物理实验仪器。所以 也不是很方便快捷的测量方法。 1.2 本文研究内容 在本文中，我们尝试用一种新的方法来制作光栅，即全息方法。利用全息照相的原 理技术使得两束激光相干并在干板上形成全息条纹，这些全息条纹就可以看做是光栅上 的刻线，经曝光定影显影后这些刻线就会被保留在干板上，而这块干板也就成了一块全 息光栅。并且通过调节光路，可以改变条纹间距，也就是可以任意调节光栅常数。在此 实验的过程中，比较难的部分就是如何调节出两束平行相干的光束，使得在干板

11、上出现 比较清晰的条纹。 就全息的方法我们提出了几种可行的光路放置方案：1、洛埃镜改进法： 基本物理原 理：洛埃镜的特点是一部分直射光和另一部分反射镜的反射光进行干涉，如原始光束是 平行光，则可增加一全反镜，同样可做到一部分直射光和一部分镜面反射光进行干涉， 从而制作全息光栅。其优点是这种方法省去了制造双缝的步骤。其缺点是光源必须十分 靠近平面镜。 2、杨氏双缝干涉法：其原理与杨氏双缝干涉原理一样。其优点是使用激光 光源相干条件很容易满足。其缺点是所需的实验仪器较复杂，不易得到。 3、马赫曾德 干涉仪法：基本物理原理：只要调节光路中的一面分光镜的方位角，就可以改变透射光 和反射光的夹角，从而改

12、变干涉条纹的间距。其优点是这种方法对光路的精确度要求不 高，实验效果不错，易于学生操作。其缺点是这种方法对光路的精确度要求不高，实验 可能不够精确。 综合考虑之下，我们选择马赫曾德干涉仪法来调整光路，使两束光发生干涉，进 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 3 而产生条纹。 在光栅常数测定方面我们利用激光法来测定制作出的光栅的光栅常数。这种方法原 理简单明确，在实际的操作中也十分容易，是物理实验中最好的测定光栅常数的方法。 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 4 第2章 全息光栅实验设计 2.1设计要求 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注意事项），拍摄出全息

13、 光栅 .给出所制作的全息光栅的光栅常数值，要求所制作的光栅不少于每毫米10 条，进 行误差分析并做实验小结。 2.2设计原理 2.2.1 光栅产生的原理 光栅也称衍射光栅，是利用多缝衍射原理使光发生色散( 分解为光谱 ) 的光学元件。 它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。光栅的狭缝数量很 大，一般每毫米几十至几千条。单色平行光通过光栅每个缝的衍射和各缝间的干涉，形 成暗条纹很宽、明条纹很细的图样，这些锐细而明亮的条纹称作谱线。谱线的位置随波 长而异，当复色光通过光栅后，不同波长的谱线在不同的位置出现而形成光谱。光通过 光栅形成光谱是单缝衍射和多缝干涉的共同结果

14、（如图1）。 图1 光栅衍射原理图 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 5 2.2.2 马赫曾德干涉仪法原理 只要调节光路中的一面分光镜的方位角，就可以改变透射光和反射光的夹角，从而 改变干涉条纹的间距。实验光路图如图2： 图2 马赫 - 曾德干涉仪法原理图 2.2.3 激光法测光栅常数原理 一束平行光以 0 的角度入射至光栅平面上，产生衍射花样， 并且衍射角满足光栅 方程： Kd 0 sinsin （1）其中为入射光的波长，K为衍射级数。 当与 0 在法线的同侧时， 上式左括号中取正号；当 0 与在法线异侧时取负号。当入射角 0 0 时方程变为： ),2, 1,0(sinKKd （2

15、）把光栅垂直放入激光束中，激光束通 过光栅时产生夫琅和费衍射，在远处的屏上观察到的夫琅和费衍射图样是一些对称的红 色圆点。其测量的实验原理图如图3： 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 6 图 3 激光法测量光栅常数原理图 2.3 设计步骤 2.3.1 制作全息光栅 1）. 打开 He-Ne激光发射器，利用白屏使激光束平行于水平面。 2）. 调节发散镜和激光发射器的距离使激光发散。 3）. 调节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。 4）. 调节 2 面半反半透镜和2 面全反镜的位置和高度，使它们摆成一个平行四边 形（如图2）。 5）. 调节半反半透镜和全反镜上的微调旋

16、钮，使得到的2 个光斑等高，且间距为 4-6cm。 2.3.2 拍摄全息光栅 1）. 挡住激光束， 把干片放在架子上，让激光束照射在干片上1-2 秒，挡住激光束， 把干片取下带到暗房中。 2）、在 D-19 显影液中显影，温度200C，时间 2 分钟左右，清水中轻涮一遍； 3）、用 F-5 定影液定影，时间5-10 分钟； 4）、流水冲洗20 分钟以上； 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 7 5）、自然晾干或吹干； 6）、为了提高全息光栅的衍射效率，后处理过程可增加“漂白”过程，使全息光 栅由振幅型转化为位相型，此过程可在4、5 两步之间进行。 3）. 用激光束检验冲洗好的 干片，若

17、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。 2.3.3 测定所制光栅的光栅常数 把光栅垂直放入激光束中，激光束通过光栅时产生夫琅和费衍射，在远处的屏上观 察到的夫琅和费衍射图样是一些对称的红色圆点。测量实验原理图如图3. 光栅常数测定数据表 衍射级数h(mm) r(mm) d(mm) d 平均(mm) 1 0 -1 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 8 第3章全息光栅实验处理 3.1 实验数据记录 所用激光波长：632.8nm 光栅常数测定数据表 衍射级数h(mm) r(mm) d(mm) d 平均(mm) 1 450 4.02 7.084102 0 450 0 6.4

18、84102 -1 450 4.84 5.884102 3.2 实验数据处理 计算过程：由公式（2）可知 ),1,0( sin K K d ，其中 22 sin rh r ，则 可得 d 的值，如上表。 最后得出光栅的光栅常数d=6.484 102mm 则光栅每毫米的刻线数约为16 条 误差分析： 1、调节平行光时没有达到标准的平行，存在误差。 2、使两束光重合从而达到干涉时仍然存在误差。 3、曝光后显影定影的时间也影响光栅的透光本领，从而影响光栅常数 的测量 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 9 注意事项： 1、不要正对着激光束观察，以免损坏眼睛。 2、半导体激光器工作电压为直流电压

19、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。 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 10 结论 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

20、验。全息光学元件是指采用全息方法（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。 设计型实验， 原先并没有接触过。以前的实验， 都是了解了书上介绍的实验原理后， 然后严格按照书上的详细步骤来做的，不需要自己去思考和研究太多的东西。这一次准 备设计型实验， 让我锻炼了好多方面的能力。首先，书上给出的只有简单而概括的指导， 所有的东西都要自己去查资料，去想办法解决。连试验究竟是怎么回

21、事都不知道的情况 下，要先去网上大概了解实验内容和原理，然后查阅相关文献，具体研究实验方案。尤 其，这次的试验，需要我们自己设计制作，这就要求我们熟悉和掌握方案的原理、具体 操作步骤和对应的优点缺点，逐一分析比较之后，在将自己的选定方案展开。这一系列 过程要花费大部分时间在图书馆，因为要在浩瀚的文献中找到自己需要的，不是那么容 易的事。我的报告中，有一部分资料来源于互联网，然而网上的东西又不完全符合我的 要求，修修改改，总算弄得差不多了。其实，自己明白了原理，按照自己预先设计好的 方案进行实验，在具体操作过程中，问题并不大，可以说做让人费神的是预习时候的实 验报告的书写。现在，实验已经基本做完

22、，感觉收获却是很大。以后对于设计型实验， 也可以更熟练的进行了。 这次在全息光栅制作的过程中遇到一些问题。刚开始是在调节平行光束上花费了大 量时间，由于实验仪器的误差使得调节出良好的平行光束变得困难许多，不过在大家的 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 11 努力下，总算调节出了平行度不错的平行光束，已经达到本实验的要求。其次是在显影 定影的过程中遇到一些问题，曝光时间过长，显影时间过长而导致干板过黑，透光效果 太差而无法使用。后来我们调节了曝光时间以及显影定影时间，终于得出了满意的全息 光栅。最后在测量光栅常数时由于所制作的光栅效果不是很好，所以通过激光法只能观 察到零级和一级条纹，

23、但也勉强满足了制作要求。虽然过程中遇到很多问题，但在老师 的帮助和我们的共同努力下问题基本得到解决。总的来说，这次的实验做成功了。 这次的设计性实验对我来说是非常重要的一次经验，使我认识到了自己的不足和队 友的重要性，如果没有队友的帮助我是无法完成这次实验的，而且严谨的科学态度是十 分重要的。在进行实验的全部过程中，科学和严谨的态度是最重要的，不可以在不明白 的情况下进行实验，不可以在数据有问题的情况下继续试验，后期的实验数据处理，也 要认真对待。 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 12 参考文献 1 黄建群，胡险峰，雍志华?大学物理实验M ?四川大学出版社，2005： 269271 2 刘春平，宋汉阁 ?光栅衍射实验现象引发的新思考J ?大学物理实验， 2004，17(1) ：22 25 3 姚启均 ?光学教程 M ?北京：人民教育出版社，2002：113一115 4 潘永敏，初新俊，李月芹?测量光栅常量的一种简便方法J ?大学物理， 2004，23(6) ： 47 48