菲涅爾雙面鏡干涉法

全息光柵制作方法的設計和研究全息光學元件（HOE）是指采用全息方法（包括計算全息方法）制作的，可以完成準直、聚焦、分束、成像、光束偏轉光束掃描等功能的元件。在完成上述功能時，它不是基于光的反射和規(guī)律折射，而是基于光的衍射和干涉原理。所以全息光學元件又稱為衍射元件。常用的全息光學元件包括全息透鏡、全息光柵和全息空間濾波器等。全息光柵是一種重要的分光元件。作為光譜分光元件，與傳統(tǒng)的刻劃光柵相比，具有以下優(yōu)點：光譜中無鬼線、雜散光少、分辨率高、有效孔徑大、生產效率高、價格便宜等，已廣泛應用于各種光柵光譜儀中，供科研、教學、產品開發(fā)之用。作為光束分束器件，在集成光學和光通信中用作光束分束器、光互連器、耦合器和偏轉器等。在光信息處理中，可作為濾波器用于圖像相減、邊沿增強等。本實驗主要進行平面全息光柵的設計和制作實驗。一.實驗目的1.學習掌握制作全息光柵的原理和方法。2.學習掌握制作全息復合光柵的原理和方法，觀察其莫爾條紋。3.設計制作全息光柵并測出其光柵常數(shù)（要求所制作的光柵不少于100條/毫米）二、實驗原理1．全息光柵全息光學元件是指基于光的衍射和干涉原理，采用全息方法制作的，可以完成準直、聚焦、分束、成像、光束偏轉、光束掃描等功能的元件。光全息技術主要利用光相干迭加原理，簡單講就是通過對復數(shù)項（時間項）的調整，使兩束光波列的峰值迭加，峰谷迭加，達到相干場具有較高的對比度的技術。常用的全息光學元件包括全息透鏡、全息光柵和全息空間濾波器等。其中全息光柵就是利用全息照相技術制作的光柵，在科研、教學以及產品開發(fā)等領域有著十分廣泛用途。一般在光學穩(wěn)定的平玻璃坯件上涂上一層給定型厚度的光致抗蝕劑或其他光敏材料的涂層，由激光器發(fā)生兩束相干光束，使其在涂層上產生一系列均勻的干涉條紋，光敏物質被感光，然后用特種溶劑溶蝕掉被感光部分，即在蝕層上獲得干涉條紋的全息像，所制得為透射式衍射光柵。如在玻璃坯背面鍍一層鋁反射膜，可制成反射式衍射光柵。圖1光通過光柵形成光譜作為光譜分光元件，全息光柵與傳統(tǒng)的刻劃光柵相比，具有以下優(yōu)點：光譜中無鬼線、雜散光少、分辨率高、有效孔徑大、價格便宜等；全息光柵已廣泛應用于各種光柵光譜儀中。作為光束分束器件，全息光柵在集成光學和光學通信中用作光束分束器、光互連器、耦合器和偏轉器等；在光信息處理中，可作為濾波器用于圖像相減、邊沿增強等。圖1光通過光柵形成光譜2.光柵條紋光柵，也稱衍射光柵，是基于多縫衍射原理的重要光學元件。光柵是一塊刻有大量平行等寬、等距狹縫（刻線）的平面玻璃或金屬片，其狹縫數(shù)量很大，一般每毫米幾十至幾千條。單色平行光通過光柵會形成暗條紋很寬、明條紋很細的圖樣，而這些銳細而明亮的條紋稱作譜線。譜線的位置隨波長而異，因此當復色光通過光柵時，不同波長光所產生的譜線在不同位置出現(xiàn)而形成光譜。也就是說，光通過光柵形成光譜是單縫衍射和多縫干涉的共同結果（如圖1）。3.光柵方程光柵方程描述了光柵結構與光的入射角和衍射角之間的關系，它表示當衍射角滿足的時候發(fā)生干涉加強現(xiàn)象，其中d即為光柵常數(shù)。而當光以入射角入射時，光柵方程寫為。4.光柵常數(shù)圖2光柵光路光柵常數(shù)是光柵兩刻線之間的距離。一個理想的光柵可以認為由一組等間距的無限長無限窄的狹縫組成，而狹縫之間的間距稱為光柵常數(shù)，在圖2中用d表示。圖2光柵光路全息光柵的光柵常量大小取決于兩束平行光與全息干板的夾角。設兩列相干的平行光分別以和角入射全息干板，則光柵常數(shù)；若兩列相干的平面波的夾角很小，則光柵常數(shù)。5.全息光柵制作原理兩束具有特定波面形狀的光束干涉，在記錄平面上形成亮暗相間的干涉條紋，用全息記錄介質記錄干涉條紋，經(jīng)處理得到全息光柵。而采用不同波面形狀的光束或不同的全息記錄介質和處理過程可以得到不同類型或不同用途的全息光柵。根據(jù)兩束相干平行光產生機理的不同，制作全息光柵的光路可分為兩類。一種稱為“分振幅法”，該類方法是利用分束鏡使一束光波一分為二；另一類稱為“分波面法”，該類方法是利用一定的儀器將一束光波的波面一分為二。其中在實際制作時通常采取分振幅法，但分振幅法制作全息光柵光柵常數(shù)通常較小。圖3菲涅爾雙面鏡菲涅爾雙面鏡是分波面獲的相干光常用的實驗儀器，其典型光路如圖4所示。圖中S為縫光源，M1、M2為菲涅爾雙面鏡。其干涉條紋近似為等間距的平行直條紋，將其進行記錄便可制得全息光柵。圖3菲涅爾雙面鏡圖4菲涅爾雙面鏡干涉法菲涅爾雙面鏡干涉法的制作光路如圖5所示。激光器發(fā)出的光經(jīng)擴束準直后得到平行光，然后入射到菲涅爾雙面鏡上，其反射光在全息干板上進行相干疊加。光柵常數(shù)決定于雙鏡的夾角。圖4菲涅爾雙面鏡干涉法該方法具有與楊氏雙縫干涉法相似的優(yōu)點，光程差小、干涉效果好，光柵常數(shù)易于控制且光柵常數(shù)較大，但其光路調節(jié)復雜，如果用準直透鏡則干涉光斑面積較小，如果不用準直透鏡則相干光僅為近平行光。三、實驗步驟1.制作全息光柵（1）按照如圖4擺放實驗器材（2）打開激光器，使激光器發(fā)出的光經(jīng)擴束鏡后得到平行光，然后入射到菲涅爾雙面鏡上，其反射光在全息干板上進行相干疊加（3）調節(jié)雙面鏡的夾角以此來調節(jié)光柵常數(shù)2.拍攝全息光柵(1)在黑暗環(huán)境中，擋住激光束，把干片放在架子上；(2)讓激光束照射在干片上2秒，再重新?lián)踝〖す馐?，把干片取下帶到暗房中?3)把干片泡在顯影液中大約10秒鐘，取出，用清水沖洗；(4)泡在定影液中約5分鐘，取出，沖洗后晾干；(5)用激光束檢驗沖洗好的干片，若能看見零級、一級的光斑，說明此干片可以用于測定光柵常數(shù)3.注意事項(1)半導體激光器工作電壓為直流電壓3V，應用專用220V/3V直流電源工作（該電源可避免接通電源