发布时间 : 星期三 文章激光原理实验 - 图文更新完毕开始阅读e4c0511414791711cc7917d0
图1 相干光干涉形成光栅的示意图
一般说来, 这样制作的全息光栅是黑白光栅。但如果工艺上能做到线性曝光,线性冲洗,则可做成全息正弦光栅。有多种光路可以制作全息光栅。其共同特点是①将入射细光束分束后形成两个点光源，经准直后形成两束平面波； ②采用对称光路，可方便地得到等光程。我们常采用马赫-曾德干涉仪光路,如图2所示。
Ⅰ Ⅰ Ⅱ
图2全息光栅制作实验光路图
它是由两块分束镜（半反半透镜）和两块全反射镜组成，四个反射面接近互相平行，中心光路构成一个平行四边形。从激光器出射的光束经过扩束镜及准直镜，形成一束宽度合适的平行光束。这束平行光射入分束板之后分为两束。一束由分束板反射后达反射镜，经过其再次反射并透过另一个分束镜，这是第一束光；另一束透过分束镜，经反射镜及分束镜两次反射后射出，这是第二束光。在最后一块分束镜前方两束光的重叠区域放上屏P。若Ⅰ，Ⅱ两束光严格平行，则在屏幕不出现干涉条纹；若两束光在水平方向有一个交角，那么在屏幕的竖直方向出现干涉条纹，而且两束光交角越大，干涉条纹越密。当条纹太密时，必须用显微镜才能观察得到。在屏平面所在处放上全息感光干版，记录下干涉条纹，这就是一块全息光栅。
为了保证干涉条纹质量，光束I和II需要严格水平于光学平台，可在图中最后一个分束镜后面两束光的重叠区内放一透镜，将屏移到透镜的后焦面。细调两块反射镜使光束I和II在屏上的像点处于同一水平线上，这样I、II严格水平于平台。
然后，可转动两块反射镜或最后一块分束镜使两个像点重合。这时光束I和光束II处于重合状态，会聚角??0，应没有干涉条纹。撤去透镜后，微调两块反射镜或最后一块分束镜的水平调节旋钮，改变I、II的会聚角使其不为零，就可在光束I和II的重叠区看到较明显的干涉条纹。
准确的控制光栅常数（即光栅的空间频率）,是光栅质量的重要指标之一。我们采用透
镜成像的方法来控制制作的光栅的空间频率：
如果上图中经最后一块分束镜射出的两相干光束I、II与P面水平法线的交角不相等，分别为θ1和θ2，ω=θ1+θ2称为两束光的会聚角，如图3中所示，
P Ⅰ
θ1 ω θ2
Ⅱ
图3 两束光投射到屏幕上（俯视图）
则由杨氏干涉实验的计算得到两束光在P面形成的干涉条纹的间距为：
d?1???vsin?1?sin?2???????????2sin?12?cos?12??2??2?? （7）
式中λ为激光束的波长，对于He-Ne激光器λ=6328?。当?1??2而且(?1??2)/2《1时，近似有：
d?? （8） ?在本实验中，由于两束光的会聚角?不大，因此可以根据上式估算光栅的空间频率。具体办法是：把透镜L2放在图1-2中两束光I、II的重叠区，如图4所示.
Ⅰ ω Ⅱ f L X0 图4用透镜估算两束光的会聚角（俯视图）
在L的焦面上两束光会聚成两个亮点。若两个亮点的间距为x0，透镜L的焦距为?，则有??x0/f。由此式和式（8）可得：d?f?/x0。 从而所得到的正弦光栅的空间频率为:
v?1x0? （9） df?
根据式（9），按需要制作的全息光栅对空间频率的要求，调整图2中两光束Ⅰ、Ⅱ的方向，使之有合适的夹角。例如要拍摄100线/mm的全息光栅，v=100线/mm，本实验所配备的透镜L1的焦距f=150mm，氦氖激光器激光波长λ=0.63×10-3mm，根据式（9），x0=λ
fv=0.63×10-3 ×150×100=9.5mm
实验时把屏幕放在L1的后焦面上（图4），根据两个亮点的间距，即可判断光栅的空间频率是否达到要求。可调节图2中Ⅰ、Ⅱ两束光的方向，一直到x0=19mm为止。 由式（1）,并参照图3和图4，在实验中改变Ⅰ、Ⅱ两束光的方向从而改变光栅空间频率的途径有两种。一种是绕铅垂方向略微转光路中的任一块反射镜或最后一块分束镜，从而改变?2，使得干涉条纹的间距d改变；另一种是绕铅垂方向旋转干版P，这时在保持
???1??2不变的条件下将使?1??2改变，从而改变了d，也即改变了空间频率υ。在本
实验中，因干版架无旋转微调装置，所以采用第一种办法。
以上方法制作的是最简单的一维光栅，以下是其观察示意图：
激光源 全息一维光栅 图5一维光栅的观察 物屏 3.正交光栅
如果以上的一维光栅制作成功，那么两维光栅只需要对干版进行两次曝光就行了。这两次曝光分别是让干版水平放置和垂直放置，
所用光路及拍摄方法与全息光栅基本相同，仍然是在马赫-曾德干涉仪上拍制。只是暴光一次后，将全息干版旋转900再暴光一次，这样就使两个相互垂直的光栅拍在一块干版上，这就是正交光栅。
激光源 全息正交光栅 物屏 图6 正交光栅的观察
4.复合光栅：（选做）
复合光栅是用全息方法在同一干板上拍摄到的两个栅线平行但空间频率稍有差别的光栅，采用二次暴光法来制作。
第一次暴光拍摄空间频率为υ的光栅，然后保持光栅栅线方向，仅改变光栅的空间频率，在同一张全息干版上进行第二次暴光，拍摄空间频率为υ0的光栅。
如果两个光栅的栅线方向严格平行，则复合光栅将出现莫尔条纹，其空间频率υ1是υ和υ0的差频，即：
υ1=△υ=∣υ-υ0∣例如，若υ=100线/mm，υ0=102线/mm或98线/mm，则：
莫尔条纹的空间频率υ1=∣υ-υ0∣=2线/mm这种复合光栅可在典型实验—光学微分实验中使用。
本实验中复合光栅仍然可以在马赫-曾德干涉仪上拍制的。具体方法是先拍一个100线/mm的光栅，然后保持干版不动，移动任何一个反射镜或最后一个分束镜在水平方向的转角，如果用本实验系统提供的燕尾平移台的话大致是转动5个最小刻度。
实验仪器
激光器、空间滤波器、凸透镜、平面反射镜、分光光楔（5:5）、白屏，全息干板以及相关的支撑调整架，显影冲洗设备
实验内容
1. 调节马赫-曾德干涉仪光路光路，调出干涉条纹，在分束镜后加上透镜和白屏。
图7 全息光栅制作实物图