南昌大学低频全息光栅制作及衍射特性研究.doc

低频全息光栅制作及衍射特性研究 一、实验目的： 1.学习掌握制作全息光栅的原理和方法 2.掌握制作全息光栅的常用光路和调整方法 3.通过实验制作一个低频全息光栅，观察并分析实验结果 二、实验原理： 如图1所示，Ⅰ、Ⅱ两束相干光与H平面的法线夹角为θ1和θ2，θ = θ1 + θ2为两束光的会聚角。这两束相干的平行光相互叠加时产生等距的明暗相间的直条纹，干涉条纹的间距由下式决定: 当两束光对称入射即θ1=θ2=θ/2时， 当θ很小时， 当所制光栅空间频率较低时，两束光的会聚角不大，就可以根据上式估算光栅的空间频率(如图2所示) 。具体方法是把透镜L0放在Ⅰ、Ⅱ两束光的重合区，则两束光在L0的后焦面上会聚成两个亮点。若两个亮点间的距离为x0，透镜焦距为f ，则有: 即光栅的空间频率为: 反之，亦可从ν ( 或光栅常数Δx ) 推出x0，再推出θ角，从而完成低频全息光栅制作光路的设计。 检查光栅的正弦性及其空间频率 几何光学方法：将制备的光栅直接置入激光细光束中，在远处屏上将得到其衍射图样，如图4所示。由于光栅至屏的距离远大于光栅间距，此衍射图样为夫琅和费衍射图样，亦即其频谱。如果光栅的频谱只有0级和级三个亮点，则表明此光栅是正弦型的。如果频谱中出现级亮点，则表明此光栅为非正弦型。根据光栅至屏的距离，以及频谱中级两亮点之间的距离，则可计算出光栅的实际空间频率。显然 将实空间频率与要求的空间频率相比较，并分析产生误差的原因。 三、实验仪器： 光学平台（全息台），He---Ne激光器，定时器，快门，50%分束镜，平面镜，全息干板，像屏，底片夹，透镜，显定影用具等. 四、实验内容和步骤： 一、光路的设计与排布 1、设计：根据全息光栅的制作原理，自行设计记录一个空间频率为ν=500c/mm的全息光栅的实验光路。要求将光路图画在预习报告上，并说明设计思路。 二、光路的排布： 根据所设计的光路图，在防震台上排布光路。请把光路排布中遇到的问题、解决的思路和办法写在实验报告中。 三、记录一维全息光栅 利用排布好的光路，制作一块一维全息光栅。 注意： 1、本实验使用天津Ⅰ型银盐干板； 2、选取合适的曝光时间t； 3、将银盐干板安装在干板架上，干板在干板架上被夹持应稳固不摇晃； 4、曝光前需静台两分钟，曝光过程中应保证全息防震台稳定，室内空气平稳，无大的气流运动； 5、银盐干板应严格避光操作，待定影结束后才可见白光。 四、银盐干板的后处理 对曝光后的干板进行化学处理，应严格按常规的暗室操作规则进行，具体处理步骤如下： 1、在D--19显影液中显影，温度200C，时间2分钟左右； 2、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； 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。实验室提供的漂白液为铁氰化钾溶液。 五、一维光栅的特性测量 测量全息光栅的空间频率： 用几何光学和物理光学方法测出自制全息光栅的空间频率ν、，并与设计值ν比较之。 五、实验数据与处理： 1.实验设计的光路如下图 实验室已知激光波长为λ=632.8nm 焦距f=150mm 要求制作ν=500的光栅 根据公式 计算出x0应该为x0=4.9cm 后经实验测量出D=9.80cm L=15cm 计算得出实际光栅频率 计算相对误差的大小 六、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。 4、实验中的测量存在不可避免的误差，应该多次测量取平均值。 七、改进的光路设计及实验研究 一个好的全息光栅制作光路，必须满足以下条件: 1) 光程差的要求。从光源到干板，各路光束所经过的光程应尽量接近，即相互间的光程差要尽可能小； 2) 物参比的要求。物光和参考光照射到干板表面的光强之比一般控制在1∶2至1∶10以内，否则将降低干涉条纹的对比度，降低衍射效率。具体比例应根据物表面反射( 或散射) 特性、物的种类、全息图的类别，以及记录介质特性等因素而定； 3) 光学元件使用数量要尽可能少。一方面是为了减少不必要的光能量损失，另一方面也为了减少引入噪声的概率。 八、思考题： 一、光路设计的原则是？ 答：（1）所有光束必须出自同一台激光器； （2）充分利用全息防震平台的面积1.2m×0.8m，光路的排布应以方便操作为宜； （3）尽可能少用光学元件， （4）选取合适的路径，使相干光束达到等光程。 二、光路排布的原则是？ 答：（1）各光学元件必须调到共轴，光束走