全息光栅的制备与研究.docx

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全息光栅的制备与研究

全息光栅的制备与研究

摘要

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。

　　衍射光栅在屏幕上产生的光谱线的位置，可用式（a+b）（sinφ±sinθ）=kλ表示。

式中a代表狭缝宽度，b代表狭缝间距，φ为衍射角，θ为光的入射方向与光栅平面法线之间的夹角，k为明条纹光谱级数（k=0，±1，±2……），λ为波长，a+b称作光栅常数。

用此式可以计算光波波长。

光栅产生的条纹的特点是：

明条纹很亮很窄，相邻明纹间的暗区很宽，衍射图样十分清晰。

因而利用光栅衍射可以精确地测定波长。

衍射光栅的分辨本领R=l/Dl=kN。

其中N为狭缝数，狭缝数越多明条纹越亮、越细，光栅分辨本领就越高。

增大缝数N提高分辨本领是光栅技术中的重要课题。

　　最早的光栅是1821年由德国科学家J.夫琅和费用细金属丝密排地绕在两平行细螺丝上制成的。

因形如栅栏，故名为“光栅”。

现代光栅是用精密的刻划机在玻璃或金属片上刻划而成的。

光栅是光栅摄谱仪的核心组成部分，其种类很多。

按所用光是透射还是反射分为透射光栅、反射光栅。

反射光栅使用较为广泛；按其形状又分为平面光栅和凹面光栅。

此外还有全息光栅、正交光栅、相光栅、炫耀光栅、阶梯光栅等。

关键词：

光栅，衍射，摄谱仪，全息技术

ResearchofPreparationandstudyof

holographicgrating

Abstract

Alsoknownasthediffractiongratinggrating.Istheuseofmultipleslitdiffractionprincipletomakethelightdispersion（decompositionspectrum）ofopticalcomponents.Itiscarvedintoasubstantiallyparallel,equidistantslitwidth（line）oftheplaneglassormetal.Gratingslitnumberislarge,generaleverymmoftenstothousandsof.Parallelopticallightpassingthrougheachstitchdiffractionandinterferencebetweenthejoints,formingdarkstreaksverybroad,brightfringeisveryfinedrawings,thesesharpthinandbrightstripescalledspectralline.Spectrallinewavelengthvarieswiththeposition,whenthepolychromaticlightwithdifferentwavelengthsthroughthegrating,spertallinesindifferentpositionofformaspectrum.Lightpassesthroughthegratingformationspectrumisthesingleslitdiffractionandmultipleslitinterferencejointoutcome.

Diffractiongratingsgeneratedonthescreenofthespectrallineposition,availabletype（a+b）（sinP+sintheta）=kL.Typeinarepresentstheslitwidth,Bstandsforslitspacing,forthediffractionangle,thetaisadirectionofincidenceofthelightandtheanglebetweentheplaneofthegratingnormal,Kbrightfringesspectralseries（k=0，±1，±2……）Forthewavelength,lambda,a+bcalledgratingconstant.Thistypecanbeusedtocalculatethewavelength.Rasterstripesfeatureis:

brightfringeisverybrightverynarrow,darkareasbetweenadjacentfringeisverywide,thediffractionpatternisveryclear.Theuseofgratingdiffractioncanbepreciselymeasuredwavelength.ThediffractiongratingresolutionR=L/Dl=kN.WhereNisthenumberoftheslit,slitnumbermorebrightstripebrighter,moredetailed,gratingresolutionishigher.GrowthofslitnumberNincreasingresolutionisanimportanttopicinthegratingtechnology.

Theearliestofthegratingisin1821bytheGermanscientistJFraunhofercostfinemetalwireclose-packedaroundintwoparallelfinescrew.Duetoshapesuchasafence,namedforthe"grating".Moderngratingisusedinprecisioncuttingmachineofglassormetaloncharacterizationsandbecome.Gratingspectrographcorecomponents,itsmanytypes.Accordingtothelighttransmissionorreflectionfortransmissiongrating,gratingreflector.Reflectiongratingisusedwidely;accordingtoitsshapeandisdividedintotheplaneofthegratingandtheconcavegrating.Inadditiontotheholographicgrating,orthogonalgrating,phasegrating,blazedgrating,echellegratingandsoon.

KeyWords：

Grating,diffraction,spectrograph,holographictechnology

1绪论

全息光栅就是利用全息照相技术制作的光栅。

光全息技术，主要是利用光相干迭加原理，简单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，达到相干场具有较高的对比度的技术。

全息光栅在教学科研以及计量技术中的应用已很广泛。

要获得普通规格的全息光栅，在一般实验室已能制作。

目前在教学中，一般仅把它作为衍射光栅来讨论，即只用来观察衍射光谱，内容较单一。

学生对全息光栅的内部构造和他的重要作用不甚了解，特别是对用于近些年来光学的发展及应用过程中所涉及到的，如分光技术、计量技术以及信息光学处理等新内容很难接触到，所以，学生对全息光栅了解的知识面是很窄的。

实际上全息光栅的几何效应和衍射效用的内容是比较丰富的，可在基本内容方面开发实验，以弥补不足。

2研究的地位和作用

2.1什么是光栅

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。

2.2市面上常用光栅的种类及作用

2.2.1点阵式全像立体光栅

这是一种新型的立体表现方式，（也叫矩阵立体光栅）它的材料、观看、制作不同于柱镜立体光栅材料和狭缝立体光栅材料，制作出来的图象可以从上下、左右看。

科技含量相当高，目前美国、日本、台湾有这项全套技术，主要应用于防伪，还应用到显示屏，在不久的未来电视立体也会进入我们的家庭。

由于点阵式全像立体光栅成像技术复杂，装置成本与制作成本高，仿冒难度大，近期还难以广泛使用，预计在以下领域应用较好：

　　精品与贵重文物立体展示。

　　知名大企业、跨国公司集团形象展示，高档立体广告灯箱展示。

　　名人、影视明星、明模大幅立体相片摄制。

高档名牌产品防伪印刷包装、标签。

2.2.2柱镜光栅

表面有槽；

1、膜材：

没有介质，必须粘在有机板、玻璃上；玻璃又有不同的厚度，越厚，立体效果越明显。

　　1）PET水晶模材：

比PET膜材厚一些，一面光滑，一面发涉。

　　2）PET模材：

比较溥；两面发涉。

　　2、片材：

厚度超过2.5mm称为片材.低于2.5mm的称为薄膜.

　　3、板材：

本身就有介质，不需要再加介质，价格比较昂贵，120元/平方。

狭缝光栅：

表面光滑，配合灯光效果极佳。

有颜色。

　　常用分辨率：

单位均为（像素/厘米），切不记错。

2.2.3光栅的分类

光栅主要有狭缝光栅和柱镜光栅两类，狭缝光栅即线型光栅是最早较为成熟的光栅，其成像原理为针孔成像的原理。

因这种光栅比较容易制作，技术难度不大，所以在十几年前就有制作非常优美的大幅狭缝光栅立体灯箱广告出现。

现今一些立体制作公司仍乐于用狭缝光栅立体灯箱参与展览，效果是不错，但狭缝光栅立体灯箱有以下缺陷：

透光率仅20-30%，不环保，不节能，照明灯多耗能大，发热大，室外亮度不够，仅适用于室内。

柱镜光栅种类繁多主要有板材和模材两大类，其成像原理为弧面透镜折射反射成像原理。

柱镜光栅潜力较大，室内外打不打灯都可使用，市场普及率正不断扩大。

光栅膜材曾一度因具有价格竞争力而风靡过一阵，但由于现在柱镜光栅板价格的逐步下降，以及膜材需要粘贴及技术还有待提高的原因使其竞争力未显突出。

2.3合格与劣质膜材光栅的简易鉴别方法

1：

膜材正面（光栅面）圆弧成型稳定，排列均匀，放大观察圆滑，手摸有明显凸起感,背面平整、无压痕；劣质品达不到上述标准，尤其背面手感有明显凹入压痕者，易造成粘接发虚不实、解像力差、图像眼晕眼花,为伪劣次次品。

2：

合格膜材线条成型顺直，无走斜扭曲现象。

可打印直线检测，也可提起膜光栅对着窗户以窗格为参照，透光直接目测优劣。

3：

合格品复合板后在指定厚度上均有准确聚焦，不合格产品、劣质品聚焦不准，指定4mm、5mm聚焦但大多是6mm、8mm才能聚焦成像，波动不稳，范围过大，这是劣质产品生产者经常遮盖的一点，实属购者一大误区。

可用销售者提供的线距打印检测条辨别。

3全息光栅的制备

全息光栅就是利用全息照相技术制作的光栅。

光全息技术，主要是利用光相干迭加原理，简单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，达到相干场具有较高的对比度的技术。

全息光栅在教学科研以及计量技术中的应用已很广泛。

3.1利用迈克耳孙干涉仪制作全息光栅

3.1.1一维光栅的制作

利用迈克耳孙干涉仪（图一）的平面反射镜M1而后在激光器前加上扩束镜，在我们的实验反射的光束之间的干涉可以制作一维光栅。

图3-1迈克耳孙干涉仪光路图

3.1.2一维光栅制作过程

先用小黑罩挡住迈克耳孙干涉仪的平面反射镜M2,激光（波长632.8nm）以45°直接照在分束镜上,此时在屏上能够看到图2所示的由M1反射的光点（B最亮,A较亮,C很暗淡可不用考虑）.在入射角度一定的情况下,2个光点的距离由分束镜的厚度决定（在实验中测得该距离大约6mm）.

图3-2屏上的M1反射光点

而后在激光器前加上扩束镜（在我们的实验中,扩束镜距分束镜中心大致13.5cm,M1距分束镜中心大致9.5cm,离屏大致20cm）,在屏的位置放置干版架,就可以对干版曝光.用分光计测量了自制光栅的光栅常量,由此计算出每毫米的狭缝数约为23条。

3.1.3一维光栅制作原理

加上扩束镜后,激光束形成点光源,由平面镜成像的知识,可以看成距离屏43cm处有2个点光源的像（如图三所示）,屏上的干涉由2个点光源干涉形成,这等效于杨氏双缝干涉,所形成的条纹是等宽等间隔的直线干涉条纹.在显微镜下能够看到竖直的干涉条纹.杨氏双缝干涉计算条纹距离公式为

=

λ

图3-3只有M1反射时得光路图

其中t是点光源在平面镜中两像点的距离（即光点A,B的距离）,L是点光源像点到屏的距离.利用该公式可估算出实验时每毫米上的干涉条纹数大约25条.在误差范围内理论计算与实验结果是一致的.在光源频率不变的情况下,该方法制作的光栅的光栅常量由扩束镜与分束镜中心的距离决定。

3.1.4二维光栅制作原理、过程

利用迈克耳孙干涉仪2个反射镜反射的光束间的干涉,能够一次曝光制作二维光栅;而一般情况下,我们要制得二维光栅,需要对同1块干版进行2次不同方式的曝光。

图3-4等效光路图

在点光源照明下,先调节手轮,改变M1的位置,使干涉条纹变成直线（可以利用白光干涉进行判断）,这时,M2在分束镜中的像M2′与M1以很小的角度相交,屏上的干涉可以看成点光源在这个平面镜中像点的干涉,也就是双面镜干涉.而后拿走扩束镜,调节平面反射镜后的螺钉,使得光点排成图5所示（这实际上在改变M2′与M1相交的角度）,再放好扩束镜,在显微镜下能够看到竖直干涉条纹的背景上有一套水平的干涉条纹.最后放好干版就可以曝光。

图3-5

虽然平面反射镜M2反射的光点只要考虑1个（F）,但M1反射的光点要考虑2个（A,B）,上面的分析只考虑了最亮点B,F之间的干涉,实际上A,B之间也形成干涉条纹（正如制作一维光栅考虑的）,正因为如此,就可以一次曝光得到二维光栅.其它可能存在的干涉条纹实验证实可不考虑,甚至不存在。

3.2全息光栅的实验室制备

基础物理实验按层次划分，可分为基础性实验、综合性实验、设计性实验与课题型实验等，综合性、设计性实验是物理实验不可缺少的重要组成部分…。

设计性实验涉及方面较多，不仅对学生要求活学活用所学知识，也对教师提出了更高的要求。

指导教师必须具备扎实的专业知识，对涉及性实验项目深入研究，做到心中有数，才能在辅导学生的过程中游刃有余。

3.2.1实验设计思想

全息光栅的制作及光栅常数测定实验是在经历了“全息照像”、“分光计的调整和使用”、“衍射光栅”等基础实验训练，对光学仪器的使用已经初步掌握的基础上设置的。

要求按给出的光路图安排调试好光路，拍摄，冲洗制作全息光栅，并用分光计根据光栅衍射原理测光栅常数。

本实验属于综合设计性实验。

3.2.2内容要求及实验器材

1）内容要求．

1、参照图1调整实验光路；

2．拍摄全息干版：

曝光、显影、定影处理；

3．观察所拍摄的全息光栅条纹，并用分光计测量光栅常数；

注：

如图，若两平面波夹角，则全息光栅条纹间距d=λ/2sinθ

2）仪器设备

图3-6全息光栅光路

激光器及电源、遮光板、毛玻璃全息干版、于版央P各一个．扩束镜L1（f=4.5mm）、准直镜L2（f=190mm）、分光镜s（5：

5）、全反镜m各一个、光学平台一张、磁性光具底座若干（至少7个）、冲洗设备一套（显影渡、清水、定影液、漂白液、夹子三个、吹风机一个）、分光计一套、汞灯、平晶、光橱支架备一个。

3.2.3常见问题分析

常见问题：

1拍摄的全息光栅看不到光栅光谱，制作失败；

2用分光计观察不到全息光栅的衍射光谱，无法测量。

主要原因有3个方面：

l、对光学干涉现象产生条件的掌握不清楚。

全息光栅拍摄必须满足以下几个条件：

1）在全息干版处相遇的两柬光为相干平行光。

根据光路图1所示，两束相干光相遇时应该为平行光，平行光调节的越好，全息光栅拍得越好；2）两平面波夹角2越小越好。

根据光路图六所示若两平面波夹角为2θ，全息光栅条纹间距d=λ2sinθ,两束光夹角越大d就越小，光路稍有振动就会使干涉图样模糊，使拍摄失败可见，夹角越小越好，同时测量相对误差也会较小；3）两束相干光的光程差必须小于光的相干长度，这是光的干涉产生的必要条件之一。

实验中必须保证这一点，从光路图1可以看出要保证这一点，图中的M应尽可能靠近s才可能满足要求，同时也保证了条件2。

2、对全息照相技术掌握不熟练。

曝光过程中光路要稳定，曝光时间要合适；显影时间、定影时间要合适。

3、对分光计使用不熟练，仪器调整得不好，使测量误差偏大。

3.2.4光栅的制备

1、用L1,L2组成扩束系统，使之能获得较大口径的一束平行光。

平行光的特点：

用纸垂直接收：

出射的光斑，前后移动纸，其光斑为等大圆面即可。

固定L1，前后移动L2当L1和L2间距离正好为两者焦距时出来的是平行光，如果距离大了，光为会聚光，纸上的光斑随着光传播变小；反之，距离小了，光力发散光，观察到的光斑逐渐变大。

2、按照光路图排开调整光路。

注意两柬光光程差不要太大，要满足尽可能小的要求。

以光路图一为例，图一中的M应尽可能靠近s才可满足要求。

另外，利用挡光板调整光路在一个水平面上进行传播也是实验成功与否的关键因素之一，可以从激光器的出射光的水平调起，一步步检查光是否水平传播。

3、对全息干版曝光时，注意周围环境一定要安静，避免光路的振动。

全息干版曝光后作显影定影处理。

注意：

曝光时间要合适，约30—50s即可，显影时不要显影太过（如果显影太过了，在定影后就必须进行漂白处理，漂白液基本都有毒，尽可能省略），定影时间3—5分钟即可。

吹干全息光栅后用分光计利用光栅光谱直接进行光栅常数的测量。

4参数的测定

4.1全息光栅的参数测定

1、调整分光计，使望远镜适合于观察平行光，并使其光轴垂直于分光计主轴。

使平行

光管发出平行光且平行于望远镜光轴；

2、测定光栅测量各级谱线的衍射角φk，注意全息光栅的药膜面对准入射的平行光观察并测量；

3、按照光栅衍射理论，衍射光谱中明条纹的位置由下式决定（a+b）sinφk=±Kλ，K=0，1,2,3,，式中，d=（a+b）称为光栅常数，a表示缝的宽度，b表示不透光部分的宽度,λ为光波波长，K为光谱级数,φk是K级光谱线的衍射角。

谱线的波长为已知，只要测出与该谱线相关的角，就可以计算出光栅常数d。

5全息光栅制作光路的比较研究

1、分振幅法制作全息光栅

一般的分振幅干涉法

图1是常用的“分振幅法”制作全息光栅的光路。

细激光束投射到分光比为1：

1的分束镜2上,被分为光强相等的两束光,即透射光和反射光。

它们分别经全反镜3转向后,再经4和5两套相同的扩束、准直系统成为两束准平面波,并以θ角交汇在全息干版6上。

该方法具有如下优点：

（1）光路对称,容易排布,制作的光栅常数范围较大；

（2）光程差非常小,干涉效果好。

同时该方法也具有如下缺点：

（1）光学元件较多,两束平行光的一致性较难控制。

（2）由于反射镜的面积限制,制作光栅常数大的光栅时θ小,相干光重叠区域小,只能制得小面积的全息光栅。

图5-1分振幅干涉法

为了减少元件数目,可将光路中的准直透镜去掉,只要全息干板与扩束镜之间相距足够远全息干板上接收的就是近平行光,光栅常数的原理公式就成立。

马赫一曾德尔干涉法

马赫一曾德尔干涉光路也是一种常用的分振幅法制作全息光栅的光路,光路如图2所示。

该方法具有如下优点：

（1）光路比较对称,容易排布

（2）光程差非常小,干涉效果好。

（3）只要调节光路中一分束镜的方位角、就可改变透射光和反射光的夹角,从而改变光栅的光栅常数。

同时该方法也具有如下缺点：

（1）透射元件多,激光通过每一透射元件时这些透射元件的位相缺陷不可避免地影响了激光束,使得准直平面波波阵面变形,从而偏离了平面波。

（2）干板前的分束镜的面积限制了两束光的夹角θ（θ小）,因此光栅常数小

的光栅,不能选用此法。

图5-2马赫一曾德尔干涉仪

迈克尔孙干涉仪法

光路如图3所示，该光路实质上就是马赫—曾德尔干涉法的改进光路。

该方法还具有如下优点：

（1）干涉光斑面积大，可以制作面积较大的光栅。

（2）一般情况下，我们要制得二维光栅，需要对同一块干板进行两次不同方式的曝光，而利用迈克孙干涉仪2个反射镜反射的光束间的干涉，能够一次曝光制作二维光栅。

该方法也具有与马赫—曾德尔干涉法相同的缺点。

图5-3迈克尔孙干涉仪法

2、分波面法制作全息光栅

图5-4分波面法

一般的分波面干涉法

光路图如图4所示。

该光路可制作的光栅光栅常数范围较广，但相干光仅为近平行光。

菲涅尔双面镜干涉法

该方法具有如下优点：

（1）光学元件少，光路简单。

（2）光路对称性好，几乎没有光程差。

（3）制作的光栅常数范围比较广。

同时该方法也具有如下缺点：

（1）如果用准直透镜，则干涉光斑面积较小。

（2）如果不用准直透镜，则只是近似平行光。

杨氏双缝干涉法

我们利用光束通过两条缝的0级衍射光在全息干板上进行相干叠加。

该方法具有如下优点：

（1）只有一个透镜，整个光路同轴性要求低，所以光路容易架设。

（2）光路简单，原理易懂。

同时该方法也有如下缺点：

（1）缝的宽度决定了0级光斑的宽度，所以要使干涉面积较大缝的宽度就必须很小。

（2）由于0级条纹的宽度限制，以缝的距离要足够小，否则两缝0级光斑不能重叠。

（3）相干光为近平行光。

（4）该方法只能制作光栅常数很大的光栅。

6结论

全息光栅是重要的分光元件之一，在教学、科研和工程中有着广泛的应用。

就教学而言，它是信息光学的入门实验