全息光学透镜的设计与制作

全息光学透镜的设计与制作全息光学透镜与普通玻璃透镜的成像机理完全不同，普通玻璃透镜的成像是基于光的折射现象，而全息光学透镜的成像是基于光的衍射现象。最早的衍射成像元件是1871年瑞利制成的菲涅耳波带板，但因其衍射效率低以及多级像的存在，没有获得实际应用。20世纪60年代激光技术和全息技术的大发展才推动了新型光学元件一全息透镜的发展与应用。目前衍射成像元件已成为很庞大的家族，发展和应用日益广泛。一、实验目的1．掌握全息透镜的设计与制作原理。2．学习全息透镜的制作工艺。3．理解全息透镜的成像机理，并学会利用所制作的全息光学透镜对物体进行观测。二、实验仪器光学实验平台，He-Ne激光器，分束镜，反射镜，扩束镜，转换透镜，暗室处理器具及显影、定影、漂白药剂，电吹风，全息干版，硬币等三、实验仪器介绍1.He-Ne激光发射器氦-氖激光器由激光电源和激光发射管构成，如图1所示。一般来说，氦氖激光器发出红色的光线，其波长为632.8nm。2.光学元件本实验所需的主要光学元件如图2所示。1—分束镜2,3—反射镜4,5—扩束镜6—转换透镜7—白板（全息干版）1234567图1氦-氖激光器图2光学元件三、实验原理1.全息透镜的分类与制作全息光栅的方法极相似，全息透镜也是利用两束相干光在叠加区域产生干涉，形成干涉条纹，记录这些干涉条纹就得到全息透镜。所不同的是制作全息光栅采用的是两束平面波的叠加，而制作全息透镜一般是采用记录平面波与球面波的干涉叠加条纹而成。当平面波与球面波的光轴重合时，全息记录材料记录的是一组包括圆心在内的同心条纹。这种全息透镜称为同轴全息透镜；当平面波与球面波的光轴有一定夹角时，全息记录材料记录的是远离圆心的同心条纹的一部分，这种全息透镜称为离轴全息透镜。2．同轴全息透镜的制作同轴全息透镜的制作记录光路如图3所示，K为光开关；M1、M2、M3为平面反射镜；C为扩束镜；L1为单色准直镜；BS1、BS2为大孔径分束镜；L2为聚光镜；H为全息干版(或白屏)。图3所示的是一个马赫—曾德干涉光路。在其中一个光臂中加入透镜L2，使平面波变为球面波。球面波会聚点稍偏离分光镜BS2；另一个光臂是一束平面波，两束光在H处形成稳定的同心圆环干涉条纹。这组干涉图对全息干版曝光，经显、定影处理就得到同轴全息透镜。应该指出，制作全息透镜还可以采用两束球面波的干涉叠加，一束是发散的；另一束是会聚的。当记录介质的法线与两球面波的球心连线重合时，就是同轴全息透镜，否则，就是离轴全息透镜。3．离轴全息透镜的制作原理如图4所示，目前的光路和图3已有些差异，已没有了分光镜BS2，而代之是与M1、M2一样的大孔径反射镜。由L1出射的单色平面波经分光镜BS1分成两束，透射的一束经M2、M3反射后以一定倾角斜射在H上；反射的一束经透镜L2将平面波变换成球面波向着H正入射去，于是平面波与球面波光轴有一定的倾角。全息材料记录的就是远离中心的同心圆图3同轴透镜全息记录光路环的一部分，这就是离轴全息透镜的干涉图样。4．同轴全息透镜的物像关系图5是记录同轴全息透镜的一种光路。点源A发出球面波，B是另一束会聚球面波的焦点。A、B两束光是相干的，在O处放置全息记录材料，经曝光和显、定影处理就能获得同轴全息透镜。以O点为坐标原点，A0、B0为记录介质处光波的振幅；фA、фB为球面波的位相函数，并且BBAAZyxKZyxK222222(1)两束光波在H上的复振幅分布为BAjBjAeBueAu00(2)对于薄正弦振幅型全息图，全息透镜的透过率函数为)cos(10ABHI（3）或)(1)(10ABABjjHee图5同轴全息透镜的形成图4离轴全息透镜的记录光路考虑到式(1)，有fyxKZZyxKABAB12)11(2)(2222（4）式中，f表示全息透镜+1级衍射像的像方焦距。于是得到fyxjKfyxjKHee212102222（5）从式(5)可看到，正弦振幅型同轴全息透镜的作用相当于三个光学元件，即平板玻璃、正透镜、负透镜。也可以认为它的作用相当于三个透镜：一个透镜的焦距为∞，一个为f，一个为-f。当一束单色平面波照射在这个全息透镜上将产生三束衍射光，如图6所示。设物点坐标为O(x0，y0，x0)，理想像点坐标为I(xI，yI，zI)，如图7所示，那么同轴全息透镜的物像关系为mABfZZmZZ1)11(1101式中，m为衍射像级次数0；λ0为记录时的光波长，λ为成像时物点发出的光波长。如果记录和成像时都用同样的激光，取+1级衍射像，有图6平行光通过全息透镜（6）图7同轴全息透镜物像关系图ABZZf1111说明：f1只与记录时的状况条件有关。按几何光学对放大率公式的定义，全息透镜的垂轴放大率为)./(1100101fzzzyyM四、实验内容1.全息光栅的制作（1）按图8的示意图布置光路，调节激光束与各个光学元件中心平行。制作实例如图9所示。图8全息光学透镜制作示意图图9全息光学透镜制作实例图调节分束镜的角度和两个反射镜的位置，使光路1和光路2之间的光程大致相等。同时，转换透镜可将平面波转换为球面波且其具有聚光作用，可在光屏上生成明亮的圆形斑点。另外，光路1和光路2之间的夹角宜小于15o。（2）布置好光路后，在黑暗条件下进行曝光，曝光时间40秒。（3）曝光后，进行暗室操作，主要包括显影（20秒），定影（1分钟）和漂白（约15分钟）。漂白以后进行水洗并用电吹风吹干。2.物体影像的获取（1）按图10调节光路，使得各元件共轴，将物体（硬币）反射的激光会聚于全息透镜之上。图10观测光路（7）（8）（2）逆着光和顺着光路从全息透镜中观测硬币的像，并记录观察到的现象。五、实验注意事项1.请勿用手触摸光学镜面。2.不得直视未经扩束或散射的激光细束。六、思考题1.全息光学透镜与全息照相之间的区别和联系？2.全息光学透镜的用途有哪些？