CN1560704A - 空间频率线性变化全息光栅的记录装置 - Google Patents

Abstract

一种空间频率线性变化全息光栅的记录装置，包括He－Ne激光器、全息记录板，其特征是还包括扩束准直系统、分束器、第一柱面透镜和第二柱面透镜，其位置关系如下：在该He－Ne激光器的输出光路上依次放置该扩束准直系统和该分束器，经扩束后的激光束被该分束器分成两束即A光束和B光束，A光束和B光束分别经第一柱面透镜和第二柱面透镜后，到达所述全息记录板表面叠加相干。利用本发明获得具有空间频率线性变化的全息干涉条纹的全息记录板以后，利用常规工艺即可制成具有空间频率线性变化全息光栅。

Description

空间频率线性变化全息光栅的记录装置

技术领域：

本发明与全息光栅有关，特别是涉及一种空间频率线性变化全息光栅的记录装置。

背景技术：

全息光栅是利用全息照相的方法，将两束相干光叠加后所产生的干涉条纹“刻蚀”在全息记录板上得到的。随着光通信和信息处理技术的迅速发展，对各种特殊类型的光栅的需求越来越多，特别是条纹空间频率线性变化的光栅。利用全息方法制作线性变频全息光栅的方法有的利用改进的Michelson干涉仪，但由于实验装置的精度要求很高，使其在实际的应用中有相当的困难；此外还有在马赫-陈德干涉仪的一个臂中插入柱面透镜，光路相干光在柱面透镜前(曲面)、后(平面)表面的反射光干涉制作变频光栅，但由于对实验条件的限制，其空间频率不可能做的很高。

近年来，光通信技术和同步辐射装置在研究和应用领域的发展，对空间频率线性变化光栅的需求越来越多。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是针对在先技术的不足，提供一种空间频率线性变化全息光栅的记录装置，大大提高了光栅频率及其变化率。

当两束光的波前在特定的空间相遇，形成的干涉条纹与光波波前的位相直接相关。人们制作特殊类型的全息光栅所采用的主要方法也是通过改变波面的形状来实现。

本发明的基本思想继承了以往制作全息光栅的基本方法，通过在马赫-陈德干涉仪的两臂中分别加入柱面透镜，提高了干涉条纹的空间频率和空间频率的变化率。

本发明的技术解决方案如下：

一种空间频率线性变化全息光栅的记录装置，包括He-Ne激光器、全息记录板，其特征是还包括扩束准直系统、分束器、第一柱面透镜和第二柱面透镜，其位置关系如下：在该He-Ne激光器的输出光路上依次放置该扩束准直系统和该分束器，经扩束后的激光束被该分束器分成两束即A光束和B光束，A光束和B光束分别经第一柱面透镜和第二柱面透镜后，到达所述全息记录板表面叠加相干。

所述的A束光路上，在分束器和全息记录板之间依次有第一反射镜和第一柱面透镜。

所述的B束光路上，在分束器和全息记录板之间依次有第二反射镜、第三反射镜和第二柱面透镜。

所述的He-Ne激光器是一输出波长为632.8nm的激光器，输出功率为1-100mW。

所述的扩束准直系统是一个可将He-Ne激光扩束为20-100mm的扩束望远镜，可以将激光束变为横截面积较大的平行光束。。

所述的分束器是一块对632.8nm波长光50％反射，50％透过的介质膜板。

所述的柱面透镜是凸面半径R为20cm的平凸透镜，可将A、B光束的平面波的波前转换为柱面波。

所说的反射镜，是对632.8nm的光进行100％反射的介质膜板，其主要作用是改变光束的传播方向，产生所需要的光束A和B之间的合适的夹角α。

本发明的工作过程和原理如下：

从He-Ne激光器出射波长为632.8nm的激光束经过扩束器扩束为面积较大的准直光，然后通过分束器分为两束光A和B，A光束经过第一柱面透镜后变为柱面波，然后以中心光束垂直于全息记录板的角度入射到全息记录板。而B光束则经过第二柱面镜调制为柱面波后，以中心光束与全息记录板的法线成α的夹角入射到全息记录板，与A光束在全息记录板上相干叠加，由全息记录干板记录下全息干涉条纹。

两束光A和B经过柱透镜后在全息干涉平面上光场的复振幅分别为：

$U_A(x_i,y_i)=\frac{A_A}{2Q_A\sqrt{D_A}}\sqrt{C^2\left({\mathrm{\ω}}_A\right)+S^2\left({\mathrm{\ω}}_A\right)}\×\exp \{-\frac{i2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}L\left({\mathrm{\ω}}_A\right)\}$

$\×\exp \left\{\frac{\mathrm{i\π}}{\mathrm{\λ}}\right[\frac{n-1}{D_A(n-1)-R_A}\left]{x_i}^2\right\}---\left(1\right)$

$U_B(x_i,y_i)=\frac{A_B}{2Q\sqrt{D_B}}\sqrt{C^2\left({\mathrm{\ω}}_B\right)+S^2\left({\mathrm{\ω}}_B\right)}\×\exp \{-\frac{i2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}L\left({\mathrm{\ω}}_B\right)\}$

$\×\exp \left\{\frac{\mathrm{i\π}}{\mathrm{\λ}}\right[\frac{n-1}{D_B(n-1)-R_B}\left]{x_i}^2\right\}\×\exp \{-\frac{i2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\sin \mathrm{\α}\·x_i\}---\left(2\right)$

其中A_A，B分别为平面波的复振幅，x_i为记录干板上的横向坐标，

式中：2H_x为柱面透镜的横向线度，D_A，B为柱透镜到全息记录平面之间的距离，R_A，B为柱面透镜凸面的半径。

在全息干涉平面上的光强分布可表示为：

$I(x_i,y_i)={|U_A(x_i,y_i)+U_B(x_i,y_i)|}^2$

$=I_0\{M^2\left({\mathrm{\ω}}_A\right)+M^2\left({\mathrm{\ω}}_B\right)+2M\left({\mathrm{\ω}}_A\right)M\left({\mathrm{\ω}}_B\right)\cos [\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}T\left(x_i\right)\left]\right\}---\left(4\right)$

式中I₀＝A_A ²，μ＝A_A/A_B为两光路的光波的振幅比，

$M\left({\mathrm{\ω}}_{A,B}\right)=\frac{1}{2Q_{A,B}\sqrt{D_{A,B}}}\sqrt{C^2\left({\mathrm{\ω}}_{A,B}\right)+S^2\left({\mathrm{\ω}}_{A,B}\right)}---\left(5\right)$

$T\left(x_i\right)=\left\{\right\{\frac{n-1}{2[D_A(n-1)-R_A]}\}-\frac{n-1}{2[D_B(n-1)-R_B]}\}{x_i}^2+\sin \mathrm{\α}\·x_i+L\left({\mathrm{\ω}}_B\right)-L\left({\mathrm{\ω}}_A\right)---\left(6\right)$

由上面两式可以确定记录平面上的光强分布，在实验条件一定的情况下，干涉条纹是坐标x_i的函数。根据光强极大值条件，相邻的两极大值满足

$T\left(x_{i1}\right)=\left\{\frac{n-1}{2[D_B(n-1)+R_B]}\right\}{x_{i1}}^2-\left\{\frac{n-1}{2[D_A(n-1)-R_A]}\right\}{x_{i1}}^2+\sin \mathrm{\α}\·x_{i1}$

$+L\left({\mathrm{\ω}}_{B1}\right)-L\left({\mathrm{\ω}}_{A1}\right)=\mathrm{m\λ},$ (m为整数)                                                  (7)

$T\left(x_{i2}\right)=\left\{\frac{n-1}{2[D_B(n-1)+R_B]}\right\}{x_{i1}}^2-\left\{\frac{n-1}{2[D_A(n-1)-R_A]}\right\}{x_{i1}}^2+\sin \mathrm{\α}\·x_{i1}$

$+L\left({\mathrm{\ω}}_{B2}\right)-L\left({\mathrm{\ω}}_{A2}\right)=(m+1)\mathrm{\λ}---\left(8\right)$

又

               x_i1 ²-x_i2 ²≈2x_i1(x_i1-x_i2)             (9)

由(17)，(18)，(19)可得条纹间距为

$\mathrm{\Δx}=\frac{\mathrm{\λ}+L\left({\mathrm{\ω}}_{B1}\right)-L\left({\mathrm{\ω}}_{B2}\right)+L\left({\mathrm{\ω}}_{A1}\right)-L\left({\mathrm{\ω}}_{A2}\right)}{\{\frac{n-1}{[D_A(n-1)+R_A]}-\frac{n-1}{[D_B(n-1)-R_B}\}{x}_{i1}+\sin \mathrm{\α}}---\left(10\right)$

当Δx很小时，L(ω_A1)≈L(ω_A2)，L(ω_B1)≈L(ω_B2)

干涉条纹的空间频率v_x＝1/(Δx)可近似表示为

$v_x=\{\frac{n-1}{\mathrm{\λ}[D_A(n-1)-R_A]}-\frac{n-1}{\mathrm{\λ}[D_B(n-1)-R_A]}\}{x}_i+\frac{\sin \mathrm{\α}}{\mathrm{\λ}}---\left(11\right)$

干涉条纹空间频率的变化率为

$\frac{d{v}_x}{d{x}_i}=\frac{n-1}{\mathrm{\λ}[D_A(n-1)-R_A]}-\frac{n-1}{\mathrm{\λ}[D_B(n-1)-R_B]}---\left(12\right)$

由此可以得到空间频率线性变化的全息光栅。通过调节两柱面透镜与记录平面之间的距离可以调节条纹的空间频率及其变化率。在柱透镜与全息记录平面之间的距离满足：

$D_A\≈\frac{R_A}{(n-1)},$ $D_B\≈\frac{R_B}{(n-1)},$ 且[D_A(n-1)-R_A]×[D_A(n-1)-R_A]＜0时，可以获得相当高的空间频率。

利用本发明获得具有空间频率线性变化的全息干涉条纹的全息记录板以后，利用常规工艺即可制成具有空间频率线性变化全息光栅。

与在先技术相比，本发明空间频率线性变化全息光栅的记录装置的空间频率可以做得很高，空间频率的变化率也可以很大，而且通过调节柱面透镜与全息记录板之间的距离可以方便的调节干涉条纹的空间频率以及空间频率的变化率。

附图说明：

图1为本发明空间频率线性变化全息光栅的记录装置的最佳实施例结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1，图1为本发明空间频率线性变化全息光栅的记录装置最佳实施例结构的结构示意图。由图可见，发明空间频率线性变化全息光栅的记录装置最佳实施例由9部分组成：He-Ne激光器1，扩束准直系统2，半反半透介质膜构成的分束器3，第一、第二、第三全反射镜4、5、6，第一柱面透镜7，第二柱面透镜8，全息记录板9。其各元部件的位置关系如下：在He-Ne激光1输出的光路上放置一扩束准直系统2，激光经扩束以后被分束器3分成两束即A束，B束。A束光经过第一全反射镜4改变光路后进入第一柱面镜7，而后到达全息记录板9，而B束光则分别经过第二、第三全反射镜5，6反射后透过第二柱面透镜8再到达全息记录板9。

所说的He-Ne激光器1是输出波长为632.8nm激光器，输出功率为1-100mW。

所说的扩束准直系统2为一个可将He-Ne激光扩束为20-100mm的扩束望远镜，可以将激光束变为横截面积较大的平行光束。

所说的分束器3是一块半反半透介质膜，是一块真对于632.8nm波长特制的50％反射，50％透过的介质膜板，它将入射到其上的激光束分为A束和B束。

所说的第一、第二、第三全反射镜4、5、6，是对632.8nm的光进行100％全反射的介质膜板，其主要作用是改变光束的传播方向，产生所需要的光束A和B之间的合适的夹角α。

所说的第一、第二柱面透镜7和8，是凸面半径R为20cm的平凸透镜，其作用是将A光束、B光束平面波的波前转换为柱面波。

所说的全息记录板9是用来记录全息图。

本发明空间频率线性变化全息光栅的记录装置最佳实施例的工作原理和基本过程是：

当He-Ne激光器1发出的波长为632.8nm的激光束经过光束望远镜2被扩束为准直光，然后通过半反半透介质膜分束器3的分为两束光A和B，A光束由第一全反膜4的反射和经过第一柱面透镜7变为柱面波，使其中心光束垂直入射到全息记录板9，同时调整该柱面透镜7和全息记录板9之间的距离为20cm。而B光束则经过第一第、二全反膜5，6，的全反射之后，被第二柱面透镜8调制后，以中心光束与全息记录板9的法线成α角度入射全息记录板9，并与入射全息记录板9的A光束相干叠加，由全息记录板9记录下空间频率线性变化的全息干涉条纹。

通过调节两柱面透镜7、8与全息记录板9平面之间的距离可以调节条纹的空间频率及其变化率。在柱面透镜7、8与全息记录板9的全息记录平面之间的距离满足：

$D_A\≈\frac{R_A}{(n-1)},$ $D_B\≈\frac{R_B}{(n-1)},$ 且[D_A(n-1)-R_A]×[D_A(n-1)-R_A]＜0时，可以获得相当高的空间频率。

利用本发明获得具有空间频率线性变化的全息干涉条纹的全息记录板9以后，利用常规工艺即可制成具有空间频率线性变化全息光栅。

Claims (7)

1、一种空间频率线性变化全息光栅的记录装置，包括He-Ne激光器(1)、全息记录板(9)，其特征是还包括一扩束准直系统(2)、分束器(3)、第一柱面透镜(7)和第二柱面透镜(8)，其位置关系如下：在该He-Ne激光器(1)的输出光路上放置该扩束准直系统(2)和该分束器(3)，经扩束后的激光束被该分束器(3)分成两束即A光束和B光束，A光束和B光束分别经第一柱面透镜(7)和第二柱面透镜(8)，到达所述全息记录板(9)表面叠加相干。

2、根据权利要求1所述的空间频率线性变化全息光栅的记录装置，其特征在于所述的A束光路上，在分束器(3)和全息记录板(9)之间依次有第一反射镜(4)、第一柱面透镜(7)。

3、根据权利要求1所述的空间频率线性变化全息光栅的记录装置，其特征在于所述的B束光路上，在分束器(3)和全息记录板(9)之间依次有第二反射镜(5)、第三反射镜(6)和第二柱面透镜(8)。

4、根据权利要求1、2或3所述的空间频率线性变化全息光栅的记录装置，其特征在于所述的He-Ne激光器(1)是一输出波长为632.8nm的激光器，输出功率为1-100mW。

5、根据权利要求1、2或3所述的空间频率线性变化全息光栅的记录装置，其特征在于所述的扩束准直系统(2)是一个可将He-Ne激光扩束为20-100mm的扩束望远镜。

6、分束器(3)是一块对632.8nm波长光50％反射，50％透过的介质膜板。

7、根据权利要求1、2或3所述的空间频率线性变化全息光栅的记录装置，其特征在于所述的柱面透镜(7、8)是凸面半径R为20cm的平凸透镜。