CN201425631Y - 制作低频全息光栅的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种制作低频全息光栅的装置，其包括激光器、扩束准直系统、分束板、全反射镜和全息记录版；所述扩束准直系统设置在所述激光器的输出光路上；经过所述扩束准直系统的激光到达所述分束板两面后反射为两光束；所述两光束经所述全反射镜反射及所述分束板透射到达所述全息记录版。本实用新型的有益效果是：利用分束板分振幅法制作低频全息光栅，通过选用不同厚度分束板及沿导轨调节全息记录版的位置，可以在低频范围内连续精确控制光栅线密度。本装置光路简单、使用器件少、性能稳定。

Description

制作低频全息光栅的装置

【技术领域】

本实用新型涉及全息光栅制作领域，特别是一种制作低频全息光栅的装置。

【背景技术】

光栅具有巧妙的周期性结构，利用其分光能保证所分光束具有相同的偏振状态，所以光栅成为重要的分光元件，由其制成的光栅光谱仪、光栅摄谱仪、光栅单色仪在光谱分析和光度测量中具有重要的作用，所以光栅在光纤通讯、光计算机技术、光信息处理系统中有着十分广泛的应用。

基于全息技术制作光栅已成为光栅制作的主要途径，同传统的刻痕光栅相比，全息光栅除了杂散光少、分辨率高、光谱中无鬼线、适用光谱范围宽、有效孔径大等优点之外，在制备工艺和适用程度上更具有以下显著优点，一、制作方便，制作时间短，效率高但成本低；二、适合制作各种空间频率的光栅，光路排布灵活多样；三、光栅尺寸可以做大，适合制作正交正弦光栅等。

全息光栅是一种无光焦度的衍射光学元件，利用两相干平面光波间的干涉经曝光、显影、定影和漂白处理后得到。当光源一定时，全息光栅空间频率f的大小由两平面光波间的夹角θ决定。要得到确定空间频率的光栅，必须精准的控制θ。现有的光路，夹角θ较大，易制得中高频的全息光栅，当涉及低空间频率光栅，尤其是超低空间频率光栅时，利用现有的光路将无法实现。因为制作低频光栅，要求θ相应减小，降低θ受到分光镜、平面镜、扩束镜等各个光学镜面的制约。当f＜100mm^-1时，θ＜3°38’，更不用说超低频光栅，f＜20mm^-1，θ＜0° 44’的制作。

【实用新型内容】

为了解决现有的技术问题，本实用新型提供一种能够制得低空间频率特别是超低空间频率光栅的装置。

本实用新型解决现有的技术问题，提供一种制作低频全息光栅的装置，其包括激光器、扩束准直系统、分束板、全反射镜和全息记录版；所述扩束准直系统设置在所述激光器的输出光路上；经过所述扩束准直系统的激光到达所述分束板两面后反射为两光束；所述两光束经所述全反射镜反射及所述分束板透射到达所述全息记录版。

本实用新型更进一步的改进是，所述两光束在所述全息记录版表面叠加。

本实用新型更进一步的改进是，所述分束板的两面相互平行，且其上设置有半透膜。

本实用新型更进一步的改进是，所述全反射镜、所述分束板及所述全息记录版的中心点位于一直线上；所述激光入射方向垂直于所述直线。

本实用新型更进一步的改进是，所述分束板的两面与所述直线的夹角呈45°。

本实用新型更进一步的改进是，所述全反射镜的反光面垂直于所述直线。

本实用新型更进一步的改进是，所述全息记录版的受光面垂直于所述直线。

本实用新型更进一步的改进是，本装置包括一导轨，所述全反射镜、所述分束板及所述全息记录版设置在所述导轨上。

本实用新型更进一步的改进是，所述导轨为具标尺的光学导轨。

本实用新型更进一步的改进是，所述激光器为He-Ne激光器或半导体激光器。

相较于现有技术，本实用新型的有益效果是：利用分束板分振幅法制作低频全息光栅，通过选用不同厚度分束板及沿导轨调节全息记录版的位置，以在低频范围内连续精确控制光栅线密度。本装置光路简单、使用器件少、性能稳定。

【附图说明】

图1为本制作低频全息光栅的装置的光路图。

【具体实施方式】

下面结合附图说明及具体实施方式对本实用新型进一步说明。

如图1所示，一种制作低频全息光栅的装置，其包括激光器1、扩束准直系统2、分束板3、全反射镜4和全息记录版5；所述扩速准直系统2设置在所述激光器1的输出光路上；经过所述扩束准直系统2的激光到达所述分束板3两面后反射为两光束I和II；所述两光束I和II经所述全反射镜4反射及所述分束板3透射到达所述全息记录版5，所述两光束I和II在所述全息记录版5表面叠加，再经曝光、显影、定影和漂白处理即可得低频全息光栅。

本装置优选包括一导轨6，所述全反射镜4、所述分束板3及所述全息记录版5均设置在所述导轨6上，且三者的中心点位于一直线上，这样激光入射方向垂直于所述直线。此时，分束板3的两面与所述直线的夹角呈45°；所述全反射镜4的反光面垂直于所述直线；所述全息记录版5的受光面亦垂直于所述直线。

下述为光路中各器件的详细说明：

①激光器：

激光器用作光源，以提供高品质的相干光束。本装置的激光器选用He-Ne激光器作为光源，其波长λ＝632.8nm，功率为1-50mW；或者选用半导体激光器作为光源；

②扩束准直系统：

扩束准直系统是一扩束望远镜，用于将激光器发射的光束变为横截面积较大的平行光束，该光束直径可达20-100mm；

③分束板：

分束板由光学玻璃制成，其前后两表面严格平行；在该两表面上镀一层半透膜，以将入射光分为反射光束和透射光束，透射与反射出光束的强度大致相等；

④全反射镜：

全反射镜能将入射光束进行100％的反射，改变了光束的传播方向；

⑤全息记录版：

全息记录版用来记录两光束的干涉图样；

⑥导轨：

导轨为安装/放置器件的轨道，其具有高稳定性、防振动。全反射镜、分束板和全息记录版等器件通过与导轨相互配合的卡座安装在导轨上。同时，为了便于测量和调节，导轨上设置有标尺。

本装置的工作原理是：

激光器发出的光束经扩束准直系统后，形成横截面积较大的相干平行光束A。光束A由垂直于导轨的方向入射，分束板与导轨成45°夹角，即光束A以45°夹角入射到分束板上，经分束板前后两表面反射后得到光束I和II，I和II是由分振幅法得到的两束相干光，再经过全反射镜垂直反射，分束板折射后到达全息记录版处。全反射镜、分束板、全息记录版安装在光学导轨上，各器件中点成一直线。光束I和II在全息记录版处相干叠加，形成规则的干涉条纹，并被全息记录版记录下来。

全反射镜、分束板安装在光学导轨上，位置和方位固定不动。全息记录版可沿着导轨移动。全息记录版经曝光、显影、定影、漂白等处理后得到全息光栅。

全息记录板处的干涉条纹是一组等宽等间距明暗相间的平行直线条纹。一种简单的模型——杨氏双缝干涉模型，可以用来近似描述该现象。在图1中，由激光器1发出的光束，经分束板分光后，可等效看成两个点光源S₁和S₂，那么全息记录版5处的干涉条纹即可看成是由S₁和S₂两点光源之间的干涉形成。由杨氏双缝干涉可知，干涉条纹间的距离

$d=\frac{L}{t}\mathrm{\λ}---\left(1\right)$

其中，λ为光源波长，L为点光源S₁(S₂)到全息记录版5的距离，t为点光源S₁和S₂之间的距离，与分束板的厚度h有关。

$t=\frac{h\·\sin 2i}{\sqrt{n^2-{\sin }^{2}i}}---\left(2\right)$

i为入射角，n为分束板的折射率。本装置中，i＝45°，分束板折射率n＝1.5163，所以

$t=\frac{h}{\sqrt{n^2-0.5}}=0.74553h---\left(3\right)$

L＝L₁+2L₂+L₃    (4)

L₁为扩束准直系统到分束板间距离，L₂为分束板到全反射镜间距离，L₃为分束板到全息记录版的距离。L₁和L₂相对固定，L₃具有较大的调节空间(0~2m)。通过调节全息记录版5的位置，可改变L，从而精确控制光栅的空频。亦可通过选用不同厚度的分束板来调节干涉条纹间距，制造不同光栅常数和空间频率的全息光栅。

本装置实验定标法确定光栅常数：

利用分束板分振幅法可以实现超低频全息光栅的制作，该方法简单、稳定、光栅常数和空频易调节，是一种十分值得推广采用的方法。杨氏双缝干涉等效模型可以近似的估计光栅线密度。但是在一些情况下，杨氏双缝干涉等效模型会带来比较大的误差。L/t比值约在380左右时，模型预测校准。L/t超过500，模型预测与实际会有较大差异。所以更加精确的控制干涉条纹间距的方法是通过实验定标曲线。当采用He-Ne激光器时，由实际光栅样品可得到光栅常数d与L/t的定标曲线。

$d=-0.0774+8.32475\×{10}^{-4}\frac{L}{t}---\left(5\right)$

其中，d、L和t的单位为mm。上定标曲线的相关系数R＝0.99912，置信概率＞99.7％。

本装置实验定标法确定空间频率：

同理，可通过实验定标的方法确定空间频率。当采用He-Ne激光器时，由实际光栅样品可得到光栅空频f与L/t的定标曲线如下。

$f=18.01705\exp (-\frac{L/t}{206.11124})+1.36016---\left(6\right)$

其中f的单位为mm^-1，L和t的单位为mm。上定标曲线的相关系数R²＝0.99987，具有非常高的置信概率。

本装置光栅常数和空间频率的选控：

公式(5)给出了光栅常数-L/t两者之间的定标方程。若利用本装置制作特定空间频率的光栅，如f＝3.5mm^-1，应先计算出相应的光栅常数d＝0.285714mm，根据(5)式，可推算出

$\frac{L}{t}=\frac{0.285714+0.0774}{8.32475\×{10}^{-4}}=436.19---\left(7\right)$

利用8.32mm厚度的分束板时，根据(3)式可知t＝6.20mm。所以，L＝2704.38mm。据实际装置中L₁、L₂参数的数值即可确定全息记录版的位置L₃。调整全息记录版的位置，即可准确得到预定空间频率的光栅。

利用分束板分振幅法制作超低频全息光栅，光栅空间频率(光栅常数)的控制步骤可总结如下：

①建立d与L/t的定标方程；

②设定光栅空频f；

③计算光栅常数d(d＝1/f)

④根据d-L/t定标方程，结合装置中的固定参数h、L₁、L₂，推算出L₃；

⑤调整全息记录版5的位置，保证L₃的精准，即可得到符合设计要求的光栅。

利用上述方法控制空间频率，具有简单准确的特点。因为d_cxp与L/t成线性关系，定标曲线容易准确获得。当然，我们也可以利用空间频率的e指数衰减特性更加直接的控制实验参数，获得符合设计要求的光栅。但是定标方程(6)相对来说比(5)式难以获得。

本实用新型制造低频全息光栅的装置，其针对低空间频率f＜100mm^-1，特别是超低空间频率f＜50mm^-1的要求设计。可以精确控制光栅常数。利用分束板分振幅法制作低频全息光栅，通过选用不同厚度分束板及沿导轨调节全息记录版的位置，以在低频范围内连续精确控制光栅线密度。本装置光路简单、使用器件少、性能稳定。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种制作低频全息光栅的装置，其包括激光器、扩束准直系统、分束板、全反射镜和全息记录版；其特征在于：所述扩束准直系统设置在所述激光器的输出光路上；经过所述扩束准直系统的激光到达所述分束板两面后反射为两光束；所述两光束经所述全反射镜反射及所述分束板透射到达所述全息记录版。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述两光束在所述全息记录版表面叠加。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述分束板的两面相互平行，且其上设置有半透膜。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述全反射镜、所述分束板及所述全息记录版的中心点位于一直线上；所述激光入射方向垂直于所述直线。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述分束板的两面与所述直线的夹角呈45°。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述全反射镜的反光面垂直于所述直线。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述全息记录版的受光面垂直于所述直线。

8.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：本装置包括一导轨，所述全反射镜、所述分束板及所述全息记录版设置在所述导轨上。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述导轨为具标尺的光学导轨。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述激光器为He-Ne激光器或半导体激光器。

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