CN2748950Y - 制作变间距全息光栅的装置 - Google Patents

Abstract

一种制作变间距全息光栅的装置，包括相干的激光器，还包括：扩束准直系统、分束器、第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜、第一柱面透镜、第二柱面透镜和全息记录板，所述元部件的位置关系如下：在激光器输出的激光光路上放置该扩束准直系统，激光经扩束以后被分束器分成两光束，即A束，B束，A束光经过第一全反镜改变光路后进入第一柱面透镜而后到达全息记录板，而B束光则经过第二全反镜和第三全反镜，再通过第二柱面透镜到达全息记录板，并与A光束在全息记录板表面相干叠加。利用本实用新型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。

Description

制作变间距全息光栅的装置

技术领域：

本实用新型涉及全息光栅，特别是一种制作变间距全息光栅的装置，是一种高频高空间频率变化率的全息光栅制作装置。此类光栅在光通信和信息处理等领域有着重要的应用前景。

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利用改进的Michelson干涉仪法，但由于实验装置的精度要求很高，使其在实际的应用中具有相当的困难；此外还有在马赫-陈德干涉仪的一个臂中插入柱透镜，光路相干光在柱透镜前(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得很高。

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，使得对空间频率线性变化的光栅的需求越来越多。

发明内容：

本实用新型要解决的技术问题在于克服上述在先技术的不足，提供一种制作变间距全息光栅的装置，以大大提高光栅频率和其变化率。

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的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。本实用新型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两柱面透镜，提高了干涉条纹的空间频率和空间频率的变化率。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种制作变间距全息光栅的装置，包括相干的激光器，还包括：扩束准直系统、分束器、第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜、第一柱面透镜、第二柱面透镜和全息记录板，所述元部件的位置关系如下：在激光器输出的激光光路上放置该扩束准直系统，激光经扩束以后被分束器分成两光束，即A束，B束，A束光经过第一全反镜改变光路后进入第一柱面透镜而后到达全息记录板，而B束光则经过第二全反镜和第三全反镜，再通过第二柱面透镜到达全息记录板，并与A光束在全息记录板表面相干叠加。

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

所说的扩束准直系统为一个可将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。

所说的分束器是一半反半透介质膜分束板，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。

所说的全反镜，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。

所说的柱面透镜，是凸面半径R为20cm的平凸柱面透镜，可分别将A光束和B光束的平面波的波前转换为柱面波。

所说的全息记录板用来记录全息图。

本实用新型的技术效果如下：

从He-Ne激光器出射波长为632.8nm的激光束，经过扩束望远镜扩束为面积较大的准直光，然后通过分束器被50％反射，50％透射地分为两束光A和B，A光束经过第一全反镜的反射后通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光束则经过第二全反镜和第三全反镜全反射之后，被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经过柱面透镜后在全息干涉平面上光场的复振幅分别为：

$\begin{array}{c}{U}_A(x_i,y_i)=\frac{A_A}{2Q_A\sqrt{D_A}}\sqrt{C^2\left({\mathrm{\ω}}_A\right)+S^2\left({\mathrm{\ω}}_A\right)}\×\exp \{-\frac{i2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}L\left({\mathrm{\ω}}_A\right)\}\×\exp \left\{\frac{\mathrm{i\π}}{\mathrm{\λ}}\right[\frac{n-1}{D_A(n-1)-R_A}\left]{x_i}^2\right\}\end{array}---\left(1\right)$

$U_B(x_i,y_i)=\frac{A_B}{2Q\sqrt{D_B}}\sqrt{C^2\left({\mathrm{\ω}}_B\right)+S^2\left({\mathrm{\ω}}_B\right)}\exp \{-\frac{i2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}L\left({\mathrm{\ω}}_B\right)\}\×\exp \left\{\frac{\mathrm{i\π}}{\mathrm{\λ}}\right[\frac{n-1}{D_B(n-1)-R_B}\left]{x_i}^2\right\}\×\exp \{-\frac{i2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\sin \mathrm{\α}\·x_i\}---\left(2\right)$

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，

$\left.\begin{array}{c}C\left({\mathrm{\ω}}_{A,B}\right)=C\left({\mathrm{\ω}}_{1A,B}\right)-C\left({\mathrm{\ω}}_{2A,B}\right),S\left({\mathrm{\ω}}_{A,B}\right)=S\left({\mathrm{\ω}}_{1A,B}\right)-S\left({\mathrm{\ω}}_{2A,B}\right)\\ C\left({\mathrm{\ω}}_{1A,B}\right)={\∫}_0^{{\mathrm{\ω}}_{1A,B}}\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}{{\mathrm{\ξ}}_{A,B}}^2\right)d{\mathrm{\ξ}}_{A,B},C\left({\mathrm{\ω}}_{2A,B}\right)={\∫}_0^{{\mathrm{\ω}}_{2A,B}}\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}{{\mathrm{\ξ}}_{A,B}}^2\right){\mathrm{d\ξ}}_{A,B}\\ S\left({\mathrm{\ω}}_{1A,B}\right)={\∫}_0^{{\mathrm{\ω}}_{1A,B}}\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}{{\mathrm{\ξ}}_{A,B}}^2\right)d{\mathrm{\ξ}}_{A,B},S\left({\mathrm{\ω}}_{2A,B}\right)={\∫}_0^{{\mathrm{\ω}}_{2A,B}}\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}{{\mathrm{\ξ}}_{A,B}}^2\right){\mathrm{d\ξ}}_{A,B}\\ {\mathrm{\ξ}}_{A,B}=\frac{2Q_{A,B}}{\sqrt{\mathrm{\λ}}}(x+\frac{P_{A,B}}{{Q_{A,B}}^2}{x}_i)\\ {\mathrm{\ω}}_{1A,B}\left(x_i\right)=\frac{2Q_{A,B}}{\sqrt{\mathrm{\λ}}}(-H_x+\frac{P_{A,B}}{{Q_{A,B}}^2}{x}_i),{\mathrm{\ω}}_{2A,B}\left(x_i\right)=\frac{2Q_{A,B}}{\sqrt{\mathrm{\λ}}}(+H_x+\frac{P_{A,B}}{{Q_{A,B}}^2}{x}_i)\\ {Q_{A,B}}^2=\frac{n-1}{2R_{A,B}}-\frac{1}{2D_{A,B}},P_{A,B}=\frac{1}{2D_{A,B}}\\ \frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}L\left({\mathrm{\ω}}_{A,B}\right)\≡\mathrm{arctg}\frac{S\left({\mathrm{\ω}}_{A,B}\right)}{C\left({\mathrm{\ω}}_{A,B}\right)}\end{array}\right\}---\left(3\right)$

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

在全息记录板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，

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

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

由上面两式可以确定全息记录板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(7)，(8)，(9)式可得条纹间距为

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

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

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

由此可以得到空间频率线性变化的全息光栅。

与在先技术相比，本实用新型的制作变间距全息光栅的装置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为本实用新型制作变间距全息光栅的装置实施例的光路图。

具体实施方式

先请参阅图1，图1是本实用新型的变间距全息光栅的制作装置具体实施例的光路图。它由9部分组成：He-Ne激光器1，扩束准直系统2，分束器3，第一全反射镜4，第二全反射镜5，第三全反射镜6，第一柱透镜7，第二柱透镜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输出的光路上放置该扩束准直系统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透镜7，而后到达全息记录板9，而B束光则分别经过第二全反射镜5，第三全反射镜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。

所说的半反半透介质膜分束板3，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。

所说的全反射镜是对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。

所说的第一柱面透镜7和第一柱面透镜8是凸面半径R为20cm的平凸柱面透镜，可将A光束和B光束的平面波波前转换为柱面波。

所说的全息记录板9是用来记录全息图。

本实用新型制作变间距全息光栅的装置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的激光束经过扩束望远镜2被扩束为准直光，然后通过分束器3的分为两束光A和B，A光束由第一全反镜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，同时调整第一柱面透镜7和全息记录板9之间的距离为20cm。而B光束则经过第二全反镜5，第三全反镜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。在柱面透镜与全息记录板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_B(n-1)-R_B]×[D_A(n-1)-R_A]＜0时，可以得到空间频率线性变化的全息光栅，可以获得相当高的空间频率。

Claims (6)

1、一种制作变间距全息光栅的装置，包括相干的激光器(1)，其特征在于还包括：扩束准直系统(2)、分束器(3)、第一全反射镜(4)、第二全反射镜(5)、第三全反射镜(6)、第一柱面透镜(7)、第二柱面透镜(8)和全息记录板(9)，所述元部件的位置关系如下：在激光器(1)输出的光路上放置该扩束准直系统(2)，激光经扩束以后被分束器(3)分成两光束，即A束，B束，A束光经过第一全反镜(4)改变光路后进入第一柱面透镜(7)而后到达全息记录板(9)，而B束光则经过第二全反镜(5)和第三全反镜(6)，再通过第二柱面透镜(8)到达全息记录板(9)，并与A光束在全息记录板(9)表面相干叠加。

2、根据权利要求1所述的制作变间距全息光栅的装置，其特征在于所述的激光器(1)是He-Ne激光器，其输出波长为632.8nm的激光器，输出功率为1-100mW。

3、根据权利要求1所述的制作变间距全息光栅的装置，其特征在于所述的扩束准直系统(2)是一将He-Ne激光扩束为20-100mm并形成平行光束的扩束望远镜。

4、根据权利要求1所述的制作变间距全息光栅的装置，其特征在于所述的分束器(3)是一半反半透介质膜分束板，是一块真对于632.8nm波长特制的50％反射，50％透过的介质膜板。

5、根据权利要求1所述的制作变间距全息光栅的装置，其特征在于所述的全反镜，是对632.8nm的光进行100％全反射的介质膜板。

6、根据权利要求1所述的制作变间距全息光栅的装置，其特征在于所述的第一柱面透镜(7)和第二柱面透镜(8)是凸面半径R为20cm的平凸柱面透镜。