全息光栅制作与参量测量系统

全息光学元件是指采用全息方法制作的，可以完成准直、聚焦、分束、成像、光束偏转、光束扫描等功能的元件。常用的全息光学元件包括全息透镜、全息光栅和全息空间滤波器等。其中，全息光栅是一种重要的分光元件，与传统的刻划光栅相比，全息光栅具有无鬼线、杂散光少、分辨率高、有效孔径大、生产效率高、价格便宜等优点，已广泛应用于科研、教学中的各种光栅光谱仪。同时，全息光栅在集成光学和光通信中也可用作光分束器、光互连器、耦合器和偏转器等。在光信息处理中，全息光栅还可作为滤波器用于图像相减、边沿增强等应用。

光栅的研究开始于18世纪中叶，主要代表人物有李敦豪斯、夫琅禾费，伍德，迈克尔逊等人。最初的光栅种类少，精度不高，每毫米的光栅条数只有几到几十条，主要是刻画光栅和复制光栅。随着科技的发展，光栅制作技术日渐成熟。伽伯发明的全息照相技术是光栅制作史上一次伟大的革命，通过使两束激光在胶片上叠加，形成亮暗相间的干涉条纹，再用化学试剂洗去亮条纹区域，由于光波很短，条纹间距很小，这就为制作高精度的光栅创造了有利的条件。

图1 全息光栅制备原理光路图

图1为一种基于马赫-曾德尔干涉仪结构的全息光栅制备实验光路图，该光路利用了干涉双光束夹角的可调节性以及全息照相的多重记录性，可用于制备不同光栅常数的二维全息光栅。改变两束光之间的夹角\( \theta \) 即可控制光栅条纹密度，根据光栅方程\( d\sin \theta =k\lambda \) ，其中d称为光栅常数，k为级数，λ为激光波长，改变夹角\( \theta \) 即可控制光栅条纹密度。

实验中使用的全息干板是RSP—Ⅵ型红敏光致聚合物全息干板是国家自然科学基金资助的科研成果，是一种新型位相型全息记录介质，采用新型的光致聚合物材料，无有毒和不环保的成份，对波长630 nm~671 nm的红光敏感，具有衍射效率高（大于85%）、分辨率高（大于4000线/毫米）、灵敏度较高（1毫焦耳/平方厘米）、光噪音小（版面清晰、干净）等特点，拍摄全息图时，整个操作过程可以在日光灯下进行。

实验中两束光束夹角 通过调节反射镜架来进行调节，然后来计算全息光栅常数的改变，对于干板的多次曝光，则通过多次旋转一定角度重新曝光来实现。我们在曝光过程中分别对干板进行了0°和90°旋转曝光。单次曝光时设置曝光时间为30 秒，实验中两次曝光的曝光时间设置为20 秒。然后对全息干板进行显影处理。如图2所示，为我们曝光的一维光栅，每毫米线数大于100线时出现了明显分光现象。

图2 经过曝光显影处理后的全息干板效果

曝光后的干板经过清洗、脱水及晾干后放置在支架上，用激光束垂直照射光栅，可在观察屏上观察到衍射光斑，通过测量零级衍射与一级衍射光斑之间的间距以及光差屏到光栅的距离，可以计算得出光栅常数。

图3 二维光栅结构示意图（左）及光栅衍射光斑分布图（右）

本实验基于马赫-曾德干涉实验光路，通过调节记录光束的夹角以及旋转全息干板进行多重曝光的方式，在全息干板上获得了一维和二维的全息光栅结构，而这些全息光栅的衍射光斑的分布也确认了这些光栅结构的存在。在传统的全息照相和全息光栅制作实验教学中，通过简单的方法适当拓展内容，不仅可以丰富实验教学内容，提高学生的兴趣，而且有利于拓展学生的专业知识并了解相关领域的研究内容。