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全息光栅的制作方法

姓名：马宏志

学号： 201211141928

院系专业：物理学系物理学

课程名称：普通物理实验

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用全息照相法制作光栅及实验结果的分析

作者：马宏志（201211141928）单位：北京师范大学物理系2012级师范班

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论文摘要

光栅是具有周期性透光性质的光学分光元件，不透明屏上N个等宽等间距的狭缝就形成了一个光栅。全息光栅的基本原理是全息照相技术。光全息技术，主要是利用光相干叠加原理，简单地将就是通过对复数项（时间项）的调整，使两束光波列的峰值叠加，峰谷叠加，达到相干场具有较高的对比度的技术。利用相干光叠加，在记录平面上形成亮暗相间的的干涉条纹，再经过显影，定影处理，就形成了呈平行排列的光栅，一般单位宽度上的光栅数密度很大，从几百条到几千条不等。制作好的光栅可以用来测定它的光栅常数，还可以用作分光器件使白光发生散，利用光栅方程测出不同光的波长。最后利用空间滤波原理对全息照相技术加以改进，消除不利条件的影响，提高照片质量。

关键词：全息照相、光的干涉、空间滤波、光栅、光栅常数。

引言

光学是物理学的一个很重要的分支，光学中有很多奇特的光现象和许多精密的光学元件。

这些光学元件的制作都要建立在严密的科学理论之上，同时也需要很高的实验操作技能。光栅作为一种精度很高且很重要的光学元件，在许多领域有着很广泛的作用。光栅的研究开始于18世纪中叶，主要代表人物有李敦豪斯、夫琅和费，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。

光栅种类较多，常见的有反射光栅和透射光栅，用途也十分广泛，在很多领域起着极其重要的作用。光学是我们本学期的专业课，光栅这一节内容比较重要，在课堂上我学的也很认真，总体上比较深刻地理解了光栅的基本知识和制作原理。物理学是一门理论联系实践的科学，理论应当和实验探索有机地结合起来，才能有更多的突破，所以我认为用全息照相法制作光栅的实验能够进一步加深我对光栅知识的理解，同时能够提高动手能力，此外还能对当今比较前沿的科技也有一点基本了解，可以说是一举多得。

本次实验我们用全息照相原理制作振幅型平面透射光栅。实验中用到的仪器有防震桌，激光器，光电计时器（快门），光电接收器，针孔低通滤波器，准直镜（凸透镜），分束镜两面，全反镜两面，全息干板，全息干片若干，架子，刻度尺，汞灯，白屏，线，显影液，定影液等。

实验步骤

一、首先调节各仪器等高共轴，调节等高共轴的方法是打开激光，粗条各仪器致等高共轴，然后把仪器放在不同远近的位置，通过比较光点的位置来调节激光器的俯仰角和左右偏向角，直至光点在近处和远处不发生变化，之后运用在反射光自准法，通过调节元件的俯仰角和左右偏向角让入射光和反射光重合。用同样的方法依次调节。

2、制作全息光栅。

（1）首先按下图所示的方式确定各元件的位置。

（2）打开激光器使光通过针孔在白屏上形成夫琅和费衍射图案，调节针孔到物镜的距离使得接收屏上的光为柔和均匀的光，调节凸透镜的位置使得出射光为平行光。

（3）调节两面半反半透镜和两面全反镜的位置，使他们摆成一个平行四边形，在白屏上得到两个光斑。

（4）调节半反半透镜和全反镜的微调旋钮使得两个光斑大体重合。

三、拍摄全息干板

（1）光路调好之后设置光电计时器的的曝光时间为1s，将显影液和定影液倒入相应的器皿中。

（2）关掉照明灯，在黑暗的环境下将全息干板带乳胶的一面朝向光入射的方向固定在干板架上。

（3）静默几分钟，待环境稳定下来，启动快门对干板曝光。

（4）取下干板，放入显影液中待曝光部分变为浅棕立即取出用清水冲洗几秒钟，然后放入定影液中定影五分钟，并用手轻轻晃动定影液。

（溢水杯5）将干板从定影液中取出，用清水冲洗几分钟，烘干。

（6）用激光束检验干片，是否能看到零级一级光斑，若能看到，说明可用于测定光栅常数和汞灯谱线。

四、测定光栅周期。

将制得的光栅固定在干板架上，用激光照射，用光电接收器测量形成的零级条纹和一级条纹之间的距离和屏到光栅的距离，由光栅方程其中，且夹角较小，可得，测量七次求d的平均值，再由公式算出每毫米的光栅条数。

测量次数	1	2	3	4	5	6	7
	1.340	1.6575	2.1995	2.7865	3.2540	3.8345	4.106
	5.65	7.20	9.50	11.70	13.70	16.00	17.20
	0.2361	0.2302	0.2315	ccyv20.2382	0.2375	0.2397	0.2387

所以的平均值为0.2360

所以光栅常数0.00268mm

光栅条数373

要求所制光栅每毫米光栅条数大于100条，符合实验要求。

5、测量汞灯三条谱线的波长

（1）打开汞灯，将光栅固定在干板架上，使光透过凸透镜汇聚于光栅表面，前后移动光栅，在暗室里可在白屏上看见彩条纹。

（2）调节光栅和透镜的相对位置，使得彩条纹边界明显。用刻度尺测量中央亮条纹到三中不同颜的一级亮条纹之间的距离，同时测量光栅到屏的距离。

（3）改变光栅到屏的距离，重复以上步骤并记录数据。

	第一次			第二次
	橙	绿	紫	橙	绿	紫
	3.20	3.05	2.40	2.875	2.75	2.15
	14.9	14.9	14.9	13.3	13.3	13.3
	0.2148	0.2013	0.1611	0.2162	0.2068	0.1617
λ（cm）	575.5	548.6	431.7	衣架制作 579.3	554.2	433.4

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