專利名稱：用全息法制作變頻光柵的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及變頻光柵，特別是一種全息法制作變頻(或稱復(fù)間距)光柵的裝置。
變頻光柵是利用全息照相的方法，用兩束相干光迭加后所產(chǎn)生的干涉條紋作為其“刻線”而制成的。1960年，M.V.R.K.Murty提出了一種用改進(jìn)的Michelson干涉儀產(chǎn)生空間頻率作線性變化的干涉條紋的方法，但實(shí)驗(yàn)裝置的精度要求很高，除干涉儀末端的反射鏡必須固定在特定位置之外，分束器和補(bǔ)償板的厚度之間也需要滿足某種關(guān)系(參見在先技術(shù)[1]M.V.R.K.Murty；J.Opt.Soc.Am.，1960，No1.7)。1979年，上述作者改進(jìn)了他的實(shí)驗(yàn)裝置，采用一束相干光在柱面透鏡前(曲面)、后(平面)表面的反射光干涉制作變頻光柵。其優(yōu)點(diǎn)是比較簡便，不象前一種方法那樣對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的精度有嚴(yán)格的要求，缺點(diǎn)是由于入射光是從柱面鏡的曲面入射的，為了使干涉條紋的空間頻率按照線性規(guī)律變化，入射角的值受到限制，結(jié)果空間頻率不可能做得很高(參見在先技術(shù)[2]M.V.R.K.Murty et al.，Optical Engineering，1979，18，No.5，526)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是在全息干涉儀的一條光路中插入一柱面透鏡，使得由柱面鏡透射的物光與另一條光路中的平面參考光相干涉，形成干涉條紋間距可變的干涉圖形。當(dāng)柱面鏡的橫向?qū)挾扔邢薅鸬难苌湫?yīng)可以忽略不計(jì)時(shí)，干涉條紋的空間頻率將是條紋所在位置的嚴(yán)格的線性函數(shù)，而且從原則上說，只要適當(dāng)?shù)剡x取該實(shí)驗(yàn)裝置的幾何參數(shù)，例如柱面鏡曲面的曲率半徑R，從柱面鏡到全息記錄平面的距離D等，就可使條紋的空間頻率很高。
設(shè)柱面鏡可以作為薄透鏡處理，亦即光線在柱面鏡內(nèi)的平移可以忽略不計(jì)時(shí)，在光路中插入柱面鏡只是使入射波前的位相受到延遲，其延遲效應(yīng)的大小正比于柱面鏡各點(diǎn)的厚度?，F(xiàn)設(shè)柱面鏡的最大厚度為Δ0，而在坐標(biāo)(x，y)處的厚度為Δ(x，y)，那么，當(dāng)入射波通過柱面鏡時(shí)，在位置(x，y)處所引起的總的位相延遲為Φ(x，y)＝KnΔ(x，y)+K{Δ0-Δ(x，y)}(1)式中，K＝2π/λ是入射波的波數(shù)，n是柱面鏡材料的折射率，KnΔ(x，y)是由柱面鏡引起的位相延遲，K{Δ0-Δ(x，y)}則是由曲面引起的自由空間區(qū)域中的位相延遲。因此，柱面鏡對(duì)入射波前的作用等效于一個(gè)位相物體，該位相物體的透射系數(shù)為ψ(x，y)＝exp{iK(n-1)Δ(x，y)} (2)當(dāng)振幅為A、波長為λ的平面波由柱面鏡平面正入射時(shí)，在緊靠柱面鏡曲面的平面上，相應(yīng)的透射波的復(fù)振幅U0(x，y)為U0(x，y)＝Aψ(x，y)＝Aexp{iK(n-1)Δ(x，y)}(3)此透射波U0(x，y)即作為物波，與另一束作為參考波的平面波發(fā)生干涉，其干涉光強(qiáng)的分布，將取決于柱面鏡的厚度函數(shù)Δ(x，y)的具體表達(dá)式，以及全息干涉儀中，當(dāng)柱面鏡未插入時(shí)，兩束光之間的夾角α。柱面鏡的厚度函數(shù)Δ(x，y)Δ(x,y)=Δ0+R′{1-1-x2/R′2}≈Δ0+x2/2R′=Δ0-x2/2R---(4)]]>式中，R≡-R′＞0。
將(4)式代入(3)式，同時(shí)略去共有的恒定位相因子K(n-1)Δ0，即有U0(x,y)=Aexp{-ikn-12Rx2}---(5)]]>設(shè)由柱面鏡透射的物波到全息記錄平面之間的傳播滿足Fresnel衍射條件，則物波在記錄平面上的復(fù)場(chǎng)分布ψ0(xi，yi)為ψ0(xi,yi)=AiλD∫∫dxdyP(x,y)×exp{-iKn-12Rx2}---(6)]]>×exp{iK2D[(xi-x)2+(yi-y)2]}]]>式中，D為柱面鏡到全息記錄平面之間的距離，P(x，y)為柱面鏡的光瞳函數(shù)，定義為 設(shè)全息干涉儀中兩路光束的夾角為α?xí)r，平面參考波在全息記錄平面上的復(fù)場(chǎng)振幅可以表示為ψR(xi,yi)=Aexp{-i2πλsinα,xi}---(7)]]>而全息平面上總的波擾動(dòng)ψ(xi，yi)為ψ(xi，yi)＝ψ0(xi，yi)+ψR(shí)(xi，yi)(8)光強(qiáng)分布為I(xi,yi)=|ψ(xi,yi)|2]]>=I0{Q2(ω)+1+2Q(ω)cos[2πλφ(xi)]}---(9)]]>式中I0＝A2Q(ω)=1A12DC2(ω)+S2(ω)---(10)]]> 式中，C(ω)和S(ω)都是全息記錄平面坐標(biāo)xi的函數(shù)，對(duì)于不同的xi，C(ω)和S(ω)的值都可以由Fresnel考紐線求得。
方程(9)式以及(10)式給出了全息記錄平面上的光強(qiáng)分布，其干涉條紋之間的間距隨像平面坐標(biāo)xi的不同而變化。根據(jù)光強(qiáng)分布的極大條件，分別令 以及 同時(shí)考慮到，xi″2-xi′2≈2xi′(xi″-xi′)即可求得干涉條紋的間距為 當(dāng)Δ(x)＝(xi″-xi′)很小時(shí)，(ω′)≈(ω″)，于是方程(11)式可近似地表示為Δx=λn-1D(n-1)-Rxi+sinα---(12)]]>而干涉圖樣的空間頻率νx＝1/Δx為vx=n-1λ[D(n-1)-R]xi+1λsinα---(13)]]>當(dāng)柱面鏡邊緣的衍射效應(yīng)可以不計(jì)時(shí)，按照與前完全相同的方法可以證明，(13)式中的近似關(guān)系即成為確切相等。事實(shí)上，如果不考慮衍射效應(yīng)，(ω)就不再是全息記錄平面坐標(biāo)xi的函數(shù)，而是一個(gè)常量位相因子。
從方程(13)式可以看出，為了使干涉圖樣的空間頻率盡可能地高，要求入射波的波長λ盡可能地短，全息干涉儀中兩條光路之間的夾角α盡可能地大。另一方面，由于空間頻率νx隨條紋位置xi的變化規(guī)律為dvxdxi=n-1λ[D(n-1)-R]---(14)]]>因此，當(dāng)距離D、柱面鏡曲面的曲率半徑R和柱面鏡折射率n之間滿足(n-1)D≈R時(shí)，干涉圖樣的空間頻率νx將隨著xi的增加而迅速增大。
本發(fā)明的全息法制作變頻光柵裝置，其特點(diǎn)在于它由激光光源、擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡、分束器、反射鏡、柱面鏡和記錄介質(zhì)組成，其光路是激光光源發(fā)出的激光束經(jīng)望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束，進(jìn)入分束器，將光束一分為二，其反射光束經(jīng)柱面鏡由反射鏡反射到記錄介質(zhì)上，作為物波；透射光束經(jīng)反射鏡的反射也射到全息記錄介質(zhì)上，是參考波，物波和參考波相干形成的全息圖被記錄在記錄介質(zhì)上。
所述的柱面透鏡的曲面的曲率半徑R折射率n和柱面鏡的曲面的曲率半徑R折射率n和柱面鏡到全息記錄平面之間的距離D滿足關(guān)系式(n-1)D≈R所述的激光光源是一臺(tái)單模運(yùn)轉(zhuǎn)He-Ne激光器。
所述的望遠(yuǎn)鏡是一臺(tái)放大100倍的擴(kuò)束系統(tǒng)。
本發(fā)明與在先技術(shù)相比，有如下優(yōu)點(diǎn)1、光柵的空間頻率可以高達(dá)2000～3000線/mm，并可以變化。
2、光柵的空間頻率可以線性變化。
反射鏡4、5、6是全反鏡，從分束器3反射出來的光束Wb經(jīng)柱面鏡7到達(dá)反射鏡6反射到記錄介質(zhì)8上，作為物波，柱面鏡7半徑R＝15cm，柱面鏡7到全息記錄介質(zhì)之間的距離D＝69cm，柱面鏡的材料折射率n＝1.51。透過分束器3的光束Cb經(jīng)反射鏡4和5也反射到全息記錄介質(zhì)8上，是參考波，物波和參考波之間的夾角α＝17.3°。按全息制作光柵常規(guī)的方法，就可以獲得一塊變頻光柵。
從原則上講，采用這種方法可以制作各種頻率的光柵，例如在光路中插入一拋物面，就獲得另一種變頻光柵。
權(quán)利要求
1.一種全息法制作變頻光柵的裝置，其特點(diǎn)在于它由激光光源(1)、擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡(2)、分束器(3)、反射鏡(4、5、6)、柱面鏡(7)和記錄介質(zhì)(8)組成，其光路是激光光源(1)發(fā)出的激光束經(jīng)望遠(yuǎn)鏡(2)擴(kuò)束，進(jìn)入分束器(3)，將光束一分為二，其反射光束經(jīng)柱面鏡(7)由反射鏡(6)反射到記錄介質(zhì)(8)上，作為物波；透射光束經(jīng)反射鏡(4)和(5)的反射也射到全息記錄介質(zhì)(8)上，是參考波，物波和參考波相干形成的全息圖被記錄在記錄介質(zhì)(8)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全息法制作變頻光柵的裝置，其特點(diǎn)在于所述的柱面透鏡(7)的曲面的曲率半徑R折射率n和柱面鏡(7)的曲面的曲率半徑R折射率n和柱面鏡(7)到全息記錄平面之間的距離D滿足關(guān)系式(n-1)D～R
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全息法制作變頻光柵的裝置，其特點(diǎn)在于所述的激光光源(1)是一臺(tái)單模運(yùn)轉(zhuǎn)He-Ne激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全息法制作變頻光柵的裝置，其特點(diǎn)在于所述的望遠(yuǎn)鏡(2)是一臺(tái)放大100倍的擴(kuò)束系統(tǒng)。
全文摘要
一種全息法制作變頻光柵的裝置，其特點(diǎn)在于它由激光光源、擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡、分束器、反射鏡、柱面鏡和記錄介質(zhì)組成，其光路是激光光源發(fā)出的激光束經(jīng)望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束，進(jìn)入分束器，將光束一分為二，其反射光束經(jīng)柱面鏡由反射鏡反射到記錄介質(zhì)上，作為物波；透射光束經(jīng)反射鏡的反射也射到全息記錄介質(zhì)上，是參考波，物波和參考波相干形成的全息圖被記錄在記錄介質(zhì)上。利用本發(fā)明裝置制作的變頻光柵，光柵的空間頻率成線性變化，而且空間頻率可高達(dá)2000～3000線/mm。
文檔編號(hào)G03H1/00GK1438553SQ03115588
公開日2003年8月27日 申請(qǐng)日期2003年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月28日
發(fā)明者陳建文, 高鴻奕, 謝紅蘭, 徐至展, 熊詩圣 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所