全息光栅的制作及其参数的测量……这份实验报告的图能分享给我吗，谢谢，还有问一下，您最后是用第几种方

全息光栅的制作（实验报告）完美版(2009-10-12 23:25:34)转载

标签： 光栅 干片 发散镜 双缝 白屏 教育

设计性试验看似可怕，但实际 *** 作还是比较简单的~

我的实验报告，仅供参考~

实验报告封面

全息光栅的制作

一、实验任务

设计并制作全息光栅，并测出其光栅常数，要求所制作的光栅不少于每毫米100条。

二、实验要求

1、设计三种以上制作全息光栅的方法，并进行比较。

2、设计制作全息光栅的完整步骤（包括拍摄和冲洗中的参数及注意事项），拍摄出全息光栅。

3、给出所制作的全息光栅的光栅常数值，进行不确定度计算、误差分析并做实验小结。

三、实验的基本物理原理

1、光栅产生的原理

光栅也称衍射光栅，是利用多缝衍射原理使光发生色散(分解为光谱)的光学元件。它是一块刻有大量平行等宽、等距狭缝(刻线)的平面玻璃或金属片。光栅的狭缝数量很大，一般每毫米几十至几千条。单色平行光通过光栅每个缝的衍射和各缝间的干涉，形成暗条纹很宽、明条纹很细的图样，这些锐细而明亮的条纹称作谱线。谱线的位置随波长而异，当复色光通过光栅后，不同波长的谱线在不同的位置出现而形成光谱。光通过光栅形成光谱是单缝衍射和多缝干涉的共同结果（如图1）。

图1

2、测量光栅常数的方法：

用测量显微镜测量；

用分光计，根据光栅方程d·sin =k 来测量；

用衍射法测量。激光通过光栅衍射，在较远的屏上，测出零级和一级衍射光斑的间距△x及屏到光栅的距离L，则光栅常数d= L/△x。

四、实验的具体方案及比较

1、洛埃镜改进法：

基本物理原理：洛埃镜的特点是一部分直射光和另一部分反射镜的反射光进行干涉，如原始光束是平行光，则可增加一全反镜，同样可做到一部分直射光和一部分镜面反射光进行干涉，从而制作全息光栅。

优点：这种方法省去了制造双缝的步骤。

缺点：光源必须十分靠近平面镜。

实验原理图：

图2

2、杨氏双缝干涉法：

基本物理原理：S1，S2为完全相同的线光源，P是屏幕上任意一点，它与S1，S2连线的中垂线交点S'相距x，与S1，S2相距为rl、r2，双缝间距离为d，双缝到屏幕的距离为L。

因双缝间距d远小于缝到屏的距离L，P点处的光程差：

图3

δ=r2-r1=dsinθ=dtgθ=dx/L sinθ=tgθ

这是因为θ角度很小的时候，可以近似认为相等。

干涉明条纹的位置可由干涉极大条件δ=kλ得：

x=(L/d)kλ,

干涉暗条纹位置可由干涉极小条件δ=(k+1/2)λ得：

x=(D/d)(k+1/2)λ

明条纹之间、暗条纹之间距都是

Δx =λ(D/d)

因此干涉条纹是等距离分布的。

而且注意上面的公式都有波长参数在里面，波长越长，相差越大。

条纹形状：为一组与狭缝平行、等间隔的直线（干涉条纹特点）d= L/△x

优点：使用激光光源相干条件很容易满足。

缺点：所需的实验仪器较复杂，不易得到。

实验原理图：

图4

3、马赫—曾德干涉仪法：

基本物理原理：只要调节光路中的一面分光镜的方位角，就可以改变透射光和反射光的夹角，从而改变干涉条纹的间距。

优点：这种方法对光路的精确度要求不高，实验效果不错，易于学生 *** 作。

缺点：这种方法对光路的精确度要求不高，实验可能不够精确。

实验原理图：

图5

五、仪器的选择与配套

综合考虑各方面条件，本次试验采用马赫—曾德干涉仪法，所需的实验仪器有He-Ne激光发射器1架、发散镜1面、凸透镜1面、半反半透镜2面、全反镜2面和白屏、光阑各一、拍摄光栅用的干片若干、架子。

六、实验步骤

（一）制作全息光栅

1.打开He-Ne激光发射器，利用白屏使激光束平行于水平面。

2.调节发散镜和激光发射器的距离使激光发散。

3.调节凸透镜和发散镜的距离使之等于凸透镜的焦距，得到平行光。

4. 调节2面半反半透镜和2面全反镜的位置和高度，使它们摆成一个平行四边形（如图5）。

5.调节半反半透镜和全反镜上的微调旋钮，使得到的2个光斑等高，且间距为4-6cm。

6. 测出实验中光路的光程差△l。

（在实验中我们测得的光路的光程差△l=1.5cm）

（二）拍摄全息光栅

1.挡住激光束，把干片放在架子上，让激光束照射在干片上1-2秒，挡住激光束，把干片取下带到暗房中。

2.把干片泡在显影液中适当的时间（时间长度由显影液的浓度决定），取出，用清水冲洗，在泡在定影液中约5分钟。取出，冲洗后晾干。

3.用激光束检验冲洗好的干片，若能看见零级、一级的光斑，说明此干片可以用于测定光栅常数。

（三）测定所制光栅的光栅常数

实际图：

此图参照老师所给实验内容报告上的图来画

图6

原始数据表：

x

1

2

3

4

5

6

r（cm）

23.81

24.12

23.93

24.24

23.65

23.66

h（cm）

144.36

144.65

143.84

144.03

144.52

144.11

计算过程：

七、实验注意事项

1、不要正对着激光束观察，以免损坏眼睛。

2、半导体激光器工作电压为直流电压3V，应用专用220V/3V直流电源工作(该电源可避免接通电源瞬间电感效应产生高电压的功能)，以延长半导体激光器的工作寿命。

八、实验总结

设计型实验，原先并没有接触过。以前的实验，都是了解了书上介绍的实验原理后，严格按照书上的详细步骤来做的，不需要自己去思考和研究太多的东西。这一次准备设计型实验，让我锻炼了好多方面的能力。首先，书上给出的只有简单而概括的指导，所有的东西都要自己去查资料，去想办法解决。连试验究竟是怎么回事都不知道的情况下，要先去网上大概了解实验内容和原理，然后查阅相关文献，具体研究实验方案。尤其，这次的试验，需要我们自己提供三种以上的不同实验方案，进行细致比较之后选定一种。这就要求我们熟悉和掌握每种方案的原理、具体 *** 作步骤和对应的优点缺点，逐一分析比较之后，在将自己的选定方案展开。这一系列过程要花费大部分时间在图书馆，因为要在浩瀚的文献中找到自己需要的，对于我这个还没上完科技文献检索课的学生来说，真的有点困难。我的报告中，有一部分资料来源于互联网，然而网上的东西又不完全符合我的要求，修修改改，总算弄得差不多了。其实，自己明白了原理，按照自己预先设计好的方案进行实验，在具体 *** 作过程中，问题并不大，可以说，做让人费神的是预习时候的实验报告的书写。现在，实验已经基本做完，感觉收获却是很大。以后，对于设计型实验，也可以更熟练的进行了。

想说，在进行实验的全部过程中，科学和严谨的态度是最重要的，不可以在不明白的情况下进行试验，不可以在数据有问题的情况下继续试验，后期的实验数据处理，也要认真对待。

利用光栅滤波实现图像相加减设计实验

光学图像加减实验

摘要：

本实验利用正弦光栅滤波实现图像相加减的设计，用低通滤波器滤光，两列相干光，考虑相位和振幅。物光用一个E和一个F，只要改变光栅相对光轴的位置，就可以方便的改变他们的相位，从而可以获得图像的相加或相减的输出。

在医学，军事，农业，工业具有广泛的作用。

引言：

图像加减是相干光学处理中的一种基本的光学‐数学运算, 是图像识别的一种主要手段。其中比较感兴趣的是图像相减，因为通过相减可以求出两张相近照片的差异, 从中提取差异信息。例如：通过在不同时期拍摄的两张照片相减, 在医学上可用来发现病灶的变化在军事上可以发现地面军事设施的增减在农业上可以预测农作物的长势在工业上可以检查集成电路掩膜的疵病, 等等。还可用于地球资源探测、气象变化以及城市发展研究等各个领域。实现图像相减的方法很多, 本实验介绍利用正弦光栅作为空间滤波器实现图像相减的方法。

一．实验目的：

1 .采用正弦光栅作滤波器，对图像进行相加和相减实验，加深对空间滤波概念的理解；

2 .通过实验，加深对傅里叶光学相移定理和卷积定理的认知。

二．实验原理：

设正弦光栅的空间频率为f0 , 将其置于4 f 系统的滤波平面P2 上, 如图1 所示, 光栅的

复振幅透过率为:

式中，f 为傅里叶变换透镜的焦距； 表示光栅条纹的初位相，它决定了光栅相对于坐标原点的位置。

将图像A 和图像B 置于输入平面P1 上，且沿x1 方向相对于坐标原点对称放置，图像

中心与光轴的距离均为b。选择光栅的频率为f0，使得 , 以保证在滤波后两图像中A 的+ 1 级像和B 的- 1 级像能恰好在光轴处重合。于是, 输入场分布可写成:

在其频谱面P2 上的频谱为：

由于及，因此。上式可以写成

经过光栅滤波后的频谱为：

图1 光学图像加减原理图

通过透镜L2 进行傅立叶逆变换，在输出平面P3 上的光场为：



讨论：（1）当光栅条纹的初相位时，上式变为：

结果表面在输出平面P3 的光轴附近，实现了图像相加。

（2）当光栅条纹的初相位时，上式变为：

结果表面在输出平面P3 的光轴附近，实现了图像相减。

从相加状态转换到相减状态，光栅的横向位移量应等于1/4 周期，即满足：

因此，小心缓慢的横向水平移动光栅时，将在输出平面的光轴附近观察到图像A、B 交

替的相加相减的效果。

三．实验仪器介绍：

光学实验导轨 1000mm 1 根

半导体激光器(含电源) 635nm/3mW 1 台

加减图像+干板夹 1 套

一维光栅+干板夹 1 套

傅里叶透镜 2 套

毛玻璃 1 块

扩束镜 1 套

准直镜 1 套

滑块 6 个

一维位移架 1 个

二维位移架 1 个

四．实验步骤：

图2 实验系统框图

1、将半导体激光器放在光学实验导轨的一端，打开电源开关，调节二维调整架的两个旋扭，

使的从半导体激光器出射的激光光束平行于光学实验导轨。

2、在半导体激光器的前面放入扩束镜，调整扩束镜的高度和其上面的二维调节旋扭，使的

扩束镜与激光光束同轴等高。

3、在扩束镜的前面放入准直镜，调整准直镜的高度，使的准直镜与激光光束同轴等高。再

调整准直镜的位置，使的从准直镜出射的光束成近似平行光。

4、在准直镜的前面搭建4f 系统。保持两傅里叶透镜与激光光束同轴等高。如实验图所示。

5、在4f 系统的输入面上放入待加减图像且待加减图像装在一维位移架上，频谱面上放入

加减滤波器（一维光栅）且加减滤波器（一维光栅）装在二维位移架上，输出面上放入观察

屏（毛玻璃）。

6、通过旋转一维位移架上的旋扭，使的加减滤波器（一维光栅）发生位移，观察毛玻璃上

的图像的变化，直到在毛玻璃上出加减图像为止。

五、实验结果：

实验中得到光学相加图像如下：

得到光学相减图像如下：

参考资料：

[1] 苏显渝等.信息光学(第二版)[M]. 北京：科学出版社，2011.06.

[2] 谢敬辉，赵达尊，阎吉祥．物理光学教程[M]．北京：北京理工大学出版社，2005．

[3] 王正林，刘明．精通MATBAL7[M]．北京：电子工业出版社，2007．

[4] 张平等．MATLAB基础与应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2005．

[5]光学相干处理，光学图像微分与加减实验报告。

半导体激光器解析

半导体物理学的迅速发展及随之而来的晶体管的发明，使科学家们早在50年代就设想发明半导体激光器，60年代早期，很多小组竞相进行这方面的研究。在理论分析方面，以莫斯科列别捷夫物理研究所的尼古拉·巴索夫的工作最为杰出。在1962年7月召开的固体器件研究国际会议上，美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者克耶斯（Keyes）和奎斯特（Quist）报告了砷化镓材料的光发射现象，这引起通用电气研究实验室工程师哈尔（Hall）的极大兴趣，在会后回家的火车上他写下了有关数据。回到家后，哈尔立即制定了研制半导体激光器的计划，并与其他研究人员一道，经数周奋斗，他们的计划获得成功。像晶体二极管一样，半导体激光器也以材料的p-n结特性为基础，且外观亦与前者类似，因此，半导体激光器常被称为二极管激光器或激光二极管。早期的激光二极管有很多实际限制，例如，只能在77K低温下以微秒脉冲工作，过了8年多时间，才由贝尔实验室和列宁格勒（现在的圣彼得堡）约飞（Ioffe）物理研究所制造出能在室温下工作的连续器件。而足够可靠的半导体激光器则直到70年代中期才出现。半导体激光器体积非常小，最小的只有米粒那样大。工作波长依赖于激光材料，一般为0.6～1.55微米，由于多种应用的需要，更短波长的器件在发展中。据报导，以Ⅱ～Ⅳ价元素的化合物，如ZnSe为工作物质的激光器，低温下已得到0.46微米的输出，而波长0.50～0.51微米的室温连续器件输出功率已达10毫瓦以上。但迄今尚未实现商品化。光纤通信是半导体激光可预见的最重要的应用领域，一方面是世界范围的远距离海底光纤通信，另一方面则是各种地区网。后者包括高速计算机网、航空电子系统、卫生通讯网、高清晰度闭路电视网等。但就目前而言，激光唱机是这类器件的最大市场。其他应用包括高速打印、自由空间光通信、固体激光泵浦源、激光指示，及各种医疗应用等。晶体管利用一种称为半导体的材料的特殊性能。电流由运动的电子承载。普通的金属，如铜是电的好导体，因为它们的电子没有紧密的和原子核相连，很容易被一个正电荷吸引。其它的物体，例如橡胶，是绝缘体 --电的不良导体--因为它们的电子不能自由运动。半导体，正如它们的名字暗示的那样，处于两者之间，它们通常情况下象绝缘体，但是在某种条件下会导电。对半导体的早期研究集中在硅上，但硅本身不能发射激光。1948年贝尔实验室的William Schockley，Walter Brattain 和 John Bardeen 发明的晶体管。这一发明推动了对其它半导体裁的研究发展进程。它也为利用半导体中的发射激光奠定了概念性基础。1952年，德国西门子公司的 Heinrich Welker指出周期表第III和第V列之间的元素合成的半导体对电子装置有潜在的用途。其中之一，砷化镓或GaAs，它在寻找一种有效的通讯激光中扮演了重要角色。对砷化镓（GaAs）的研究涉及到三个方面的研究：高纯度晶体的叠层成长的研究，对缺陷和掺杂剂（对一种纯物质添加杂质，以改变其性能）的研究以及对热化合物稳定性的影响的分析。有了这些研究成果，通用电器，IBM和麻省理工大学林肯实验室的研究小组在1962年研制出砷化镓（GaAs）激光发生器。但是有一个老问题始终悬而未决：过热。使用单一半导体，（通常是GaAs）的激光发生器效率不是很高。它们仍需大量的电来激发激光作用，而在正常的室温下，这些电很快就使它们过热。只有脉冲 *** 作才有可能避免过热（脉冲 *** 作：电路或设备在能源以脉冲方式提供时的工作方式），可是通过这种工作方式不能通讯传输。科学家们尝试了各种方法来驱热一例如把激光发生器放在其它好的热导体材料上，但是都没成功。然后在 1963年，克罗拉多大学的Herbert Kroemer提出了一种不同的的方式--制造一个由半导体"三明治"组成的激光发生器，即把一个薄薄的活跃层嵌在两条材料不同的板之间。把激光作用限制在薄的活跃层里只需要很少的电流，并会使热输出量保吃持在可控范围之内。这样一种激光发生器不是只靠象把奶酪夹在两片面包那样，简单地塞进一个活跃层就能制造出来的。半导体晶体中的原子以点阵的方式排列，由电子组成化学键。要想制造出一个在两个原子之间有必要电子键连接的多层半导体，这个装置必须是由一元半导体单元组成，我们称之为多层晶体。 1967年，贝尔实验室的研究员Morton Panish 和 Izuo Hayashi 提出了用GaAs的修改型--即其中几个铝原子代替一些镓，一种称为"掺杂"的过程-- 来创造一种合适的多层晶体的可能性的建议。这种修改型的化合物，AlGaAs, 的原子间隔和GaAs相差不到1000分之一。研究人员提出，把 AlGaAs种植在GaAs 薄层的任何一边，它都会把所有的激光作用限制在GaAs层内。在他们面前，还要有几年的工作，但是通向"不间断状态" 激光发生器-在室温下仍能持续工作的微型半导体装置-的大门已经敞开了。还有一个障碍：怎样发射跨过长距离的光信号。长波无线电波可以很容易穿透浓雾和大雨，在空气中自由传播，但是短波激光会被空气中的水蒸气和其它颗粒反射回来，以至于不是被分散就是被阻挡住。一个多雾的天气会使激光通讯联络终断，因此光需要一个类似于电话线的导管。

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