基于雙光束干涉的全息記錄裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

任建文，陳 文，張 明

（浙江工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，浙江 杭州 310023）

1 引言

早在1948年就已經(jīng)出現(xiàn)了全息技術(shù)［1］，1960年激光器的出現(xiàn)給全息術(shù)帶來了新的生命.隨著實(shí)時(shí)記錄材料，如光折變晶體、有機(jī)和無機(jī)光致各向異性實(shí)時(shí)記錄材料和性能優(yōu)良的光聚合物材料的發(fā)展，以及與光電技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，光全息術(shù)在科學(xué)技術(shù)上的應(yīng)用也擴(kuò)展到光纖通信、信息存儲、全息顯示、光學(xué)信息處理、集成光學(xué)、微光學(xué)、精密干涉測量和全息檢測等各個領(lǐng)域［2-4］.因此，為了更好地普及和理解全息技術(shù)的基本原理，并促進(jìn)全息技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，很多學(xué)校在本科學(xué)生實(shí)驗(yàn)中加入了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課題［5］.

目前本科全息實(shí)驗(yàn)的記錄裝置對干涉角度的調(diào)整非常麻煩，通常在兩干涉光束的角度改變之后，需要對原有光路重新調(diào)整，并且其全息記錄的角度也無法方便地精確測量.這已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前全息技術(shù)的應(yīng)用需求了.比如，在光通信領(lǐng)域，制作體全息波分復(fù)用器［6］、體全息光柵濾波器［7］和波導(dǎo)光柵濾波器［8］時(shí)，需要精確而且方便地控制干涉角度，從而獲得不同的濾波波長；在全息存儲領(lǐng)域［9］，也需要通過精確調(diào)整角度從而在光存儲介質(zhì)中記錄下海量的光學(xué)信息.

本文基于傳統(tǒng)的雙光束干涉原理設(shè)計(jì)了全息記錄裝置，該裝置能夠精確地控制雙光束的記錄角度，同時(shí)在角度改變之后，也無需對原有光路進(jìn)行大幅度的調(diào)整，大大減少了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高了工作效率.

2 全息記錄裝置的設(shè)計(jì)

2.1 基本結(jié)構(gòu)

本裝置的設(shè)計(jì)如圖1 所示，主要儀器包括：激光器、衰減器、分束鏡、角度調(diào)節(jié)裝置、擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置、光纖耦合器、物鏡、塑料光纖等.

圖1 全息記錄裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)的具體過程如下：從激光器出射的光先經(jīng)過可調(diào)光衰減器（用以改變記錄光光強(qiáng)），再通過分束鏡將激光按一定比例分成2束.其中一束經(jīng)分束鏡反射后射入擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置，到達(dá)角度調(diào)節(jié)裝置中的圓臺上，即發(fā)生干涉處，這一路稱之為固定干涉臂.另一束則沿原激光方向經(jīng)物鏡會聚后射入輸入光纖耦合器中，經(jīng)光纖傳播后，再通過輸出光纖耦合器，使光束近于準(zhǔn)直射出，最后到達(dá)角度調(diào)節(jié)裝置的圓臺處發(fā)生干涉，這一路稱之為可調(diào)干涉臂.其中可調(diào)干涉臂中的輸出光纖耦合器與光纖相連，并且可以以角度調(diào)節(jié)裝置的中心軸為轉(zhuǎn)軸自由轉(zhuǎn)動.通過轉(zhuǎn)動輸出光纖耦合器，即可改變雙光束干涉的夾角；而且改變夾角后光束的原有狀態(tài)（包括光束發(fā)散角、光斑大小、光強(qiáng)等）都保持不變，所以也無需重新調(diào)整其他部分的光路.同時(shí)，根據(jù)輸出光纖耦合器在角度調(diào)節(jié)裝置上的位置，可由角度調(diào)節(jié)裝置圓臺上的刻度直接讀出兩干涉光束的夾角.這與傳統(tǒng)的全息記錄方案相比，大大提高了實(shí)驗(yàn)的靈活性和便捷性，還能提高測量的精確度，減少工作量.

2.2 Zemax模擬與仿真

在圖1所示的可調(diào)干涉臂中，考慮到光纖耦合時(shí)的損耗，可能會導(dǎo)致激光經(jīng)過光纖后，只有很少一部分光射出，其光強(qiáng)不足以進(jìn)行干涉.因此，利用Zemax軟件對光纖耦合部分進(jìn)行了仿真（如圖2所示）.可以看到，激光經(jīng)物鏡耦合進(jìn)光纖，再出射后，其發(fā)散角會變大；但是如果在光纖輸出后加入相同規(guī)格的物鏡，雖然光束仍然是發(fā)散的，但發(fā)散角明顯變小，得到的光斑如圖3所示.

根據(jù)以上得到的仿真結(jié)果，對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行進(jìn)一步的完善.通過更換不同焦距的物鏡，適當(dāng)調(diào)整耦合裝置，得到了符合要求的實(shí)驗(yàn)裝置.

圖2 Zemax仿真激光耦合進(jìn)光纖與出射后的情況

圖3 Zemax仿真得到的光斑圖

3 全息記錄裝置的實(shí)現(xiàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

全息記錄的實(shí)際裝置如圖4所示.

圖4 全息記錄裝置實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)中使用532nm 的微腔倍頻Nd∶YAG連續(xù)激光器.衰減器是可調(diào)的，用于選擇合適的記錄光功率.擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置是反望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，用于擴(kuò)大光束直徑.使用光纖耦合裝置的可調(diào)干涉臂中包括1對光纖耦合器和物鏡以及一段直徑為1mm 的塑料光纖，光纖耦合器用于將光耦合進(jìn)（出）光纖.角度可調(diào)裝置是帶刻度的可旋轉(zhuǎn)圓臺，可調(diào)干涉臂中的輸出光纖耦合器與可旋轉(zhuǎn)的圓臺連接在一起，通過旋轉(zhuǎn)出射光纖耦合器來實(shí)現(xiàn)干涉角度的調(diào)整，同時(shí)可通過圓臺上的刻度來準(zhǔn)確讀出干涉角度.固定干涉臂與圓臺的零刻度對齊且固定不動.需要注意的是，由于激光耦合時(shí)存在損耗，應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)分束鏡的角度，使射入光纖的光束光功率盡可能大.

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在實(shí)際測試中，適當(dāng)調(diào)節(jié)衰減器，使得激光輸出功率為447.8 mW.經(jīng)過分束鏡后，直接射入固定干涉臂的光束光功率為137.4 mW，通過準(zhǔn)直器后的光功率為59.6mW；射入可調(diào)干涉臂的光束光功率為185.6mW，耦合進(jìn)光纖并經(jīng)光纖傳輸后的功率為106.4 mW，最后經(jīng)物鏡準(zhǔn)直進(jìn)行干涉的光功率為26.2 mW.這樣的功率分布已經(jīng)能夠滿足全息實(shí)驗(yàn)的功率要求了.整個裝置可調(diào)角度的范圍是45°～180°（這是由于可調(diào)干涉臂與固定干涉臂的空間尺寸限制，無法靠得更近）.圖1中雙光束夾角為45°.干涉條紋間距Λ與記錄光束的波長和兩光束之間的角度有關(guān)［7］：

其中，λr是記錄光束波長，2θ是兩光束之間的夾角.因此，由式（1）計(jì)算得到，當(dāng)2θ=45°時(shí)干涉條紋間距是695.091 5nm.

在進(jìn)行全息實(shí)驗(yàn)時(shí)，得到的兩干涉光束的光斑如圖5 所示，這2 個光斑大小相近，直徑約為1.50cm，滿足全息實(shí)驗(yàn)所需的要求.

圖5 干涉臂最終輸出的光斑

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了全息記錄裝置，該裝置主要由固定干涉臂、可調(diào)干涉臂以及角度調(diào)節(jié)裝置組成.通過轉(zhuǎn)動可調(diào)干涉臂，能夠在保持其他光路不變的情況下方便地改變雙光束干涉的夾角，同時(shí)可由角度調(diào)節(jié)裝置上的圓臺刻度讀出兩干涉光束的夾角，實(shí)現(xiàn)精確測量角度.圓臺可測量的角度范圍為45°～180°.將這套裝置應(yīng)用于本科學(xué)生實(shí)驗(yàn)，能夠簡化實(shí)驗(yàn)操作步驟，提高實(shí)驗(yàn)效率，讓學(xué)生更方便地了解和熟悉記錄角度的變化對全息實(shí)驗(yàn)的影響.本實(shí)驗(yàn)裝置可用于光通信、光存儲、光計(jì)算、光顯示等方面進(jìn)行實(shí)時(shí)全息記錄實(shí)驗(yàn).

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