基于双光束干涉的全息记录装置的设计与实现

任建文，陈 文，张 明

（浙江工业大学 理学院，浙江 杭州 310023）

1 引言

早在1948年就已经出现了全息技术［1］，1960年激光器的出现给全息术带来了新的生命.随着实时记录材料，如光折变晶体、有机和无机光致各向异性实时记录材料和性能优良的光聚合物材料的发展，以及与光电技术、计算机技术相结合，光全息术在科学技术上的应用也扩展到光纤通信、信息存储、全息显示、光学信息处理、集成光学、微光学、精密干涉测量和全息检测等各个领域［2-4］.因此，为了更好地普及和理解全息技术的基本原理，并促进全息技术及相关产业的发展，很多学校在本科学生实验中加入了相应的实验课题［5］.

目前本科全息实验的记录装置对干涉角度的调整非常麻烦，通常在两干涉光束的角度改变之后，需要对原有光路重新调整，并且其全息记录的角度也无法方便地精确测量.这已经不能适应当前全息技术的应用需求了.比如，在光通信领域，制作体全息波分复用器［6］、体全息光栅滤波器［7］和波导光栅滤波器［8］时，需要精确而且方便地控制干涉角度，从而获得不同的滤波波长；在全息存储领域［9］，也需要通过精确调整角度从而在光存储介质中记录下海量的光学信息.

本文基于传统的双光束干涉原理设计了全息记录装置，该装置能够精确地控制双光束的记录角度，同时在角度改变之后，也无需对原有光路进行大幅度的调整，大大减少了实验时间，提高了工作效率.

2 全息记录装置的设计

2.1 基本结构

本装置的设计如图1 所示，主要仪器包括：激光器、衰减器、分束镜、角度调节装置、扩束准直装置、光纤耦合器、物镜、塑料光纤等.

图1 全息记录装置示意图

实验的具体过程如下：从激光器出射的光先经过可调光衰减器（用以改变记录光光强），再通过分束镜将激光按一定比例分成2束.其中一束经分束镜反射后射入扩束准直装置，到达角度调节装置中的圆台上，即发生干涉处，这一路称之为固定干涉臂.另一束则沿原激光方向经物镜会聚后射入输入光纤耦合器中，经光纤传播后，再通过输出光纤耦合器，使光束近于准直射出，最后到达角度调节装置的圆台处发生干涉，这一路称之为可调干涉臂.其中可调干涉臂中的输出光纤耦合器与光纤相连，并且可以以角度调节装置的中心轴为转轴自由转动.通过转动输出光纤耦合器，即可改变双光束干涉的夹角；而且改变夹角后光束的原有状态（包括光束发散角、光斑大小、光强等）都保持不变，所以也无需重新调整其他部分的光路.同时，根据输出光纤耦合器在角度调节装置上的位置，可由角度调节装置圆台上的刻度直接读出两干涉光束的夹角.这与传统的全息记录方案相比，大大提高了实验的灵活性和便捷性，还能提高测量的精确度，减少工作量.

2.2 Zemax模拟与仿真

在图1所示的可调干涉臂中，考虑到光纤耦合时的损耗，可能会导致激光经过光纤后，只有很少一部分光射出，其光强不足以进行干涉.因此，利用Zemax软件对光纤耦合部分进行了仿真（如图2所示）.可以看到，激光经物镜耦合进光纤，再出射后，其发散角会变大；但是如果在光纤输出后加入相同规格的物镜，虽然光束仍然是发散的，但发散角明显变小，得到的光斑如图3所示.

根据以上得到的仿真结果，对实验装置进行进一步的完善.通过更换不同焦距的物镜，适当调整耦合装置，得到了符合要求的实验装置.

图2 Zemax仿真激光耦合进光纤与出射后的情况

图3 Zemax仿真得到的光斑图

3 全息记录装置的实现

3.1 实验装置

全息记录的实际装置如图4所示.

图4 全息记录装置实物图

实验中使用532nm 的微腔倍频Nd∶YAG连续激光器.衰减器是可调的，用于选择合适的记录光功率.扩束准直装置是反望远镜系统，用于扩大光束直径.使用光纤耦合装置的可调干涉臂中包括1对光纤耦合器和物镜以及一段直径为1mm 的塑料光纤，光纤耦合器用于将光耦合进（出）光纤.角度可调装置是带刻度的可旋转圆台，可调干涉臂中的输出光纤耦合器与可旋转的圆台连接在一起，通过旋转出射光纤耦合器来实现干涉角度的调整，同时可通过圆台上的刻度来准确读出干涉角度.固定干涉臂与圆台的零刻度对齐且固定不动.需要注意的是，由于激光耦合时存在损耗，应适当调节分束镜的角度，使射入光纤的光束光功率尽可能大.

3.2 实验结果与分析

在实际测试中，适当调节衰减器，使得激光输出功率为447.8 mW.经过分束镜后，直接射入固定干涉臂的光束光功率为137.4 mW，通过准直器后的光功率为59.6mW；射入可调干涉臂的光束光功率为185.6mW，耦合进光纤并经光纤传输后的功率为106.4 mW，最后经物镜准直进行干涉的光功率为26.2 mW.这样的功率分布已经能够满足全息实验的功率要求了.整个装置可调角度的范围是45°～180°（这是由于可调干涉臂与固定干涉臂的空间尺寸限制，无法靠得更近）.图1中双光束夹角为45°.干涉条纹间距Λ与记录光束的波长和两光束之间的角度有关［7］：

其中，λr是记录光束波长，2θ是两光束之间的夹角.因此，由式（1）计算得到，当2θ=45°时干涉条纹间距是695.091 5nm.

在进行全息实验时，得到的两干涉光束的光斑如图5 所示，这2 个光斑大小相近，直径约为1.50cm，满足全息实验所需的要求.

图5 干涉臂最终输出的光斑

4 结束语

本文设计了全息记录装置，该装置主要由固定干涉臂、可调干涉臂以及角度调节装置组成.通过转动可调干涉臂，能够在保持其他光路不变的情况下方便地改变双光束干涉的夹角，同时可由角度调节装置上的圆台刻度读出两干涉光束的夹角，实现精确测量角度.圆台可测量的角度范围为45°～180°.将这套装置应用于本科学生实验，能够简化实验操作步骤，提高实验效率，让学生更方便地了解和熟悉记录角度的变化对全息实验的影响.本实验装置可用于光通信、光存储、光计算、光显示等方面进行实时全息记录实验.

［1］耿涛，王彪，滕东东，等.体全息存储系统中的相关识别［J］.长春理工大学学报，2006，29（1）：35-37.

［2］龚勇清，何兴道.激光原理与全息技术［M］.北京：国防工业出版社，2010：71-73.

［3］王小怀.基于体全息技术的波分复用（WDM）器件研究［J］.应用光学，2006，27（4）：350-354.

［4］尤政，孙文泱，蓝强.波导全息指纹图像传感器实验研究［J］.清华大学学报（自然科学版），2001，41（11）：68-70.

［5］隋成华.大学基础物理实验教程［M］.北京：北京出版社，2007：264-266.

［6］An J W，Kim N，Lee K W.Volume holographic wavelength demultiplexer based on rotation multiplexing in the 90°geometry［J］.Optics Communications，2001，197（4／6）：247-254.

［7］Liu Dong，Wang Dayong，Tao Shiquan，et al.Improvement of the wavelength selectivity of volume holographic gratings for optical communication［J］.Journal of Optics A：Pure and Applied Optics，2009，11（6）：065404.

［8］Hukriede J，Runde D，Kip D.Fabrication and application of holographic Bragg gratings in lithium niobate channel waveguides［J］.Journal of Physics D：Applied Physics，2003，36（3）：R1-R16.

［9］Chen Hong-Shyuan，Lin Tzu-Wei，Liu Jung-Ping，et al.Holographic recording in LiNbO3using various polarized lights［J］.Optical Review，2009，16（3）：332-334.