基于雙光束干涉的全息記錄裝置的設計與實現

任建文，陳 文，張 明

（浙江工業大學 理學院，浙江 杭州 310023）

1 引言

早在1948年就已經出現了全息技術［1］，1960年激光器的出現給全息術帶來了新的生命.隨著實時記錄材料，如光折變晶體、有機和無機光致各向異性實時記錄材料和性能優良的光聚合物材料的發展，以及與光電技術、計算機技術相結合，光全息術在科學技術上的應用也擴展到光纖通信、信息存儲、全息顯示、光學信息處理、集成光學、微光學、精密干涉測量和全息檢測等各個領域［2-4］.因此，為了更好地普及和理解全息技術的基本原理，并促進全息技術及相關產業的發展，很多學校在本科學生實驗中加入了相應的實驗課題［5］.

目前本科全息實驗的記錄裝置對干涉角度的調整非常麻煩，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整，并且其全息記錄的角度也無法方便地精確測量.這已經不能適應當前全息技術的應用需求了.比如，在光通信領域，制作體全息波分復用器［6］、體全息光柵濾波器［7］和波導光柵濾波器［8］時，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；在全息存儲領域［9］，也需要通過精確調整角度從而在光存儲介質中記錄下海量的光學信息.

本文基于傳統的雙光束干涉原理設計了全息記錄裝置，該裝置能夠精確地控制雙光束的記錄角度，同時在角度改變之后，也無需對原有光路進行大幅度的調整，大大減少了實驗時間，提高了工作效率.

2 全息記錄裝置的設計

2.1 基本結構

本裝置的設計如圖1 所示，主要儀器包括：激光器、衰減器、分束鏡、角度調節裝置、擴束準直裝置、光纖耦合器、物鏡、塑料光纖等.

圖1 全息記錄裝置示意圖

實驗的具體過程如下：從激光器出射的光先經過可調光衰減器（用以改變記錄光光強），再通過分束鏡將激光按一定比例分成2束.其中一束經分束鏡反射后射入擴束準直裝置，到達角度調節裝置中的圓臺上，即發生干涉處，這一路稱之為固定干涉臂.另一束則沿原激光方向經物鏡會聚后射入輸入光纖耦合器中，經光纖傳播后，再通過輸出光纖耦合器，使光束近于準直射出，最后到達角度調節裝置的圓臺處發生干涉，這一路稱之為可調干涉臂.其中可調干涉臂中的輸出光纖耦合器與光纖相連，并且可以以角度調節裝置的中心軸為轉軸自由轉動.通過轉動輸出光纖耦合器，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（包括光束發散角、光斑大小、光強等）都保持不變，所以也無需重新調整其他部分的光路.同時，根據輸出光纖耦合器在角度調節裝置上的位置，可由角度調節裝置圓臺上的刻度直接讀出兩干涉光束的夾角.這與傳統的全息記錄方案相比，大大提高了實驗的靈活性和便捷性，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所示的可調干涉臂中，考慮到光纖耦合時的損耗，可能會導致激光經過光纖后，只有很少一部分光射出，其光強不足以進行干涉.因此，利用Zemax軟件對光纖耦合部分進行了仿真（如圖2所示）.可以看到，激光經物鏡耦合進光纖，再出射后，其發散角會變大；但是如果在光纖輸出后加入相同規格的物鏡，雖然光束仍然是發散的，但發散角明顯變小，得到的光斑如圖3所示.

根據以上得到的仿真結果，對實驗裝置進行進一步的完善.通過更換不同焦距的物鏡，適當調整耦合裝置，得到了符合要求的實驗裝置.

圖2 Zemax仿真激光耦合進光纖與出射后的情況

圖3 Zemax仿真得到的光斑圖

3 全息記錄裝置的實現

3.1 實驗裝置

全息記錄的實際裝置如圖4所示.

圖4 全息記錄裝置實物圖

實驗中使用532nm 的微腔倍頻Nd∶YAG連續激光器.衰減器是可調的，用于選擇合適的記錄光功率.擴束準直裝置是反望遠鏡系統，用于擴大光束直徑.使用光纖耦合裝置的可調干涉臂中包括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（出）光纖.角度可調裝置是帶刻度的可旋轉圓臺，可調干涉臂中的輸出光纖耦合器與可旋轉的圓臺連接在一起，通過旋轉出射光纖耦合器來實現干涉角度的調整，同時可通過圓臺上的刻度來準確讀出干涉角度.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，由于激光耦合時存在損耗，應適當調節分束鏡的角度，使射入光纖的光束光功率盡可能大.

3.2 實驗結果與分析

在實際測試中，適當調節衰減器，使得激光輸出功率為447.8 mW.經過分束鏡后，直接射入固定干涉臂的光束光功率為137.4 mW，通過準直器后的光功率為59.6mW；射入可調干涉臂的光束光功率為185.6mW，耦合進光纖并經光纖傳輸后的功率為106.4 mW，最后經物鏡準直進行干涉的光功率為26.2 mW.這樣的功率分布已經能夠滿足全息實驗的功率要求了.整個裝置可調角度的范圍是45°～180°（這是由于可調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［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）計算得到，當2θ=45°時干涉條紋間距是695.091 5nm.

在進行全息實驗時，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，滿足全息實驗所需的要求.

圖5 干涉臂最終輸出的光斑

4 結束語

本文設計了全息記錄裝置，該裝置主要由固定干涉臂、可調干涉臂以及角度調節裝置組成.通過轉動可調干涉臂，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，同時可由角度調節裝置上的圓臺刻度讀出兩干涉光束的夾角，實現精確測量角度.圓臺可測量的角度范圍為45°～180°.將這套裝置應用于本科學生實驗，能夠簡化實驗操作步驟，提高實驗效率，讓學生更方便地了解和熟悉記錄角度的變化對全息實驗的影響.本實驗裝置可用于光通信、光存儲、光計算、光顯示等方面進行實時全息記錄實驗.

［1］耿濤，王彪，滕東東，等.體全息存儲系統中的相關識別［J］.長春理工大學學報，2006，29（1）：35-37.

［2］龔勇清，何興道.激光原理與全息技術［M］.北京：國防工業出版社，2010：71-73.

［3］王小懷.基于體全息技術的波分復用（WDM）器件研究［J］.應用光學，2006，27（4）：350-354.

［4］尤政，孫文泱，藍強.波導全息指紋圖像傳感器實驗研究［J］.清華大學學報（自然科學版），2001，41（11）：68-70.

［5］隋成華.大學基礎物理實驗教程［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.