高效率复合同轴全息透镜的研制

　　引 言

　　全息光学元件(HOE)是现代光学元件的一个重要组成部分。它是一种基于光的衍射和干涉效应，在感光薄膜材料上制成的薄膜光学元件，因其重量轻、复制容易、成本低、生产周期短等特点和特殊的光学特性，在军事、航天、测试、艺术、商业等方面有着独特的应用[1-3]。

　　但全息光学元件的像差和色散极大地限制了它的应用。其中全息光学元件的色散目前尚无很好的解决办法，通常采用同轴全息透镜的方法消除横向色差，但无法克服纵向色差，所以目前全息透镜绝大部分应用于单色光(离轴全息透镜)或窄带光(同轴全息透镜)场合。由于高衍射效率的全息记录材料大部分在蓝绿光区，当使用波长和记录波长不相同时全息透镜的像差非常大，许多学者已在这方面开展过大量研究工作[4-7]，其中非常有意义的是在布喇格条件下的消像差工作。用单片同轴全息透镜作为成像器件[8]，由于中心部分条纹密度很低，全息记录介质的体效应不明显，衍射效率很小。采用两片相互共轭的离轴 HOE复合制作同轴全息透镜，衍射效率高，但只适合于记录波长与再现波长相同的情况[9]，当记录波长与再现波长不-致时，衍射效率较低，像差较大。用衍折射混合系统进行消色差设计，但其前级全息透镜需要解决衍射效率和像差随着波长变化的问题[10-13]。

　　针对上述情况，本文提出一种用双片离轴 HOE复合制作全息透镜的方法。用四束球面波记录，并让使用条件(取中心光线)与布喇格条件相一致，以解决衍射效率和消像差问题。本文通过消复合全息透镜的三级像差，并且对记录参数进行进一步优化消除高级像差，设计出一种可在一个波长下记录(如514.5nm)，并能适合任意给定再现波长(如 632.8nm)的窄带光场合的，像差较小、效率高的复合同轴全息透镜。

　　1 光路设计原理

　　1.1 由布喇格条件确定物光和参考光中心光线入射角

　　复合同轴全息透镜的记录和再现光路如图1 所示。在图1 中，HOE1 再现时取正一级，其衍射光作为HOE2 的再现光，HOE2 的衍射光取负一级。

　　1.2 消三级像差设计

　　采用两片全息元件，可有效相互补偿单片全息元件所产生的像差。单片HOE的波像差[14]可表示为

　　1.3 优化设计

　　上述计算中仅仅考虑了 HOE的三级像差，但是对于大焦比的情况还必须考虑高级像差。下面还要对记录的参数进行进一步优化，如图2所示。

　　2 实例计算及点列图分析

　　2.1 实例计算

　　设计一个全息透镜对无穷远物体成像，通光孔径 D = 30mm，f = 120mm，记录波长再现波长 2= 632.8nm。采用高衍射效率、低噪声的重铬酸盐明胶作为记录介质。中心条纹密度的选取会对衍射效率和像差产生影响，即密度高，衍射效率会增加，但像差也会增加。同时还要考虑现实可行性，物光和参考光之间的夹角过小，记录时容易出现挡光现象。根据实际情况，选取中心条纹间距d1= (1/680)mm，折射率 n =1.52, 这时可以求出：