光栅是一种利用光的衍射原理使得光波发生色散的光学元件，大量应用于光栅光谱仪、光通信、光互联、耦合器、偏转器、滤波器等[1-2]。相比于用金刚石刻刀在精制的平行平面的光学玻璃上刻划而成刻划光栅，利用全息干板将光的干涉条纹记录下来的全息光栅具有无*线、杂散光少、分辨率高、有效孔径大、生产效率高、价格便宜等优点，目前已广泛应用于光谱研究、光学精密测量和光波调制等方面[1-2]。由于全息光栅的制作实验结合了光的干涉和衍射内容，国内不少高校已经在全息照相实验的基础上，把全息光栅的制作实验作为一个综合性设计性实验进行开设[3-6]。
马赫-曾德干涉仪光路或者迈克尔逊干涉仪光路是全息光栅制作实验教学中最常用的光路[7-10]。学生通过搭建上述分振幅光路，将两束相干平行光成一定角度相交叠，在两束光相交叠的区域将形成干涉条纹。然后用特定的全息干版置于光束交叠区域进行曝光，将干涉条纹记录下来。曝光后的全息干版再拿到暗室中进行冲洗，即通过配置特定的显影液和定影液，对曝光后的全息干版分别进行显影、定影，最后得到全息光栅。上述实验中，由于干涉条纹的记录是利用全息干版感光材料的光化学反应，同时曝光后的全息干版必须通过配置特定的显影和定影溶液进行处理，因此实验过程中涉及诸如光学实验室全息干版曝光时的避光、全息干版耗材的切割准备、底片冲洗暗室的准备、化学溶液的配制以及废液的处理等基本要求。如何在保证学生掌握光学实验基本技能的前提下(如干涉光路的搭建、干涉条纹的记录、光栅衍射的观察测量等)高效率地完成实验，避免一些实验条件、耗材成本以及环保要求上的限制?我们结合科研融入教学、科研反哺教学的思路，利用我们的课题研究内容，在传统全息光栅制作实验的教学中，提出一种利用光敏染料分子介质作为干涉条纹记录介质的方法，在实验教学中进行了初步尝试，获得良好效果。
1实验原理及内容介绍我们选用的是一种很常见的分散红13(DR13)偶氮染料，利用它可以很方便地在有机玻璃基体中利用主客掺杂方式得到十几微米厚度的薄膜样品。大量的实验表明，样品中的这种偶氮染料分子在特定波长(如nm)线偏振光作用下，会通过Trans-Cis-Trans(反式-顺式-反式)异构化循环，如图1所示，最后趋于与照射光偏振方向垂直的取向[11-13]。而这种偏振敏感的光致异构分子取向将导致原来光学各向同性的样品出现光致光学各向异性，如图2所示。
基于光敏分散红13(DR13)偶氮染料分子光致取向机制的全息光栅制作光路与传统的全息光栅制作光路基本相同，如图3所示。不同的地方在于一是两者使用的全息记录波长不同。由于传统全息光栅制作实验用的是对红光敏感的银盐类感光材料，所以用的是氦氖激光器光源；而分散红13偶氮染料分子对绿光敏感，我们使用的是nm线偏振光输出半导体绿光激光器(购自长春新产业光电技术有限公司)。光路的第二个不同是相对于传统全息光栅制作光路，新的实验光路中增加了全息光栅的观测光路，见图3(b)中的氦氖激光器。光路的第三个不同是传统的全息光栅记录实验的两束记录光需要扩束以增加记录面积，而新的实验光路的两束记录光直接照射样品，不需要扩束。最后一个不同是记录介质的不同，图3(a)的传统光路用的是银盐类全息照相干版，图3(b)用的是DR13染料分子掺杂样品。
根据图3光路中两束记录光在样品表面交迭形成的光程差，两束干涉光的相位调制以光强的空间周期分布方式被记录，在感光底片或染料样品表面形成亮暗周期分布的光强分布，如图4(a)所示。由于传统的银盐类感光材料只能记录光强的分布，所以干涉条纹在图3(a)的光路中被直接通过感光材料的光化学反应记录下来。在干涉光场中，亮条纹区域总光场的偏振方向均为线偏振且与原偏振方向相同如图4(b)所示，图中用细线方向代表偏振方向，细线的密度分布代表光强的分布。根据偶氮染料DR13的光学特性，在光照区内，DR13分子主要是产生平面内(平行于样品表面)取向，分子取向将趋于垂直于记录光的偏振方向如图4(c)所示。由于样品未被光照时，样品中的DR13分子的取向是随机无序的，样品表现为光学各向同性，若此时样品的折射率设为n0，那么当记录光开启后，在光照区样品中的DR13分子产生有序取向，必然导致该光照区折射率的改变，设此时该光照区域的折射率为n1；而在干涉条纹暗区，DR13分子仍保持为无序取向，折射率仍为n0(光学各向同性时样品的折射率)。这样，记录光在DR13样品中则形成了折射率周期分布，如图4(c)所示，也就是记录了一个与光强相对应的全息光栅。这种光栅的周期与双光束干涉形成的光强分布是一致的，其依赖于双光束干涉时的夹角。
2与传统全息光栅制作实验的比较相比较于传统的全息光栅制作实验，我们利用分散红13光敏染料分子的光致异构取向机制在样品中实现瞬态全息光栅记录的实验具有如下几个方面的优点：
(1)样品来源。传统全息光栅制作实验利用的是银盐类感光材料，购自专业公司(我们使用的是购自天津市津感感光材料销售有限公司的全息-Ⅰ型全息干版)，同时需要自行切割准备，如图5(a)所示。基于分散红13偶氮染料分子光致取向机制的全息光栅制作实验中用到的样品，是直接在有机玻璃基体主客掺杂DR13，在通过旋涂到玻璃基底上，如图5(b)所示，可在专业实验室自行大量制备，成本很低；
(2)曝光过程。传统全息光栅制作实验曝光过程需要避光条件；基于分散红13偶氮染料分子光致取向机制的全息光栅制作实验不需要避光，在正常照明实验室即可进行。
(3)底片的冲洗。传统全息光栅制作实验底片冲洗需要暗室，以及相应的显影液和定影液；基于分散红13偶氮染料分子光致取向机制的全息光栅制作实验样品不需要这一步骤。
(4)全息光栅的检测。传统全息光栅制作实验获得全息光栅后，需要另外搭建光路对其进行观察检测，如图6(a)所示，只有观察到光栅的衍射现象才能确认实验是否成功；基于分散红13偶氮染料分子光致取向机制的全息光栅结构是否存在，只要在原光路中开启图3(b)中的氦氖激光照射两束记录光的交叠区域，当看到探测光的衍射光斑即可确认光栅结构的存在，如图6(b)所示。
在新的光栅制作实验中，我们可以利用记录光路的相关参数估算能够得到的干涉条纹的间距，也就是能够记录得到的光栅常数，如图7(a)所示。根据图中参数，干涉条纹的间距为d=考虑小角度近似，θ很小，有实验中记录光波长为nm，L=.0cm，Δx=20.0cm，计算干涉条纹间距d=4.02×10-6m。在样品中获得折射率光栅后，我们又利用图7(b)所示光路，利用探测光对样品中的光栅常数进行测量。根据图中参数，利用光栅方程，考虑小角度近似，有测量中探测光波长为.8nm，L′=40.0cm，D=12.7cm，计算得到光栅常数d′=3.99×10-6m。估算的干涉条纹间距d与测量得到的光栅常数d′相符得较好。
(5)样品回收。传统全息光栅制作实验中所用的银盐类感光底片都是一次性的，曝光后即报废；基于分散红13偶氮染料分子光致取向机制的全息光栅制作实验中，我们在样品中记录的是一种瞬态全息光栅，即当我们的记录光关闭后，该瞬态光栅即自行消失，样品可以重复使用。我们用一斩波器调制记录光，把探测光的其中一级衍射光入射到探测器并与数字示波器相连得到瞬态全息光栅一级衍射光强的变化，结果如图8所示。说明在记录光开启或者关闭后，瞬态全息光栅可以毫秒量级的时间内建立和消失。根据我们研究课题组的记录，在有机玻璃基体主客掺杂DR13染料，经过10年后其光敏活性仍可保留。
(6)环境影响。传统全息光栅制作实验中所用的银盐类感光底片的冲洗需要用的自行配置的显影液和定影液，这些化学废液对环境有影响，每学期结束后需要对这些化学溶液进行专门收集回收，而新学期开始前则需要重新配制。基于分散红13偶氮染料分子光致取向机制的全息光栅制作实验过程不涉及到这些环保问题。
3结论在本文中，我们结合课题组研究结果，对大学物理实验教学中的全息光栅制作实验进行了拓展。传统的全息光栅制作利用了全息干版中的光敏材料的不可逆的光化学反应，而在本文中我们利用一种光敏染料分子的光致异构取向机制来记录干涉光强的分布。我们通过这种光敏染料分子的光致异构取向机制在样品中产生瞬态全息光栅。相比于传统的全息光栅制作实验，我们提出的这种全息光栅制作方式，光化学记录机理直观，样品可重复利用、制作过程绿色环保、光栅常数可在原光路实时测量等优点，对传统实验教学是一种有益的补充。这种利用科研融入教学、反哺教学的尝试，有利于提高学生的实验兴趣，拓展学生的专业知识，提高学生创新实验能力。
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基金项目：华东理工大学年度实验实践教学改革与建设立项(BK)；华东理工大学年本科教育教学方法改革“突出传感技术应用的物理实验课程教学体系建设”研究项目；年度上海市重点课程《光电子技术》课程建设项目(YK)；上海市年度大学生创新实验项目。
作者简介：朱江转，女，华东理工大学实验师，主要从事物理实验教学研究工作，研究方向为光学，jzzhu
cust.edu.cn。通讯作者：罗锻斌，男，华东理工大学副教授，主要从事复杂光场相关方面以及物理实验教学研究，dbluo
ecust.edu.cn。引文格式：朱江转，马梦姿，杨伟雪，等.基于光敏染料分子光致取向机制的全息光栅制作实验[J].物理与工程，，30(5)：-.
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