光电测量系统设计报告材料.docx

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光电测量系统设计报告材料

光电测量系统设计报告

一、干涉的基本原理

干涉现象是波动独有的特征，如果光真的是一种波，就必然会观察到光的干涉现象．1801年，英国物理学家托马斯·杨（1773—1829）在实验室里成功地观察到了光的干涉．两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。

由一般光源获得一组相干光波的办法是，借助于一定的光学装置（干涉装置）将一个光源发出的光波（源波）分为若干个波。

由于这些波来自同一源波，所以，当源波的初位相改变时，各成员波的初位相都随之作相同的改变，从而它们之间的位相差保持不变。

同时，各成员波的偏振方向亦与源波一致，因而在考察点它们的偏振方向也大体相同。

一般的干涉装置又可使各成员波的振幅不太悬殊。

于是，当光源发出单一频率的光时，上述四个条件皆能满足，从而出现干涉现象。

当光源发出许多频率成分时，每一单频成分（对应于一定的颜色）会产生相应的一组条纹，这些条纹交叠起来就呈现彩色条纹。

1、劈尖的等厚干涉测细丝直径 

见图7.2.1-2，两片叠在一起的玻璃片，在它们的一端夹一直径待测的细丝，于是两玻璃片之间形成一空气劈尖。

当用单色光垂直照射时，如前所述，会产生干涉现象。

因为程差相等的地方是平行于两玻璃片交线的直线，所以等厚干涉条纹是一组明暗相间、平行于交线的直线。

设入射光波为λ，则第m级暗纹处空气劈尖的厚度

由上式可知，m=0时，d=0，即在两玻璃片交线处，为零级暗条纹。

如果在细丝处呈现m=N级条纹，则待测细丝直径

具体测量时，常用劈尖盒，盒内装有两片叠在一起玻璃片，在它们的一端夹一细丝，于是两玻璃片之间形成一空气劈尖，见图7.2.1-2。

使用时木盒切勿倒置或将玻璃片倒出，以免细丝位置变动，给测量带来误差。

2、利用干涉条纹检验光学表面面形 

检查光学平面的方法通常是将光学样板（平面平晶）放在被测平面之上，在样板的标准平面与待测平面之间形成一个空气薄膜。

当单色光垂直照射时，通过观测空气膜上的等厚干涉条纹即可判断被测光学表面的面形。

（1） 待测表面是平面

两表面一端夹一极薄垫片，形成一楔形空气膜，如果干涉条纹是等距离的平行直条纹，则被测平面是精确的平面，见图7.2.1-3（a），如果干涉条纹如图7.2.1-3（b）所示，则表明待测表面中心沿AB方向有一柱面形凹痕。

因为凹痕处的空气膜的厚度较其两侧平面部分厚，所以干涉条纹在凹痕处弯向膜层较薄的A端。

（2） 待测表面呈微凸球面或微凹球面 

将平面平晶放在待测表面上，可看到同心圆环状的干涉条纹，参看图7.2.1-4。

用手指在平晶上表面中心部位轻轻一按，如果干涉圆环向中心收缩，表明面形是凹面；如果干涉圆环从中心向边缘扩散，则面形是凸面。

这种现象可解释为：

当手指向下按时，空气膜变薄，各级干涉条纹要发生移动，以满足式

（2），

3、用牛顿环测平凸透镜的曲率半径当曲率半径很大的平凸透镜的凸面放在一平面玻璃上时，见图7.2.1-1，在透镜的凸面与平面之间形成一个从中心O向四周逐渐增厚的空气层。

当单色光垂直照射下来时，从空气层上下两个表面反射的光束1和光束2在上表面相遇时产生干涉。

因为光程差相等的地方是以O点为中心的同心圆，因此等厚干涉条纹也是一组以O点为中心的明暗相间的同心圆，称为牛顿环。

由于从下表面反射的光多走了二倍空气层厚度的距离，以及从下表面反射时，是从光疏介质到光密介质而存在半波损失，故1、2两束光的光程差为：

式中λ为入射光的波长，δ是空气层厚度，空气折射率n≈1 。

当程差Δ为半波长的奇数倍时为暗环，若第m个暗环处的空气层厚度为m，则有：

由图7.2.1-1中的几何关系，以及一般空气层厚度远小于所使用的平凸透镜的曲率半径R，即，可得：

式中是第m个暗环的半径。

由式

（2）和式（3）可得：

可见，我们若测得第m个暗环的半径便可由已知λ求R，或者由已知R求λ了。

但是，由于玻璃接触处受压，引起局部的弹性形变，使透镜凸面与平面玻璃不可能很理想的只以一个点相接触，所以圆心位置很难确定，环的半径也就不易测准。

同时因玻璃表面的不洁净所引入的附加程差，使实验中看到的干涉级数并不代表真正的干涉级数m。

为此，我们将式（4）作一变换，将式中半径换成直径，则有：

对第m+n个暗环有

将（5）和（6）两式相减，再展开整理后有

可见，如果我们测得第m个暗环及第（m+n）个暗环的直径、，就可由式（7）计算透镜的曲率半径R。

经过上述的公式变换，避开了难测的量和m，从而提高了测量的精度，这是物理实验中常采用的方法。

二、干涉法测微小量的原理与干涉仪绘制草图

1、实验内容

用干涉法测微小形变实验验证

实验仪器：

he-ne激光器、共焦球面干涉仪、压电陶瓷、探测器、示波器、电源、锯齿波发生器。

2、实验原理：

（1）、共焦球面干涉仪示意图：

共焦球面干涉仪是一个无源腔，由两块球形凹面反射镜构成两面镜子的曲率半径和腔长相等（R1=R2=L），镜面1固定不动，镜面2固定在可随外电压变化而变化的压电陶瓷上。

光在腔内每走一个周期都会有部分光从镜面透射出去为光线1，另一部分则反射4次出射，为光线2；

光线1与光线2满足干涉条件，当其光程差D满足条件：

D=mλ时，干涉相长示波器出现峰值，随着压电陶瓷随电压的变化，腔长变化，D也随之变化。

当D=（m±1）λ时，再次干涉相长，示波器上出现相应的峰值。

3、实验步骤：

（1）、打开he-ne激光器，调整光路和压电陶瓷方向，使得光路准直，（若没调整好，在共焦球面干涉仪后方会出项两个光斑，光线1和光线2并不产生干涉）。

（2）、将探头和锯齿波发生器分别接入示波器的两个通道，打开激光器和锯齿波发生器的电源。

（3）、观察示波器上波形。

4、实验结果：

5、实验总结：

本实验是干涉法测微小形变的实验验证，故无需计算；压电陶瓷的微小形变影响到共焦球面干涉仪的腔长，从而影响到光线1和光线2的光程差D，进一步反应到示波器的波形显示上。

该测量方法得到验证。

三、Autocad图

探头主体

探头后盖

底座

螺钉

电路图

电源外壳

四、Zemax的绘制：

扩束准直系统

5、实验回顾及总结

这次实验和以往的实验不同，以往更多的是的老师设计好，安排每一节课的内容让我们照着做，而这次更多的是自主设计进行探索发现。

前几次课程我们主要是通过设计实验系统，学习并运用CAD画出模型，这样我们既学会了软件设计又理解实验原理及结构。

激发了我们的兴趣。

谢谢老师为我们自由式发挥创造了条件。