实验报告格式

光电技术实验报告实验日期：2014年11月24-25日一、实验目的1.干涉的实验目的1)组装调节迈克尔逊干涉仪，观察点光源产生的非定域等厚、等倾干涉条纹记录。2)观察干涉条纹反衬度随光程差变化。了解光源干涉长度的意义，检查防震台稳定性。3)比较平面波和球面波产生干涉条纹的区别。2.衍射的实验目的1)验证夫琅禾费衍射图样的若干规律。2)掌握测量利用光电元件测量光强的方法。3)用Matlab模拟夫琅禾费衍射现象。二、实验仪器1.干涉实验仪器He-Ne激光器，反射镜，衰减器，分光光楔，扩束器，显微物镜镜头，光阑，CCD，配备相关软件的计算机，白板。2.衍射实验仪器He-Ne激光器，反射镜，双凸透镜，狭缝，圆孔，一维光栅，衰减器，CCD，计算机。三、基本原理1.迈克尔逊干涉仪的非定域干涉条纹本仪器是用分裂振幅的方法产生双光束干涉以实现光的干涉。从激光器岀射的光束经过准直扩束器系统，形成一束宽度合适的平行光束。这束平行光射入分光棱镜之后分为两束。一束由分光棱镜反射后到达发射镜，经反射后透过分光棱镜，形成岀射光束，这是第一光束；另一束透过分光棱镜，到达反射镜，经过反射后再次到达分光棱镜，形成反射光束，这是第二束光。在分光棱镜前方两束光的重叠区域放上CCD。干涉原理，如有图所示，其中S为单色点源，M1、M2为互相垂直放置的平面反射镜。BS为分束镜，放在M1M2法线的交点上，并分别与M1、M2成45°角。电光源S发出球面波经BS的镀膜层分为两束光。这两束光分别经M1、M2反射又回到BS，在BS上透过和反射的这两束光在BS的右侧空间形成一非定域的干涉场。屏幕放在干涉场中垂直于光束方向，在屏幕上可以看到干涉条纹。M2’与M1平行时（及M2与M1相互垂直），产生圆形干涉条纹，当M2’与M1之间有一定小的倾角时，屏幕上的干涉条纹不再是圆形的封闭曲线，而变成弯线或是接近直线（实际上是双曲线或椭圆的一部分）。圆心条纹中心处的光强取决于M1M2相对的距离d，即：2cosdIPAB当d=k时，（k为整数），中心出现亮点；当d=(k+1/2)时,中心出现暗点。圆形条纹的粗细和疏密程度与d有关。当d减小时，圆条纹显得疏而粗；当d增大时，条纹变得细而密。2，撒格雷特干涉仪用分振幅法产生两束光以实现干涉的仪器它是由一块分光棱镜和三块全反射镜组成，四面的中心光路构成一个平行四边形。从激光器岀射的光束经过准直扩束系统，形成一束宽度合适的平行光。这束平行光射入分光棱镜之后分为两束，一束由分光棱镜反射后达到反射镜，经过三个反射镜三次反射，形成出射光；第二束光通过分光棱镜，也是经过三个反射镜反射后射出。这两束光的路径相反，但是岀射时几乎同向。在分束镜前方两束光的重叠区域放上屏P。若两束光严格平行，则在屏幕上不出现干涉条纹；若两束光在水平方向有一个交角，那么在屏幕的竖直方向出现干涉条纹，而且两束光交角越大，干涉条纹越密。3.马赫-曾德干涉仪用分振幅法产生双光束以实现干涉的仪器它是由两块分光棱镜和两块全反射镜组成，四个反射面接近互相平行，中心光路构成一个平行四边形。从激光器中岀射的光束经过准直扩束系统，形成一束宽度合适的平行光束。这束平行光射入分光棱镜之后分为两束。一束由分光棱镜反射后到达反射镜，经过其再次反射并透过一个分光棱镜之后分为两束光；另一束透过分光棱镜，经过反射镜及分束镜两次反射后射出。在最后一块分光棱镜前方两束光的重叠区域放上屏P。若两束光严格平行，则在屏幕不出现干涉条纹；若两束光在水平方向有一个交角，那么在屏幕的竖直方向出现干涉条纹，而且两束光交角越大，干涉条纹越密。4.夫琅禾费衍射原理夫琅禾费衍射使光源距离衍射屏为无限远即用平面波照射衍射屏，并在无限远接收的装置。实际上要把光源及接收屏放在离衍射屏无限远处是办不到的。此外，根据菲涅尔近似条件和夫琅禾费近似条件，只要依据近似条件，观察屏相对而言足够远，便是夫琅禾费衍射。（1）夫琅禾费单缝衍射夫琅禾费单缝衍射花样的特点是：衍射斑条纹方向与狭缝方向相平行，各级衍射斑沿狭缝垂直的方向分布开。在中央具有特别明亮的亮条纹，两侧排列着一些强度较小的亮条纹，绝大部分光能都落在中央条纹上。相邻的亮条纹之间有一条暗条纹，以相邻暗条纹之间的间隔作为亮条纹的宽度，则两侧亮条纹是等宽的。而中央亮条纹的宽度是其他亮条纹的两倍。中央亮条纹的宽度与波长成正比，与狭缝宽度成反比，当缝宽变大时，衍射分布范围变小。在用散射角极小的激光器产生激光束，通过一条很细的狭缝（0.1～0.3毫米宽），在狭缝后大于1.5米的地方放上观察屏，就可以看到衍射条纹，这就是夫琅禾费衍射条纹。根据理论计算可得，垂直入射于单缝平面的平行光经单缝衍射后光强分布规律为：202sin,,dIIBxBD式中，d是狭缝宽，是波长，D是单缝位置到光源位置的距离，x是从条纹的中心位置到测量点之间的距离。（2）夫琅禾费圆孔衍射平行激光束垂直地入射于圆孔光阑上，衍射光束被透镜汇聚在它的角平面上，若在此焦平面上放置一接收屏，将呈现出衍射条纹。圆孔屏的夫琅禾费衍射花样的中心为一亮的圆斑，成为艾里斑，它集中了84%以上的光能量，其周围环绕着一些明暗相间的同心圆环，其亮度与艾里斑相比要相对低很多。艾里斑中心是几何光学像点，衍射光束角分布的弥散程度可用艾里斑的大小，即第一暗环的角半径来衡量,=1.22/D,其中D是圆孔直径，在衍射花样中，亮斑与圆环的边缘都很不清晰，是缓慢变化的。光强的分布与单缝衍射花样很相像。可以看成是单缝衍射花样绕入射光的轴线旋转一周而成。但衍射花样的线度却与具有和圆孔径直径相等宽度的单缝衍射花样的线度大不相同。衍射光强分布函数：2102JxIIx四、实验内容与步骤1.调节迈克尔逊干涉仪（1）调节激光束使平行于台面，通过针孔滤波器，双凸透镜使之出射光为平行光，调节反射镜及分束镜仰角，使镜面垂直于光束。（2）观察非定域干涉条纹，按照光路图搭建好光路，首先M1M2与BS基本等距，调节M1M2角度，在屏幕上看到条纹，同时微调M1（或M2），观察条纹变化，加大距离后，调到圆条纹，观察条纹粗细及紧密的变化。（3）观察条纹反衬度随光程差的变化。移动M1（或M2）以改变一束光的光程，观察条纹反衬度的变化，估算相干长度。2.调节萨格奈特干涉仪在迈克尔逊干涉仪的光路中，直接加入一个全反射镜，调节三个反射镜的角度，使两束光最后在CCD面板上重合。基本步骤四步：（1）调光束高度及水平；（2）调平行光；（3）搭光路，量光程；（4）调两光斑的重合。内容：（1）记录实验的数据和显示图。（2）拍实验台，或在台旁的地上跳动，观察干涉条纹的变化及恢复情况。观察实验台的稳定性。（3）移动任意一块反射镜，以改变光束方向，一直到干涉条纹消失，观察其灵敏度。3.调节马赫-曾德干涉仪在萨格奈特干涉仪的光路中，将加入的全反射镜替换为一个分光束棱镜，调节两个反射镜的角度，使岀射的两束光最后在CCD面板上重合。内容：记录实验的数据和显示图。4.调节夫琅禾费衍射装置（1）夫琅禾费圆孔衍射装置调节按如下图的光路搭建光路。实验中调节圆孔的孔径大小，观察衍射条纹的变化。（2）夫琅禾费单缝衍射装置调节夫琅禾费单缝衍射装置的调节是将上述圆孔衍射装置的扩束器去掉，同时将圆孔替换为单缝，即完成夫琅禾费单缝衍射装置的调节。实验中，改变缝宽，观察条纹的变化，并记录相关的数据和条纹现象。五、实验结果及讨论1.迈克尔逊干涉仪实验结果及讨论迈克尔逊干涉仪实物搭建：图1-实物搭建的迈克尔逊光路图图1.1-平面波干涉图样（a）图1.2-平面波干涉图样（b）经组装好的光路所得平面波与球面波形呈现的都很清晰，实验很成功。但是我们在这个实验中浪费了很长时间，原因无它，就是因为对实验理解上出现了偏差，一度在平面波干涉图样中寻找环形图样，费时很长。图1是我们搭建的迈克尔逊干涉仪的光路图。图1.1(a)是M1与M2’距离很小时，得到的干涉图样，比较清晰。当改变距离后得到1.2(b)所示的图样。比较两图，可以看出，变化后，条纹变密且变细。在光路中的加入一个傅里叶透镜得到球面波的干涉图样，如图1.3所示。2.萨格奈特干涉仪实验结果图1.3-球面波干涉图样图2-萨格奈特干涉仪实物光路图图2.1-萨格奈特干涉仪干涉条纹经过第一次的教训，我们认真的阅读了实验原理，很顺利的完成了这个实验。3.马赫-曾德干涉实验结果对于这个实验，我们也做了很长时间的调整，最后找出的条纹也不是很清晰，应该是条纹太密集的原因，图3.1右图所示就是放大之后的结果。4.夫琅禾费衍射实验结果(1)夫琅禾费单缝衍射图3-马赫曾德干涉仪实物光路图图3.1-马赫曾德干涉仪干涉条纹图4-夫琅禾费衍射实验实物光路图图4.1-狭缝宽度不同时，夫琅禾费狭缝衍射条纹图调整缝宽前后衍射图样的对比，发现条纹的明暗程度以及狭缝宽度的变化是有规律可寻的。缝越窄条纹越宽，但是亮度变暗。（2）夫琅禾费圆孔衍射实验结果所示，衍射条纹十分的完美。但其中有一些规律的光点，可能是与CCD里面固件构造有关，也可能是放大镜中存在的问题七、Matlab模拟夫琅禾费衍射1.Matlab模拟夫琅禾费圆孔衍射clearallclcN=256;circle=zeros(N,N);[m,n]=meshgrid(linspace(-N/2,N/2-1,N));r=5;a=0;b=0;%确定圆孔的圆心位置D=((m+a).^2+(n+b).^2).^(1/2);I=find(Dr);circle(I)=1;figure(3)imshow(circle);%显示这个圆孔f1=fft2(circle);f2=abs(f1);f3=fftshift(f2);图4.2-夫琅禾费圆孔衍射实验实物光路图figure(4)imshow(f3,[]);在一个256*256的屏上，开一个半径为5的圆孔，得结果如下：2.Matlab模拟夫琅禾费单缝衍射clearallclcSlit=zeros(256,256);%建立一个256*256的空矩阵Slit(10:246,122:134)=1;%在空矩阵中开一个宽为12的单缝imshow(Slit);%显示这个孔f1=fft2(Slit);f2=abs(f1);f3=fftshift(f2);figureimshow(f3,[]);在一个256*256的屏上，开一个缝宽为12的缝，结果如下：3.Matlab模拟夫琅禾费矩形孔衍射clearallclcRect=zeros(256,256);%建立一个256*256的空矩阵图7.2-夫琅禾费衍射圆孔及衍射结果图图7.1-夫琅禾费衍射狭缝及衍射结果图Rect(123.5:132.5,123.5:132.5)=1;%在空矩阵中开一个101*101的方孔imshow(Rect);%显示这个孔f1=fft2(Rect);f2=abs(f1);f3=fftshift(f2);figureimshow(f3,[]);在一个256*256的屏上，开一个边长为5的矩形孔，衍射结果如下：八、实验思考题回答1.分析、总结干涉实验系统的搭建技巧答：（1）在搭建的过程中，首先是准备好实验所需的光学器件。（2）其次，对所用的光学器件根据激光束的岀射高度进行统一调整。（3）一定要调节平行光，在调节时，要同时微调两个反射面。（4）在观察光线是否能够照射到所要照射的面上时，可以用一个屏板放在所要照射的面前，观察光束。2.对于迈克尔逊干涉系统，使用平行光与点光源生成的干涉条纹有什么区别？答：平行光生成的条纹更清晰，且条纹为圆条纹。点光源生成的条纹不是圆条纹，因为，入射光有一定的倾角。3.这三种干涉系统中，干涉条纹的粗细与什么因素有关，请分析。答：（1）迈克尔逊干涉仪：条纹的粗细与两个反射面的距离或倾角有关。当距离增加时条纹变细；反之，当距离减小时，条纹变粗。（2）萨格奈特干涉仪：条纹的粗细和两束光的交角有关，交角越大，干涉条纹越密。（3）马赫-曾德干涉仪：条纹的粗细和两束光的交角有关，交角越大，干涉条纹越密。图7.3-夫琅禾费衍射矩形孔