光干涉测量（精选十篇）
光干涉测量 篇1
机械振动在石油的勘探、发电机组的振动监测、各种机床的振动、铁路和桥梁的振动分析等方面有广泛的应用。随着现代工程技术飞速发展, 低频微小振动的测量成为振动测量的主要研究方向之一[1]。
基于激光干涉原理进行的光学测量的激光干涉测量法是一种高精度的测量技术[2]。其测量的分辨率和稳定性可以根据实际的应用情况选择适合的调制解调方法来提高。但是, 激光干涉测量技术的测量精度受诸多因素的影响, 使得理论与实际操作之间还存在较大的差距[3]。常见的高精度激光干涉测量法包括:零差激光干涉法[4]、外差激光干涉法[5]。
ZYGO公司的7705利用塞曼效应产生最大频差为3.65MHz的双频, 其测量分辨率可达1.24nm;ZYGO公司的7712利用声光调制法获得频差为20MHz双频, 其测量分辨率可达0.31nm[6];Renishaw公司的ML10gold干涉仪测量分辨率可达1.24nm, 测量范围为80m[7];英国Renishaw公司Agilent (HP) 公司的5519B型外差激光干涉仪的测量范围为±21.2m, 测量分辨率可达1.24nm[8]。我国四川大学研制的线位移传感器检定仪测量分辨率可达1nm, 测量范围20nm[9];北京航空材料研究院研制的光外差马赫-泽德干涉仪具有良好的线性和重复性, 其测量精度达3nm[10];清华大学殷纯永教授的研究小组研制的SJD5型双频激光干涉仪分辨率达到0.49nm[11]。
本文优化了光路的设计, 设计了检测条纹移动变化的方案, 实现了光信号到电信号的转换, 提高了测量的速度和准确率, 从而提高了系统的测量精度。
二、实验原理
用迈克尔逊干涉仪可以观察到等倾干涉图样和等厚干涉图样, 基本光路如图1所示。从光源S发出的一束光, 经分束镜G1的后表面分成光强近似相等的反射光束1和透射光束2;反射光束1射出G1后投向反射镜M1, 反射回来再穿过G1;光束2经过补偿板G2投向M2反射镜, 反射回来再通过G2, 在G1的后表面上反射。于是, 这两束相干光在空间相遇并产生干涉, M2经G1下表面所成的像M2', 因M1和M2'之间为空气层, n≈1, 则两相干光束的光程差△为
当M1和M2严格平行时, 形成等倾干涉, 否则形成等厚干涉。无论是等倾还是等厚干涉, 只要迈克尔逊干涉仪一条干涉臂发生移动时, 就会有条纹的移动, M1和M2'之间的距离每增加 (或减少) λ/2, 视场中有一个条纹移过, 所以测试光的反射镜向一个方向发生振动时, 干涉条纹就会朝相对应的方向移动, 振动的频率的快慢影响观察点的明暗变化的快慢。测试光的反射镜的情况与条纹变化情况一一对应, 测量出条纹的变化情况即可得到对应的振动情况。
三、实验设计
用函数信号发生器发出信号, 将信号输出到压电陶瓷, 压电陶瓷将电信号转化为振动信号, 检测光的反光镜与压电陶瓷连接, 检测光的光程随压电陶瓷的振动而变化, 检测光与参考光形成干涉条纹, 干涉条纹随检测光与参考光的光程差的变化而变化, 所以干涉条纹的变化即反映了压电陶瓷的振动情况。光电检测器检测到条纹的变化情况, 将条纹变化这一变化的图像信号转化为电信号。将转化后的电信号输入到计算机, 通过计算机程序的运算, 得出压电陶瓷的振动信号。
四、实验结果
用信号发生器作为激励源, 驱动纳米振动平台, 调节信号发生器使纳米振动平台振动幅度为25纳米, 振动频率为20赫兹, 频率为20赫兹时振动实验干涉仪输出信号为图2所示。
五、结论
本文所用干涉仪的信号处理电路是针对连续的模拟信号进行分析处理, 因此, 在现有的示波器检测精度下, 测量干涉仪分辨率只由噪声决定。首先对振幅为15纳米、频率为20赫兹的振动信号进行测量, 然后再分析振动信号频谱可得, 此干涉仪能够进行高信噪比测量, 干涉仪振动信号信噪比为30d B, 分辨率可达到1nm。从而验证了本文提出的改进型迈克尔逊干涉仪用于低频微小振动测量的可行性。
摘要：本文充分分析了迈克尔逊干涉仪的原理, 巧妙地结合了微小振动测量的方法, 确立了迈克尔逊干涉仪测微小振动的方案, 在参考光反射镜前加一个凸透镜, 形成一个类似于猫眼的装置——准猫眼动镜, 这样使动镜的反射光不会引起光束偏正度的变化, 得到更好的条纹对比度。很好地实现了光干涉法对振动的测量, 为测量微小振动提供了一个有效的技术支持。本文采用的检测技术为检测条纹移动变化技术, 探测器发射一束光信号, 利用其是否接收到反射信号来判断条纹的暗亮, 以高低电平表示, 实现了信号的转换。通过计算机对电信号进行仿真处理, 得到信号图和频谱图, 从而提高了系统的测量精度。
双棱镜干涉实验中干涉光场的调控 篇2
双棱镜干涉实验中干涉光场的调控
针对双棱镜干涉实验存在的问题,在分析双棱镜分波前干涉原理和讨论双棱镜干涉光场的结构及其相干性的基础上,探讨了怎样通过优化实验参数调控干涉光场获得适于观测的`干涉条纹.使学生更好地领略物理思想和学会实验方法,培养研究能力和启迪创新意识,促进光学教学的改革.
作 者：常山 杨建荣 桑志文 毛杰健 高玉芳 CHANG Shan YANG Jian-rong SANG Zhi-wen MAO Jie-jian GAO Yu-fang 作者单位：上饶师范学院,物理与电子信息系,江西,上饶,334001刊 名：大学物理 PKU英文刊名：COLLEGE PHYSICS年，卷(期)：200928(11)分类号：O436.1关键词：双棱镜分波前干涉 相干虚光源 光场的相干性 参数优化 二次共轭法
窄谱光干涉测速系统及其优化设计 篇3
关键词： 光波导技术； 环形波导谐振； 窄谱干涉； Pareto进化算法； 多普勒频移
中图分类号： TN 252 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.05.016
文章编号： 1005-5630（2016）05-0461-05
引 言
随着“中国制造2025”国家战略的推进，智能制造技术已成为重要的创新焦点。智能制造的发展重点关注八类核心技术及其关联设备，包括工业现场的新型传感技术及其系统[1-2]。有关机床精密加工的实时测长，涉及的精密光学传感监测技术包括双频单色光的外差干涉和白光干涉。双频单色光干涉采用谱线极细的气体激光器，该激光器体积大、光路稳定性要求很高。作为绝对测量的白光干涉[3]的相干长度在微米量级，实测的动态范围过小。为了改善光源体积和动态范围问题，本工作研究一种新的方法，提出并优化设计一种结合光波导谐振技术的窄谱干涉的测速（或测长）技术及其系统，工作光波由分布式反馈激光经双环石英波导谐振后提供，光源系统结构紧凑稳定，相干长度可达米量级。优化设计及其数值仿真结果显示，本系统可以达到0.01 mm/s速度变动的测试响应。
1 测速系统结构和工作原理
窄谱干涉介于单色光干涉和白光干涉之间，兼有白光干涉的绝对测量、良好的稳定性、高精度[4]和单色光干涉响应多普勒频移的特点。测试系统的基本结构如图1所示，一定谱宽的中心波长为1 310 nm半导体激光经光纤耦合进入双环波导谐振器，双环谐振器除了两个谐振腔的直径略有差异以外，其它光路完全对称。选择1 310 nm波段的半导体激光的光谱，使得两个谐振腔形成谱宽为δv的单峰输出，与环1和2环对应的谐振峰的中心频率分别为ν—1和ν—2。这两支出射光经光纤阵列对接耦合分别进入左右两根单模光纤光路，两根光纤的出射端均置有准直透镜GL。一路光纤的出射光经反射镜和三个半反镜HM后通往探测器，反射镜固定在机床的移动刀具的夹具座上。另一路光纤的出射光经反射镜和三个半反镜HM后，两支光波合流。一侧光路的温控仪提供热光效应，用于微调两支光波的工作点光程差。
图6给出了优化情况与非优化情况的数值结果的比较，优化系统的光强对速度变化的敏感性远高于非优化的情况，前者是后者的22倍以上。图7显示了光强测量对光源谱宽变动的优化降敏效果，横坐标表示光源谱宽变动量，纵坐标是对应的归一化光强变动量的绝对值，进刀速度选择机器的精密切削档的标称值为0.08 mm/s。图7显示，随着光源谱宽变动量从0～240 MHz变动时，优化情况的归一化光强的变动量有一个从缓慢增加再缓慢减小的特点，谱宽变动量为光源谱宽标称值的40%附近有光强最大变动量5%。对于非优化情况，同样点位的光强变动量达25%，是优化情况的5倍。另外，与优化情况对谱宽变动呈现明显不同的降敏效果，非优化情况的归一化光强的偏差随光源谱宽变动的增加呈线性增大的特点，当光源谱宽变动高达标称值的100%（240 MHz）时，对应的光强变动达到了47%，接近优化情况光强变动量的47倍。测试系统设计参考的光源是AGX公司的尾纤输出DFB激光模块（ALM3HPU2），中心波长在1 305～1 314 nm范围内可选，带宽是1.1 GHz（谱宽约0.006 nm），输出光功率是15 dBm。石英波导谐振器的单个谐振环的插入损耗的实测值在1 dB左右，对于标称0.08 mm/s的精密切削档，进刀速度变动0.01 mm/s对应的光强变化约为-55 dBm，可以采用基于ΣΔ技术 [9-10]设计A/D转换电路方式[11]的光功率计进行光功率检测，根据文献[12]报道，这种设计方式设计的光功率计可以响应的光功率变动达到-70 dBm。
3 结 论
本工作提出并优化设计了一种结合光波导谐振技术的窄谱干涉的测速（或测长）技术及其系统，该技术兼有白光干涉的绝对测量特点和单色光干涉响应多普勒频移的特点。工作光波由分布式反馈激光器经双环石英波导谐振后提供，两支同源窄带光经多普勒频移后叠加干涉，干涉结果包含了速度信息。优化设计采用了多目标优化SPEA2算法，数值仿真结果显示，设计系统具有较低的理论测量误差和较高的灵敏度，为进一步实现多普勒测速系统的小型化提供了参考。
参考文献：
[1] 马爱文.第四次工业革命给计量测试带来的思考[J].工业计量，2015，25（2）：1-4.
[2] 马爱文.第四次工业革命-计量测试无法回避的新课题[J].中国计量，2015（4）：41-43.
[3] 王留留.基于白光干涉的绝对距离测量方法的研究[D].合肥：合肥工业大学，2009.
[4] WANG D N，NING Y N，GRATTAN K T V，et al.Three-wavelength combination source for white-light interferometry[J].IEEE Photonics Technology Letters，1993，5（11）：1350-1352.
[5] 马科斯·玻恩，埃米尔·沃耳夫.光学原理[M].杨葭荪，译.北京：电子工业出版社，2006：459-475.
[6] ZITZLER E，LAUMANNS M，THIELE L.SPEA2：improving the strength pareto evolutionary algorithm[R].Swiss Federal Institute of Technology （ETH），TIK-Report103，2001.
[7] 杨春霞，王诺.基于SPEA2算法的泊位调度多目标优化[J].工业工程与管理，2010，15（3）：100-104.
[8] 郁道银，谈恒英.工程光学[M].3版.北京：机械工业出版社，2011：348.
[9] STEWART R W.An overview of sigma delta ADCs and DAC devices[C]//Proceedings of the IEE Colloquium on Oversampling and Sigma-Delta Strategies for DSP.London，UK 1995：204-206.
[10] MORIZIO J C，HOKE I M，KOCAK T，et al.14 bit 2.2 MS/s sigmadelta ADC’s[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2000，35（7）：968-976.
[11] 陈树毅，马琪.A/D转换技术及其发展趋势[J].杭州电子科技大学学报，2006，26（6）：57-61.
[12] 周真，杨军，秦勇.基于PIN光电二极管的光功率计[J].仪表技术与传感器，2013（6）：43-45.
光干涉测量 篇4
空间光调制器(SLM)是一种利用光的固有速度、并行性与互连能力,并且能将信息加载于一维或两维的光学数据场上的光电设备。可通过改变电驱动信号,实现空间上光分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长的改变,也可以改变光的相干性。基于以上的众多优点,SLM在光学计算与处理上被广泛运用［１－２］。空间光调制器分为透射式和反射式两种,不同公司生产的不同型号的SLM的相位调制深度不一样。
为了适应不同用户的需要,市面上主要有两类SLM,一类是成型产品,制造商已将SLM的某些特性固定,如应用广泛的纯相位调制型SLM,对每一具体的SLM,厂家都提供了灰度值与相位调制量的一一对应关系,如HAMATSU的X10468系列。另一类是半成型的SLM,用户根据需要可以自己设计出自己需要的参数,如加两片偏振片实现幅值和相位的调制。
许多商用SLM厂家并没有提供灰度对相位的调制曲线,需要客户自己测定。 为了研究不同LCSLM的相位调制特性,研究者们提出了许多方法［３－４］。目前研究LCSLM的相位调制方法主要有:泰曼-格林干涉［５－６］、马赫-曾德干涉［７－８］、双缝干涉［９］、径向剪切干涉［１０］横向剪切干涉［１１］、双成像系统法［１２］。 以上几种相位调制特性的测量方法中,泰曼- 格林干涉法和双成像系统法可用于测量反射式SLM,而另外几种主要用于透射式SLM的测量。
本文利用干涉法研究SLM的相位调制测试方法,该方法将SLM屏幕分成两半,一半施加为纯黑色的图像,另一半施加灰度值不断变化的图像,设计合适的光路,使得通过两半的光束进行干涉,灰度值的变化使得干涉条纹产生相移,利用CCD采集干涉图像并进行相移处理,就可以测得灰度与相位之间的变化关系。
1 液晶空间光调制器对光束的调制原理
透射式SLM常需要与起偏器与检偏器组合使用,SLM放在两者中间,如图1 所示。图中,设θ１为起偏器P1的偏振方向与x轴的夹角,θs、θ２分别为为液晶的晶轴和P2 的偏振方向与x轴的夹角。入射到SLM中的光由于液晶在不同电场的作用下扭曲角度不一致,通过控制两端的电压使得经过的光束的光学参数(幅值、相位、偏振态)发生变化。
因入射光是偏振光,而液晶的扭曲效应能改变入射光的偏振态,偏振态的变化可利用琼斯矩阵进行描述,具有如下关系:
式中,E０、Eｉ分别为出射光和入射光矢量,Jｉ为光束经过的光学元件的琼斯矩阵。
设入射光Jones矩阵为
经过P1后变为线偏光,同时因P1的偏振方向与x轴的夹角为θ１,光束会产生旋转,旋转矩阵R(θ１)为
因此经过起偏器P1后光束琼斯矩阵为:
文献[13]给出未施加电压时SLM的琼斯矩阵为:
式中,
上式中,nｅ为非寻常光折射率,nｏ为寻常光折射率,d为液晶层的厚度,λ为入射光波长。
同样,经过检偏器P2,光束将发生旋转并以某方向出射,相应的旋转矩阵和P2 的琼斯矩阵分别为:
根据图1和(1)式,出射光的琼斯矩阵为:
将(2)、(3)、(5)、(6)、(7)式代入(8)式,可得:
若令:
则(9)式可进一步简化为:
由上式可看出,光束经过两偏振片和SLM后,光强和相位都发生了变化,通过选择合适的θ１、θ２,使得幅值变化量基本保持一致,相位随施加电压(灰度图像)的不同而变化,实现纯相位调制。根据(11)式,可知相位变化量为:
因为非寻常光折射率nｅ会跟随液晶分子的偏转角度θs发生变化,而θs角度的大小与外加电压的有关,且常转换为输入图像的灰度值进行控制。若施加的灰度值为g,使液晶分子的产生θs角度偏转,则对应的相位延迟量可用下式表示
因受许多因素的影响,一般很难直接推导出灰度值g与相位之间的表达式,常采用实验法得到相位延迟量 Δθ与施加到SLM中的灰度值关系。
2 干涉法测量相位调制特性
2.1 测量光路设计
为了测量出相位滞后量 Δθ 与输入到SLM图像的灰度值的变化关系,本文设计如图2所示的测量光路。光源采用线偏振的激光,经准直扩束后入射到半玻片上,此处利用线偏光和半波片代替起偏器。然后利用分光镜将光束分成两束,两光束分别经SLM左右部分(施加图像的灰度值不一样)透射后再汇聚到CCD中形成干涉条纹。PC机施加给SLM一序列灰度图,图中左右部分的灰度值不一样,其中图像的一半灰度值保持不变,而另外半部分,灰度值一次增加(或减小)。因输入到SLM中图像的灰度值一半保持不变,而另一半不断变化,使得经过SLM的两束光产生的相位延迟不一致,且其中一束相位延迟量保持不变,而另一束的相位延迟量随着输入图像灰度值的变化而改变,从而使得CCD中接受的两束光的光程差发生改变,形成的干涉条纹将产生相移。利用计算机对CCD采集的干涉图像,进行相应图像处理后可得到干涉条纹的相移量,根据相移量可计算出不同灰度值产生的相位滞后量。
2.2 相位调制与灰度图的关系
从图2中的测量原理图中可看出,除开SLM对透射光束相位的影响,两束光从激光器出射到接收的CCD中光程相等,若令该光程为r０,到达CCD中的复振幅可表示为:
式中,k=２π/λ为波数,Δθｇ１、Δθｇ２分别为图2中光束1、2经过SLM产生的相位滞后量,其大小受输入的灰度值g1、g2 影响,理论上可以用(13)式进行计算,但商业化的SLM物理参数很难获得,本文将根据干涉条纹的相移来推算SLM的相位调制特性。
复振幅为E１,E２的两束光产生干涉条纹的光强为:
式中,I１,I２分别为E１,E２的光强,Δφ为两束光的相位差
当选择合适的θ１、θ２可以实现纯相位调制,即光束1、2经过SLM后光强衰减一致,若令I１= I２=I０,则(16)式变为:
在图1中,若令光束2、1分别通过SLM的左右两个半边,右半边的图像灰度值保持不变,即 Δθｇ１保持不变,而左半边图像的灰度按照依次增加或依次递减。若左边输入图像的灰度值为g２ｉ(i=1、…、N,输入灰度图像数量),则CCD采集到的干涉序列图像光强为:
当两幅干涉图像的相移不超过 π时,很容易由两幅干涉图像求解出相移量,进而可求出相移量与输入图像灰度值之间的关系。
3 实验结果
按照图2设计的原理图,进行实验,采用氦氖线偏光激光器作为光源,SLM选用大恒光电GCI-770102型液晶空间光调制器,其像素分辨率为800×600。实验中,为了实现纯相位调制模式,经过多次试验,发现当半波片取20°、偏振片取160°时,CCD中接收的干涉条纹光强基本不变(不受输入图像灰度值影响),此时,可认为SLM为纯相位调制模式。
为了准确得到该型号SLM的相位与灰度值的关系,输入的灰度图像分成左右两个部分,右边一直为黑色保持不变(g1=0),左边的图像灰度值取值为g2=0、25、75、125、150、160、165、175、200、225和255,图3 给出了其中几幅典型值得图像。 将这些图像依次输入到SLM中,并采集CCD中的干涉条纹,图4给出了图3中对应灰度值的干涉图像。 从图4 中可看出,输入不同的灰度值,有明显的相移量,但受噪声等因素的影响,采集的条纹粗细并不均匀,需要采用数字图像处理。
从图4 中可看出,每幅图像中有7 条干涉条纹,可得到7 个周期的数据。 通过对采集的干涉条纹进行傅里叶变换、低通滤波等处理后,可得到图像中每个周期的具体起始位置。再将两幅图进行相位比较,就可计算出具体的相移量,从而得出相移量与灰度值变化量之间的关系。表1 给出了g2中(SLM左半部分)的灰度值相对初始值(g2=0)的相移量,从图4 中可看到实际获得的每幅干涉图形中的干涉条纹宽度并不一致,为了消除各种误差的影响,从7条干涉条纹中选取6条条纹求取平均值,表1 中给出了6 条条纹(Ⅰ ~ Ⅵ)的相移量及平均值。
图5给出了根据表1 中计算的不同灰度值对应的相移量变化曲线,从表1和图5可看出,相移量不随灰度值线性变化,在灰度值增加较小时(g2<25),产生的相移量为零,灰度值在25<g2<125范围内,相移量缓慢变化,随后,在125<g2<200范围内,相移量显著增大,灰度值增加70,对应的相移增加(212.2° -40.9°=171.3°)但灰度值超过200后相移量变化缓慢,最终在灰度值达到最大值255 时,相移量增大至234.7°。 因此,GCI-770102型液晶空间光调制器能实现0~234.7°的相位调制量。
4 结论
本文研究了一种利用干涉法测量SLM的相位调制特性的方法。在分析液晶扭曲效应对通过光线的相位调制特性基础上,设计了干涉法测量相移量与灰度值得变化关系,该方法将SLM屏幕分成两半,一半施加不变纯黑色的图像,另一半施加灰度值逐渐增加的图像,再将两光束进行干涉,通过理论分析出灰度变化与相位之间的关系,实验验证了该方法的有效性,能快速、简便测量出SLM的相位调制特性。
摘要：研究一种基于干涉法测量液晶空间光调制器(LCSLM)的相位调制特性。利用合适的光路将一束激光分成两束并分别经过LCSLM,通过改变LCSLM中局部图像的灰度值,使其中一束光的相位发生变化,另一束保持不变。经过LCSLM后,两束光形成干涉条纹并被CCD接收,再根据干涉理论分析出SLM的相位调制特性。实验结果表明该SLM调制的相位与灰度值非线性关系,该方法能有效测出任意透射式LCSLM的相位调制特性。
光干涉测量 篇5
基于原子干涉测量技术的卫星重力梯度测量
原子干涉测量技术的.发展促进了重力梯度仪技术的发展,使得在测量地球重力场方面有了新的方法,从而能够获得更高分辨率和精度的重力场信息.介绍原子干涉测量技术的基本原理和发展现状,对利用原子干涉重力梯度仪进行卫星重力测量的优势和可行性进行分析.
作 者：翟振和 吴富梅 ZHAI Zhen-he WU Fu-mei 作者单位：翟振和,ZHAI Zhen-he(西安测绘研究所,陕西,西安,710054)吴富梅,WU Fu-mei(信息工程大学,测绘学院,河南,郑州,450052)
刊 名：测绘通报 ISTIC PKU英文刊名：BULLETIN OF SURVEYING AND MAPPING 年，卷(期)：2007 “”(2) 分类号：P2 关键词：原子干涉测量技术 原子干涉重力梯度仪 卫星重力梯度测量光干涉测量 篇6
关键词：非定域干涉；定域干涉；波长；图像探究
中图分类号：G710 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2014）17-006-02
实验研究
1、实验仪器及用具
迈克尔逊干涉仪、He-Ne激光器、扩束透镜、观察屏、扩展光源（钠灯）、叉丝
2、实验原理
（1）定域干涉的原理
原理图：
（2）非定域干涉原理
原理图：
3、实验内容及操作步骤
（1）定域干涉
①迈克尔逊干涉仪的调节。
②打开钠灯S，使其照射纸屏，形成均匀的扩展光源
③旋转粗动手轮，使M1和M2至P1镀膜面的距离大致相等，沿着M1的方向看过去，看到叉丝的影子（三个）。
④仔细调节M1和M2背后的三个螺丝、改变M1和M2的对应方位，直至叉丝的最明显的像重合，此时，再仔细调解三个螺丝，使干涉条纹成图形
⑤细致缓慢调节M2下方的两个微调拉簧螺丝，使干涉条纹中心仅随观察者的眼睛左右上下移动而移动，但不发生条纹的“陷入”或“涌出”。
⑥现在可开始测量，50个环记一次数据，一共记录8次，其中4次陷入，4次涌出。
（2）非定域干涉条纹
①使用He-Ne激光器作为光源，经过一扩束镜，使扩束后的光打在分束镜P1上
②此后操作与上述相同。
4、实验数据记录与处理
（1）定域干涉
涌出
陷入
可计算出钠光平均波长λ=590.55nm
实验中得到的干涉图像是圆环形状，应为等倾干涉条纹，如图（1）所示。
（2）非定域干涉
陷入
涌出
可计算出钠光平均波长λ=634.12nm
摘 要：分析了迈克尔逊干涉仪实验中的定域和非定域干涉图样的形成、特点及区别，通过迈克尔逊干涉仪实验测出并计算出实验光源钠光与He-Ne激光器的波长，以及图像探究。
关键词：非定域干涉；定域干涉；波长；图像探究
中图分类号：G710 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2014）17-006-02
实验研究
1、实验仪器及用具
迈克尔逊干涉仪、He-Ne激光器、扩束透镜、观察屏、扩展光源（钠灯）、叉丝
2、实验原理
（1）定域干涉的原理
原理图：
（2）非定域干涉原理
原理图：
3、实验内容及操作步骤
（1）定域干涉
①迈克尔逊干涉仪的调节。
②打开钠灯S，使其照射纸屏，形成均匀的扩展光源
③旋转粗动手轮，使M1和M2至P1镀膜面的距离大致相等，沿着M1的方向看过去，看到叉丝的影子（三个）。
④仔细调节M1和M2背后的三个螺丝、改变M1和M2的对应方位，直至叉丝的最明显的像重合，此时，再仔细调解三个螺丝，使干涉条纹成图形
⑤细致缓慢调节M2下方的两个微调拉簧螺丝，使干涉条纹中心仅随观察者的眼睛左右上下移动而移动，但不发生条纹的“陷入”或“涌出”。
⑥现在可开始测量，50个环记一次数据，一共记录8次，其中4次陷入，4次涌出。
（2）非定域干涉条纹
①使用He-Ne激光器作为光源，经过一扩束镜，使扩束后的光打在分束镜P1上
②此后操作与上述相同。
4、实验数据记录与处理
（1）定域干涉
涌出
陷入
可计算出钠光平均波长λ=590.55nm
实验中得到的干涉图像是圆环形状，应为等倾干涉条纹，如图（1）所示。
（2）非定域干涉
陷入
涌出
可计算出钠光平均波长λ=634.12nm
摘 要：分析了迈克尔逊干涉仪实验中的定域和非定域干涉图样的形成、特点及区别，通过迈克尔逊干涉仪实验测出并计算出实验光源钠光与He-Ne激光器的波长，以及图像探究。
关键词：非定域干涉；定域干涉；波长；图像探究
中图分类号：G710 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2014）17-006-02
实验研究
1、实验仪器及用具
迈克尔逊干涉仪、He-Ne激光器、扩束透镜、观察屏、扩展光源（钠灯）、叉丝
2、实验原理
（1）定域干涉的原理
原理图：
（2）非定域干涉原理
原理图：
3、实验内容及操作步骤
（1）定域干涉
①迈克尔逊干涉仪的调节。
②打开钠灯S，使其照射纸屏，形成均匀的扩展光源
③旋转粗动手轮，使M1和M2至P1镀膜面的距离大致相等，沿着M1的方向看过去，看到叉丝的影子（三个）。
④仔细调节M1和M2背后的三个螺丝、改变M1和M2的对应方位，直至叉丝的最明显的像重合，此时，再仔细调解三个螺丝，使干涉条纹成图形
⑤细致缓慢调节M2下方的两个微调拉簧螺丝，使干涉条纹中心仅随观察者的眼睛左右上下移动而移动，但不发生条纹的“陷入”或“涌出”。
⑥现在可开始测量，50个环记一次数据，一共记录8次，其中4次陷入，4次涌出。
（2）非定域干涉条纹
①使用He-Ne激光器作为光源，经过一扩束镜，使扩束后的光打在分束镜P1上
②此后操作与上述相同。
4、实验数据记录与处理
（1）定域干涉
涌出
陷入
可计算出钠光平均波长λ=590.55nm
实验中得到的干涉图像是圆环形状，应为等倾干涉条纹，如图（1）所示。
（2）非定域干涉
陷入
涌出
光干涉测量 篇7
随着光谱测量技术在航天、军工、科研、医疗等众多领域的广泛应用,光谱测量技术对光谱仪要求也越来越高[1,2,3]。基于弹光调制双折射原理的干涉具,因其高光通量、高光谱测量效率、宽光谱等特点,被重点研究[4,5]。但是由于弹光晶体双折射效应,使产生的干涉数据是非线性的,直接采用快速傅里叶变换(FFT)复原光谱导致光谱严重失真,所以必须研究非均匀快速傅里叶变换(NUFFT)算法,它是一种针对非均匀采样数据进行FFT运算的新型算法,许多学者对其进行过研究[6,7,8,9]。但是并未将其应用在弹光调制干涉具中,本文用该算法对弹光调制干涉数据进行光谱复原。
为了实时获取干涉数据并对其实时处理,设计了以高性能OMAP-L138芯片为核心的一套光谱复原实时处理系统来完成光谱复原工作,该系统采集干涉数据量大、信息处理过程复杂、实时性要求高[10,11,12]。本系统测量速度快、结构紧凑也便于携带,具有很重要的科研价值和实际应用价值。
1 弹光调制干涉具及光程差非线性
弹光调制干涉具因弹光晶体振动的形变是正弦变化,产生光程差是非线性的,得到随时间非均匀变化的干涉信号,可以复原被探测激光的光谱信息。整个实时处理系统如图1所示。
当一束激光通过起偏器P1、弹光晶体M后,由于晶体双折射被分成o光和e光,形成两束相互垂直的干涉光,再经过检偏器P2,由探测器得到干涉信号,采集卡采集671.1 nm激光干涉数据,采用高性能DSP芯片OPAM-L138对干涉数据存储和实时处理,复原出671.1 nm激光的光谱。干涉信号与光谱之间是一组傅里叶变换[13]:
式中:Iin(σ)是入射光的光谱,σ为波数,X=Bl为干涉信号的最大光程差,T0为调制周期,Δn=Bsin(ωt)为折射率差,B为双折射率差的最大值;ω是调制角频率;l为晶体中通光路径长度。
弹光调制干涉具探测器采集到的是按时间等间隔采样的干涉信号,由于弹光晶体振动的非线性,使两束光产生的光程差是非线性变化的。光程差随时间的变化曲线如图2所示。从图中可以明显看出光程差和时间的非线性关系。
2 非均匀采样干涉数据光谱复原
因FFT算法只适用于等问隔采样的数据,对于非均匀采样的输入数据FFT算法不再适用,因此本文采用非均匀快速傅里叶变换算法(NUFFT)来复原光谱,它是非均匀采样干涉数据的快速傅里叶变换进行了研究,利用快速傅里叶变换对非均匀采样干涉数据进行光谱反演,首先需要得到已知均匀采样位置的干涉数据,这就需要进行插值处理。这种算法的特点是利用卷积数据的重采样,代替原始非均匀采样数据的重采样,从而减少了重采样过程中原始数据信息熵的丢失。
NUFFT算法反演光谱的基本步骤为:
1) 产生干涉数据Iout(t)。用671.1 nm激光通过弹光调制干涉具产生干涉数据,用NI Scope软面板采集一组非均匀的干涉数据Iout(t),进行保存;
2)寻找一个合适的脉冲函数x(c)(如高斯脉冲函数),与非均匀的干涉信号Iout(t)进行卷积,得到卷积后的数据I(τ);
3)对卷积后的数据以确定的均匀采样间隔进行重采样,得到均匀采样后的卷积数据II(τ);
式中,s(τ-nΔτ)为采样函数。
4)对均匀采样的卷积数据进行周期延拓,然后用FFT对周期延拓后的数据进行快速傅里叶变换,得到卷积数据的离散变换谱I′in (τ);
5)对得到的离散变换谱I′in (τ)进行退卷积,得到非均匀干涉数据Iout(t)对应的变换谱Iin(σ),假定脉冲函数对应的离散变换谱为G(σ),则
3 干涉数据获取及光谱复原
3.1 干涉数据参数设置
本文测试使用的标准光谱仪是日本的Q8344A型光谱仪,使用的激光器是固体激光器,波长为671.1 nm,使用的采集卡是美国NI公司的PIC-5122,使用的DSP芯片是北京合众达的OMAP-L138。首先用Q8344A型光谱仪测量标准671.1 nm激光光谱,然后用弹光调制干涉具测量不同电压下671.1 nm激光得到2 048个点的干涉数据,为了保证光谱分辨率,提取单周期的干涉信号,按照非均匀采样光程差得到的是非均匀采样干涉信号,再利用NUFFT算法对非均匀干涉信号进行光谱反演,并与理想情况下的光谱数据进行对比。
3.2 干涉谱图的采集与处理分析
干涉数据获取是整个弹光调制干涉具的关键环节,通过频谱复原才能将空间分布的干涉信号转变为频谱信息。本文利用NI公司高速数据采集卡PCI-5122设计的虚拟示波器的软面板NI Scope,来采集671.1 nm激光产生的干涉数据并完成存储采集回来的干涉数据,设置采样点数为2 048个点,然后用DSP中提取单周期的干涉数据,有效点数为1 024个点,对于非均匀光程差产生的干涉数据进行插值,使其光程差达到均匀,再对均匀干涉数据进行FFT运算,就能够完整的复原出光谱的全部信息。干涉数据傅里叶变换后是相应激光的频谱分布,为得到其波长分布信息,需进行谱线的标定。对671.1 nm激光测试的随机四组干涉数据及反演结果如图3所示,该波长的测试值及误差分析如表1所示。
由图3和表1可以看出,采用OMAP-L138设计的光谱实时处理系统对671.1 nm激光的干涉数据进行存储和光谱复原的实时处理,简单方便,操作简单。反演671.1 nm激光谱线的位置与谱线的实际位置相差小于1 nm,谱线位置误差比例小于0.1%,波长均值为λ=671.527 5 nm,标准差为σ=4.25 nm,平均相对误差为δ=0.064%。由此可以看出,标定后的光谱能较好地反映激光的频谱信息。
4 结 论
光干涉式甲烷测定器的维修 篇8
关键词：光干涉式甲烷测定器,折射率,光程,短路,干涉条纹
0 引言
光干涉甲烷测定器是一种测量用眼睛直观不到的某种气体浓度的光学仪器, 是通过测量气体折射率的变化对气体成分进行定量分析的携带式仪器。测定器主要由电路、光路、气路等系统组成, 能够迅速、准确地测定矿山及其它安全场所的二氧化碳、甲烷等有害气体的浓度。
1 工作原理
两相干光经过不同的气体时, 由于气体密度不同, 折射率也不同, 因而产生光程差。当两束光相遇时, 光程差决定了干涉条纹的移动, 条纹移动量随气体密度改变而改变。
光干涉的产生条件如下:
a) 两光波由同一光源发出的光线;b) 两光波的波长相同, 位相差保持恒定;c) 两光波通过不同的路程重新汇合, 即干涉图样中的任一点, 必须有两光线通过。
根据测定器的工作原理, 被测环境中没有甲烷气体时, 测定器的甲烷室和空气室均充入的是空气, 折射率和光程相同, 测定器的干涉条纹不发生移动。当被测环境中有甲烷气体时, 由于甲烷室的气体成份发生变化, 折射率发生变化, 甲烷室的光程也随之变化, 干涉条纹便发生移动。干涉条纹的移动量与甲烷体积分数成比例。测量这个移动量, 便可测出空气中的甲烷体积分数。当甲烷室与空气室同样充入的是空气, 改变甲烷室的压力时, 甲烷室的气体折射率和光程也同样发生变化, 干涉条纹也要发生移动。
2 光干涉式甲烷测定器的常见故障
2.1 电路常见故障
2.1.1 灯不亮电路完好
a) 电池有发热现象。由于电池接触片弹簧卡片短路, 电压明显下降, 发生短路现象;
b) 万用表测量, 电压未下降。由于有些仪器电池损坏, 导致线路阻抗增大, 灯泡不亮;
c) 虚接。由于部分线路开路或虚接, 导致接触不好, 灯泡不亮。
2.1.2 灯泡由初亮变暗红随之不亮
按下开关电源、测微按钮, 两只灯泡均由暗变红, 随之不亮。原因如下:
a) 电源部分的绝缘垫圈装的不正、破裂、受潮, 失去绝缘作用造成短路;
b) 电线绝缘皮破、划伤、碰到本体金属件, 造成搭铁短路;
c) 焊接点直接搭铁短路, 出现短路故障, 由于短路电流很大, 电压急聚下降, 使灯泡由暗变红至不亮, 更严重的是由于短路电流很大, 电池等发热, 温度升高造成电池溶液流出腐蚀本体等金属件和其它不良事故。所以, 发生短路故障应及时取出电池, 查到短路原因, 及时排除。
2.1.3 亮度差
按下开关按钮, 灯泡亮度差, 原因与排除:
a) 电池电压不足, 更换电池;b) 电路系统中连接件接触点或面生锈氧化层等, 电路电阻增大, 产生电压降, 灯泡亮度降低, 用细砂纸将锈、氧化层打掉;c) 焊点虚焊假焊, 应重焊, 焊牢焊实;d) 灯泡质量不好。
2.1.4 忽明忽暗
原因:电路系统接触件松动, 接触不良。如电池与接触片负极螺钉开关接点, 插头插座之间, 带螺母概板与壳盖灯泡松动等。
2.1.5 灯泡常明
原因:开关弹簧片弹性差, 弹不起来, 或开关弹簧按钮卡住使弹簧片弹不起来, 接点断不开, 失去了开关控制作用, 造成灯泡常明。
2.2 光路常见故障
2.2.1 干涉条纹消失
a) 调零螺杆拧入连接座内过深或过浅;b) 光路改变:应重新调节光路寻找干涉条纹;c) 平面镜角度不正确:通过垫平面镜组解决。
2.2.2 干涉条纹不清晰
a) 镜片质量差:更换镜片;
b) 镜片脏:清洁镜片;
c) 物镜焦距不对:应上下串动物镜座, 当移动到某一位置, 看到条纹清晰, 即为物镜焦距调好, 将其固定;
d) 光路不正:重新调整;
e) 平面镜、折光棱镜固定不牢不平, 螺钉拧得松紧不当, 产生空隙应力。检查调平, 螺钉松紧度适当。
2.2.3 干涉条纹倾斜
a) 平面镜向后倾斜度过大;
b) 平面镜、折光棱镜座左右不平行;
c) 平面镜、折光棱镜加工尺寸超差。
排除方法:
a) 调换平面镜、折光棱镜;
b) 修磨平面镜底座或折光棱镜底座左右面, 改变条纹宽度, 即可排除倾斜。
2.2.4 干涉条纹弯曲
原因:平面镜、折光棱镜光洁度差或材质不好等质量问题, 局部弯曲是平面镜、折光棱镜、反射棱镜、物镜、测微镜等通光面局部质量、硬划伤、脏物等;其次灯泡玻璃表面不光滑等出会造成条纹弯曲。如装上气室, 发现弯曲是由于气室平行玻璃平行度、光洁度、硬划伤造成的。排除:a) 调整平面镜、折光棱镜位置;b) 分别将平面镜、折光棱镜反过来试装;c) 更换有关镜片和灯泡排除, 更换平行玻璃排除。
3 结语
关于光的干涉的两个问题的探讨 篇9
要解释现象, 首先要弄清楚普通光源的发光机理。普通光源如白炽灯是炽热的固体发光。固体由大量的原子组成, 原子的电子一般处于最低能级即基态, 当它从外界获得能量后, 处于高能级即激发态, 处于激发态的电子不稳定, 总要回到基态。原子的电子从激发态跃迁到基态的过程中, 就会以光子的形式向外辐射出能量, 这样, 固体就发光了。室温下, 大多数物体辐射不可见的红外光。当物体升温到500℃左右时, 开始发出暗红色的可见光。随温度的不断升高, 辐射出的光子中, 频率高的越来越多, 约在1500℃时就变成明亮的白炽光, 其光谱为连续光谱。我们都知道单个原子的能级是固定的, 相邻能级间能级差也是一定的, 能级是不连续的, 电子跃迁时发出的光子的频率也应该是不连续的, 为什么炽热的固体会产生连续光谱呢?这是因为组成固体的原子间距约为10-10m, 这些原子中的外层电子除受本身原子核的作用外, 还受邻近原子的作用。在这种情况下, 由于邻近原子之间相互影响的作用很大, 电子可以从一个原子转移到相邻的原子上, 这些电子为相邻的原子所共有, 它们的电子云相互交叉, 电子的跃迁也不再局限于只在原子本身内部的跃迁, 也可以在相邻的原子间跃迁。这就增加了很多能级, 减小了能级之间的能级差, 原子的能级变成很多非常接近的能级, 形成能带 (包含许多能级的能量范围) 。在能带内, 能带宽度并不改变, 原子数越多, 能带中能级的密度越大, 能级间的能量差就越小, 处于激发态的原子的电子可跃迁的能级上十分密集, 存在着很多跃迁的可能性, 使产生可见光光谱内的任何频率的光子都具有可能。因此, 在能带内, 能级几乎可以认为是连续的, 这就是炽热固体发出连续光谱的原因。
两列波产生干涉的必要条件是:频率相同、相位差恒定。普通光源发出的光包含各种频率, 相同频率的光相位差也不恒定, 因为不同的电子即使从同一激发态跃迁到相同的另一能级的过程, 什么时间发生都是随机的, 同时发生跃迁的可能性几乎为零, 先后跃迁也不可能出现恒定的时间差, 这就是说它们的相位差不恒定, 所以, 两个普通光源不会产生干涉现象。
二、为什么白光能产生干涉现象?
由于白光是包含各种频率的复色光, 即使频率相同的光相位差也不恒定, 所以白光不能直接发生干涉。对于白光要想得到相干光, 只有一种方法——分割法, 就是设法将同一个原子在同一时刻所发出的一列光波分为几部分, 这几部分光波由于来自同一列光波, 所以具有相同的频率、固定的位相差, 是相干的。所以, 也可以说, 干涉是一列光波自己和自己的干涉, 也只有自己和自己之间才有可能发生干涉。通常分割法有两种:波阵面 (简称波面) 分割法 (如杨氏双缝干涉) 、振幅分割法 (如薄膜干涉) 。现以杨氏双缝干涉为例说明白光干涉的原理。
光干涉测量 篇10
引起干涉条纹消失的现象, 一般多是由于光源系统的故障如灯泡烧坏、线路损坏、灯泡位置移动、光屏移动和内部各光学零部件变位等原因。开关和线路是否通畅;灯泡是否良好, 其位置是否适当。
各部分检修完好后, 将光源接入电路, 使灯丝位置与光栏平行, 使灯泡发出的光恰好通过光栏窄缝, 投射到平行镜上。此时用一张宽 (15~20) 毫米、长50毫米、厚0.5毫米的绿色塑料片放在平面镜前, 对正通过窄缝投射来的光线, 仔细检查这一列光线是否正对在平面镜面的右边。光的位置不能高于或低于镜面, 否则应调整灯泡。然后把塑料片垂直放在气室右侧孔位置, 检查从平面镜反射出来的光线是否刚好通过气室的右侧孔, 如果有偏斜可稍调节平面镜。又将塑料片移到折光棱镜前, 检查光线是否正直, 如果不正直, 可移动光屏和灯泡的位置。当条纹符合要求后, 再将塑料片放在测微玻璃和目镜筒的中间, 检查光线通过平面镜、反射棱镜、物镜等后是否投射到目镜视场的中央。如果偏高或者偏低, 可以调节零螺杆;若光线向左右偏时, 可左右拨动反射棱镜。然后将所找到的光束通过目镜来寻找条纹, 如果还发现光束向上、下、左、右偏时可以重复前面的方法调节之。
按照上述方法找到了干涉条纹, 但模糊不清, 可能是仪器上光学零件被灰尘玷污或物镜的位置不对。因此调节条纹清晰度时首先应该检查光学零件是否清洁, 如不清洁必须擦洗。如果光学零件擦洗后条纹仍然不清晰, 可沿着光轴前后移动物镜, 必要时可以调整其他光学零件和灯泡, 以得到最清晰的干涉条纹。
光学零件的擦洗方法一般是用小木棒卷脱脂棉, 浸少许酒精, 擦拭玻璃表面, 再用洁白细软的净布或绸布擦亮。如若有油脂, 还可以用碳酸钙、乙醚做同样的擦洗。擦洗时应注意不要使酒精灯浸入棱镜、平面镜的镀银面和物镜的胶合面, 以免损坏。
为了保证仪器的测量准确度, 必须校正条纹间的宽度。一般是采用垫锡箔于折光棱镜或平面镜底面或修锉该底面 (锡箔层数不应超过两层, 修锉的底面应保持平整、无毛刺) 的方法。后一方法能保证条纹间宽度在较长时间内稳定, 是比较好的。
干涉条纹偏移, 可用调整灯泡位置的方法使它移向视场中央, 此方法不能解决时, 可以左右移动反射棱镜或稍微调整平面镜来修正, 但当调整平面镜时应注意不使最后的干涉条纹间宽度发生变化。
2 读数不准确, 其原因可能有以下几个
1) 压测微玻璃的弹簧片失灵, 使测微玻璃转动时与刻度盘的转动不一致, 使读数不真实。这时可把弹簧片用手略向外弯开, 增加其弹力, 或更换弹簧片。2) 测微玻璃座底面和测微螺杆接触处因磨损而出现凹坑, 影响条纹移动时的均匀性。3) 平面镜和折光棱镜的倾斜角变化, 物镜移动及金属变形等引起条纹间宽度的变化。
3 若是灯泡失明或者忽明忽暗, 应对整个电路进行检查
电线的焊接部位不牢固, 灯泡的旋接部分松动或尾部接触点太短, 活动接触 (电池、开关) 部分进入污物或生成氧化膜, 仪器壳体的接触部分受腐蚀等会引起导电不良。
4 气室的检修步骤
1) 卸下两端平行玻璃板:a.在拆卸前先用铅笔在其非工作面 (侧面) 做记号, 以便安装时辨别平行玻璃板得上下左右及正反面的原始位置。b.拆除一端的包角及挡片。c.把这一端放在电炉上或石棉铁丝网上 (用酒精灯) 烘烤至粘合剂融化 (注意防止玻璃和石棉或火焰直接接触) 。d.在与气室端面垂直方向上, 用力取出玻璃。不允许从气室端面推下, 以免玻璃表面损伤。e.另一端的玻璃用同法取下。
2) 检查气室金属部分的气密性。其方法如下:做一专用夹具 (如图一) 在气室两端垫上橡皮后用夹具夹紧, 使不漏气。然后连接管3、4 (见图二) , 堵住管1, 在管6上加上0.2个大气压的压力。把气室连同夹具放入水中, 注意把2、5二管的管口放置于同一水平上, 哪里冒泡, 就是哪里漏气。如果从2、5管子里冒泡, 说明空气室与瓦斯室串气。同法可以检验瓦斯室的气密性。发现漏气和串气的地方必须用锡焊牢, 并应再次检验。
3) 检查气室是否有引起条纹不清晰的脱漆现象 (主要是内表面) , 露铜的地方要用黑漆涂补。
4) 擦洗玻璃:可先后用碳酸钙、酒精、笨、乙醚擦洗。擦完的玻璃应竖立在台上并保持清洁。
5) 擦洗干净气室的两端面并烤热, 均匀地涂上一薄层粘合剂。
6) 认准两平行玻璃板原来的安放位置, 垂直地把它安上, 不允许在安上后再去推动, 以避免在平行玻璃板上通过光线的地方粘有粘合剂而影响光线投射和干涉条纹的清晰度。
7) 装上固定平行玻璃板用的包角及挡片, 螺丝稍拧紧后, 再把两端加热使粘合剂融化, 稍用力使平行玻璃板与气室端面紧合。应注意动作要细致轻缓, 以免压破玻璃。然后放置1~2小时, 使粘合剂干固, 压紧挡片、拧紧螺丝, 再作气密性检查。
8) 气密性检查。分别检查空气室和瓦斯室的气密性, 压力在700毫米水柱左右, 保持时间一分钟, 水柱面不下降说明不漏气, 否则应找出漏气的地方, 若是玻璃粘的不密合, 应重粘。
摘要：介绍煤矿用光干涉瓦斯检定器的故障及维修, 本仪器应用了光的干涉原理, 可迅速而准确的确定矿井中甲烷 (瓦斯、沼气) 、二氧化碳等有害气体的浓度, 亦可应用在其他工业部门等的气体浓度测定上。目前, 在我国煤炭工业中这种仪器得到很广泛的应用, 对保障煤矿安全生产有很大的作用。
