实验39CCD技术在双棱镜实验中的应用讲义..doc

实验三十九 CCD技术在双棱镜实验中的应用 【实验目的】 掌握菲涅耳双棱镜获得双光束干涉的方法 2．掌握用双棱镜测定光波的波长。【实验原理】菲涅光的干涉现象是光波动说的基础，而有两束相干光是干涉的必要条件。在实验中，通常是把由同一光源发出的光分成两个相干光束。产生相干光的方式可以分为两种：分振幅法和分波阵面法实验是分波阵面法。 图1所示为经典的杨氏双缝干涉实验，是英国科学家托马斯杨在1801年设计的。光源S发光，其波阵面经S1、S2双分为两束，当符合相干条件时，在两个子波阵面交会的区域干涉，形成明暗相间的平行直条纹。正是实验，给始于牛顿和惠更斯的关于光的本质的争论中的波动说增加了重要的砝码。然而，微粒说的拥护者对该实验提出质疑，认为明暗相间的条纹并非真正的干涉图样而是光经过狭缝时发生的复杂变化。对此非议，在接下来的年，菲涅设计了几个撇开狭缝的干涉实验，为杨的实验提供了强有力的支持，下面就介绍其中之一的双棱镜干涉实验。 如图2所示，将一块平玻璃板的上表面加工成两楔形，两端面与棱脊垂直，楔角较小（一般小于1度）。当单色光源照射在双棱镜表面时，经其折射后形成两束好像由两个光源发出的光，即两列光波的频率相同，相同，相位差不随时间变化，那么，在两列光波相交的区域内，光强的分布是不均匀的，满足光的相干条件，称这种棱镜为双棱镜。 图3所示就是菲涅尔1818年设计的双棱镜干涉实验示意图。杨氏干涉实验中的双狭缝被一个双棱镜所取代。光源S发出的光经双棱镜折射而形成两束光，可视为分别从虚光源S1、S2发出。在两光束相交的区域放置观察屏，在P1、P2区间就可以观察到干涉条纹。也就是说，虚光源等效于双狭缝形成了光波的分波阵面干涉。如图4所示，设两虚光源的间距为d ，它们到观察屏的距离为L ，观察点P的光强为：， 式中为入射光的波长，两虚光源的中点Px点连线与光轴的夹角。 当时，，即干涉光强极大当时，，即干涉光强极小。因此在观察屏上可以看到明暗相间的干涉条纹。 因为 ，角很小，有 故 对于条纹，，即： 对于暗条纹，即： 因此，相邻条纹（或暗条纹）的条纹间距为： 所以，在实验中只要测得条纹间距，就可以计算出干涉光源的波长：Charge-Coupled Device，电荷耦合器件）是20世纪60年代中期开始出现的新型半导体光电转换器件。自问世以来，在钢铁、冶金、机械、石油化工、航空、环保等支柱产业中得到了广泛的应用，并解决了许多技术难题。2009年诺贝尔物理学奖之一授予了美国的2名科学家维拉·博伊尔（Willard S. Boyle） 和乔治·史密斯（George E. Smith），即因为他们发明了“成像半导体电路——电荷耦合器件图像传感器CCD”。 CCD是由光敏单元、转移结构和输出结构组成的一种集光电转换、电荷储存和电荷转移为一体的光电传感器件。典型线阵CCD结构如图5所示。其中，光敏单元是CCD中注入信号电荷（光生电子）和存储信号电荷的部分；转移结构的基本单元是MOS（Metal-Oxide-Semiconductor，金属－氧化物－半导体)结构，它的作用是转移存储的信号电荷；输出结构是将信号电荷以电压或者电流的形式输出的部分。 CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。工作时，需要在金属栅极上加一定的偏压，形成势阱以容纳信号电荷，电荷的多少与光强呈线性关系。电荷读出时，采用了一种电荷耦合（相邻两个势阱相互耦合）的方法。在一定相位关系的移位脉冲电压作用下，从一个位置移动到下一个位置，直到移至输出电极，经过电荷－电压变换，转换为模拟信号。由于在CCD中每个像元的势阱所容纳电荷的能力是有一定限制的，所以如果光照太强，一旦电荷填满势阱，电子将产生“溢出”现象。 CCD图像传感器具有体积小、噪声低、分辨率高、灵敏度高、功耗小、寿命长、抗震性及抗冲击性好、不受电磁干扰、可靠性高、便于数字化处理和便于与计算机接口等诸多优点。与CMOS图像传感器相比，亦有灵敏度高、分辨率高、噪声小、技术成熟等优势。在图像传感和非接触式精密测量技术中应用广泛，例如在摄像机、数码相机和扫描仪中，以及各类物体的尺寸、距离、三维特性测量等方面。随着CCD技术和理论的不断发展，CCD技术应用的广度与深度必将越来越大。 本实验中的光强测量系统，是利用线阵CCD器件接收光谱图形和光强分布，并利用示波器对采集到的数据进行显示处理（或利用计算机的强大数据处理能力对采集到的数据进行分析处理），通过直观的方式得到我们需要的结果。 【实验仪器】 半导体激光器，扩束镜，双棱镜，透镜，CCD光强分布测量仪，示波器二维调节架，光具座等CCD器件是一种可以电扫描的光电二极管列阵，有面阵（二维）和线阵（一维）之分。LM601S型CCD光强仪所用的是线阵CCD器件，性能参数如下表。机壳尺寸为150mm×1