光学设计实验(2)折射率测定实验.docVIP

现代光学设计实验（二） 物质折射率测定实验 光学作为一门本科光学专业的必修课，主要以理论知识的形式出现，在诸多具体应用中，也多是仅提出一种方法，具体的应用过程都要进行光电信号的有机结合。本实验的目的即是结合理论基础与实际应用，实现光电的有机结合。 设计要求 本课程是一门以实践为主的综合实验技术科，要求学生在已学过的波动光学、数字电路、模拟电路等相关基础课、专业课和实验课的基础上，提出一套实用的物质折射率测定方案，设计必要的光学系统和硬件电路，完成光电信号的转换，物理信号与硬件电路的有机结合，实现对物质折射率的准确测量。 物质折射率测定原理 2.1 双缝干涉原理 如图1所示，由光源S发出的光的波阵面同时到达和。通过和的光将发生衍射现象而叠加在一起。由于和是由S发出的同一波阵面的两部分，所以这种产生光的干涉的方法叫做分波阵面法。 图1 双缝干涉原理 考虑屏上任意一点P，从和到P的距离分别为和。由于在图示装置中，从S到和等远，所以和是两个同相波源。因此在P处的强度就仅由从和 到P点的波程差决定。有图可知，这一波程差为 式中是P点的角位置，即的中垂线MO与MP之间的夹角。通常很小。所 以有： 产生明纹的条件为： k=0,1,2… 其在屏上的位置为： k=0,1,2… 产生暗条纹的条件为： k=0,1,2… 其在屏上的位置为： k=0,1,2… 2.2 实用折射率检测系统 当我们在双缝干涉中将一折射率n厚度为h的物体放在S1前面时就引入了额外光程差，表现为条纹在屏上发生了位移。只要知道物体的厚度h，以及条纹的移动距离变可以计算出物体的折射率n。然而实际测量时，当把待测物体至于S1前时，条纹移动会出现跳变，因此实际上很难得知条纹到底移动了多少距离，而且距离的测量会引入较大误差，测得的折射率结果误差较大，因此引入如图2所示的检测系统： 在S1前放置待测物体W1，其折射率为n1未知，厚度h1。S2前放置一互补楔形物体W2，折射率n2，总体厚度为h2，楔形物W2由机械系统驱动，可以自由滑动，动态改变厚度h2的值。通过调节W2可以使中央0级亮纹始终位于两孔的中垂线上。由两物体光程差的互补可知： 图2 实用折射率检测系统 所以： 对于物体W2，其移动采用高精度旋转机械臂驱动，厚度h2是机械旋转臂旋转角度的函数： 所以： 测量时只需调节机械旋转臂使零级亮纹位置不变，记录旋转角度便可测得待测物折射率。同时为了使零级亮条纹精确位于屏幕的原点O处，我们使用四象限探测器来实现，检测时四象限探测器放置在屏幕H的原点O处。 2.3 利用四象限探测器检测零级亮纹原理 四象限光电探测器实际由四个光电探测器构成，每个探测器一个象限，目标光信号经光学系统后在四象限光电探测器上成像，如图3所示。一般将四象限光电探测器置于光学系统焦平面上或稍离开焦平面。当目标成像不在光轴上时，四个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同，比较四个光电信号的幅度大小就可以知道目标成像在哪个象限上（也就知道了目标的方位）。通过前置放大电路对四路信号进行预放大便可以得到四路输出。 图3 四象限探测器 分为对成对角线的两路输出做差分放大，输出分别为和，当零级亮条纹完全位于原点O时，差分电路的两路输出均为零：（为什么？）,据此便可以实现对零级亮纹位置的准确检测。 系统设计 整个检测系统主要由四大功能模块组成：光学检测模块、信号处理模块、供电模块与功能扩展模块。系统组成如图4所示。 图4 系统组成框图 3.1 光学检测模块 检测系统的光学组成组要是更具双峰干涉原理来构建，这里不再详细介绍，其构成参见图3所示。这得注意的是在构建光学系统的时候，要特别注意各个物理参数的设定，以使干涉条纹达到最好的状态（相干条件），同时传感器在屏幕上位置要做到尽量的精确，这是决定探测精度的一个重要因素。同时如何选择合适的传感器也是决定检测精度至关重要的因素。 问题： 干涉的条件是什么？ 传感器选型时需要注意什么？ 光路搭建过程中需要注意什么？ 3.2 传感器前置放大电路设计 四象限探测器探测到光强并转化成相应的电流信号，而我们需要的是电压信号，因此在进行差分之前必须将电流信号转化成电压信号（I/V Convert）。I/V转换原理如图5所示。 图5 Current to Voltage Converter 电流电压关系为： 问题： 选择放大器的时候对放大器特性有什么要求，为什么？（提示：放大器偏执电流(Basic Current)）。 如何确定电路中各电阻的阻值？ 如果经过I/V转换后输出电压还是过低，达不到差分电路的输入要求，应该采取什么措施？ 3.3 差分放大电路 图6 Difference Amplifier 最普遍的差分放大电路如图6所示。电路的输入输出关系为： 问题