現(xiàn)代光學實驗(II)實驗報告

1、 機械工程學院現(xiàn)代光學實驗（II）實驗報告_2014_年_ 12_月 25 日 題目： 現(xiàn)代光學實驗（II） 學號： 姓名： 班級： 實驗一 激光拉曼熒光光譜實驗【實驗目的】1.了解拉曼光譜的基本原理，理解它的光譜和能級躍遷特性。2.了解拉曼光譜儀的結(jié)構(gòu)和特點。3.測量四氯化碳的拉曼光譜，計算其中各譜線的位移值，并估計相應的振動能級的結(jié)構(gòu)。4.測量其他溶液的的拉曼光譜，并分析其特殊?！緝x器用具】LRS III激光拉曼/熒光光譜儀【實驗原理】一、拉曼光譜原理簡介印度物理學家拉曼（Raman）在1928年研究苯的光散射時發(fā)現(xiàn)，在散射光中除了有與入射光頻率相同的譜線外，還有與入射光頻率發(fā)生位移（頻率

2、增加或減少）、而且強度極弱的譜線。前者為已知的瑞利（Rayleigh）散射光，后者被命名為拉曼散射光。拉曼光譜與分子的轉(zhuǎn)動和振動狀態(tài)有關，因此能反映分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，所以研究分子的拉曼光譜能得到有關分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息，因而它在許多科學領域內(nèi)都得到了廣泛的應用。1. 拉曼光譜的經(jīng)典理論根據(jù)電磁輻射的經(jīng)典理論，單色入射光輻射到物質(zhì)上時，能使其中的分子產(chǎn)生振蕩形成感生電偶極矩P。當入射光光強不是很大時，在一級近似下，此感生偶極矩P與分子極化率以及入射光的電場強度E之間的近似關系為：P= E (1)一般情況下，分子極化率是原子座標的函數(shù)，而且是各向異性的，因此它可由一個張量（ij）(i,j=x,y,

3、z)來描述，由此式(1)的各分量表示為：或者以矩陣形式表示為：由于分子中的原子總是在作熱振動，即它們的原子核總是圍繞其平衡位置在作振動，因而分子的極化率也在隨之發(fā)生著變化。按照一般的方法，將極化率的各分量在平衡位置附近按簡正座標展開成泰勒級數(shù)形式并只保持到一次項：其中，(ij)0是分子在平衡位置時的ij 值，通常為常數(shù)，Qk，Ql 是分子振動的簡正座標。為簡單期間，若只考慮一個（第k個）簡正振動，則上式簡化為：式中k 也為常數(shù)。設分子的簡正振動為簡諧振動，即 (6)入射光電場強度為： (7)將式(5)、(6)、(7)代入(1)式（只有一個分量的情況）得式中，第一項表示感生偶極矩以不變的頻率0輻

4、射，對應于瑞利散射，第二項和第三項分別表示感生偶極矩以頻率0k和0k輻射，分別對應于拉曼散射中，稱為斯托克斯（Stokes）線和反斯托克斯線的兩條特征譜線。2. 拉曼光譜的量子理論按照量子理論，頻率為0的光子入射到分子上時，可能會發(fā)生彈性和非彈性兩種散射。在彈性散射過程中，光子與分子間沒有能量交換，光子僅僅改變其運動方向，而不改變其頻率。這種散射對于應瑞利散射。在非彈性散射過程中，光子與分子存在著能量交換，光子不僅改變了運動方向，同時還可能把一部分能量傳遞給分子或從分子中得到一定的能量。在這兩種過程中，光子的頻率都發(fā)生了改變。光子失去能量的過程對應于頻率減小，稱之為斯托克斯拉曼散射；而光子得到

5、能量的過程對應于頻率的增加，稱之為反斯托克斯拉曼散射。在圖1中，其中的虛能級實際上是不存在的。h為分子的相鄰兩個振動能級的間隔?？梢钥闯?，斯托克斯線和反斯托克斯線與瑞利線之間的能量差分別為h(0-)-h0=h和h(0)-h0=h，其數(shù)值相等，符號相反。這說明拉曼譜線對稱地分布在瑞利線的兩側(cè)。一般情況下，分子的振動能級遠大于分子的熱運動能，所以按照玻爾茲曼分布，處于振動激發(fā)態(tài)E1能級的分子數(shù)，要遠遠少于處于基態(tài)E0能級上的分子數(shù)。因此，斯托克斯線的強度要大于反斯托克斯線的強度。拉曼光譜的強度取決于躍遷矩陣元： （9）式中，m和n分別為上下兩能級的波函數(shù)。同時，由公式(4)或(5)可知，要產(chǎn)生拉曼

6、光譜，還必須有： （10）滿足公式(10)的條件，則稱該分子具有拉曼活性的。拉曼光譜的具體性質(zhì)和現(xiàn)象請參考相關的專業(yè)書籍。二、實驗儀器和裝置本實驗使用的儀器為：LRS-III型激光拉曼/熒光光譜儀（天津港東科技發(fā)展有限公司）。儀器的總體結(jié)構(gòu)如下圖所示：在該裝置中，激發(fā)光源采用波長為532nm（波數(shù)為18797.0cm-1）的偏振半導體激光器，輸出功率不小于40mW。偏振方向可以通過一1/2波片調(diào)節(jié)。單色儀采用1200L/mm、閃耀波長為500nm的光柵，相對孔徑比為D/f=1/5.5。光接收器為光電倍增管（日產(chǎn)R6249）。為提高信噪比，光強接收采用單光子計數(shù)器。整個裝置的主要技術指標有：波長

7、范圍：200800nm（單色儀）；波長準確度：不大于0.4nm；波長重復性：不大于0.2nm；雜散光：不大于10-3；線色散倒數(shù)：2.7nm/mm；譜線半寬度：不大于0.2nm（波長在586nm處）?！緦嶒瀮?nèi)容】1. 測量四氯化碳的拉曼光譜，計算其中各譜線的位移值，并估計相應的振動能級的結(jié)構(gòu)。2. 觀察苯和甲苯的拉曼光譜。觀察可知其光譜中心波長大概為530nm?！緦嶒炞⒁馐马棥?. 開機后整個裝置預熱10分鐘。2. 測量應在暗室內(nèi)內(nèi)進行。3. 禁止用眼睛直接觀察激光。4. 調(diào)節(jié)好光路以及偏振方向5. 啟動測量軟件后，先要測定光子計數(shù)器的本底大小，并設置域值電平，一般為2122。實驗四 傅里葉變

8、換光譜實驗【實驗目的】1、掌握傅里葉變換原理；2、掌握XGF-1型傅里葉變換實驗系統(tǒng)的操作。3、掌握傅里葉變換方法測定光源的輻射光譜；4、了解傅里葉變換光學在實際工程中的應用?！緝x器用具】XGF-1型傅里葉變換光譜實驗系統(tǒng)、四維調(diào)節(jié)架、擴束鏡(f = 4.5)、鈉燈、汞燈、計算機?！驹怼?、基本原理：傅里葉變換過程實際上就是調(diào)制與解調(diào)的過程，通過調(diào)制我們將待測光的高頻率調(diào)制成我們可以掌控、接收的頻率。然后將接收到的信號送到解調(diào)器中進行分解，得出待測光中的頻率成分及各頻率對應的強度值。這樣我們就得到了待測光的光譜圖。下面介紹兩個方程：調(diào)制方程： 解調(diào)方程：調(diào)制過程：這一步由邁克耳孫干涉儀實現(xiàn)，

9、設一單色光進入干涉儀后，它將被分成兩束后進行干涉，干涉后的光強值為，（其中x為光程差，它隨動鏡的移動而變化，為單色光的波數(shù)值）。如果待測光為連續(xù)光譜，那么干涉后的光強為解調(diào)過程：我們把從接收器上采集到的數(shù)據(jù)送入計算機中進行數(shù)據(jù)處理，這一步就是解調(diào)過程。使用的方程就是解調(diào)方程，這個方程也是傅里葉變換光譜學中干涉圖光譜圖關系的基本方程。對于給定的波數(shù)，如果已知干涉圖與光程差的關系式I（x） ，就可以用解調(diào)方程計算的這波數(shù)處的光譜強度 I( ) 。為了獲得整個工作波數(shù)范圍的光譜圖，只需對所希望的波段內(nèi)的每一個波數(shù)反復按解調(diào)方程進行傅里葉變換運算就行了。2 、儀器結(jié)構(gòu)：傅里葉變換光譜實驗裝置光路圖1-

10、 外置光源2-內(nèi)置光源（溴鎢燈）3-可變光欄4-準直鏡5-平面反射鏡6-精密平移臺7-電機8-動鏡9-干涉板10-補償板11-定鏡12-平面反射鏡13-接收器1 14-參考光源（He-Ne激光器）15-分束器16平面反射鏡17-接收器2 18-光源轉(zhuǎn)換鏡（物鏡）內(nèi)置光源選用溴鎢燈（12V 30W），待測光過準直鏡后變成平行光進入干涉儀，從干涉儀中出射后成為兩束相干光，并有一定的相位差。干涉光經(jīng)平面鏡12轉(zhuǎn)向后進入接收器1。當干涉儀的動鏡部分做連續(xù)移動改變光程差時，干涉圖的連續(xù)變化將被接收器接收，并被記錄系統(tǒng)以一定的數(shù)據(jù)間隔記錄下來。另外在零光程附近，可以通過觀察窗在接收器1的端面上看到白光干涉

11、的彩色斑紋。系統(tǒng)內(nèi)置的參考光源為He-Ne激光器，利用He-Ne激光器突出的單色性對其它光源的干涉圖進行位移校正，有效的修正了掃描過程中由于電機速度變化造成的位移誤差?！緦嶒瀮?nèi)容】 1. 鈉燈輻射光譜的測定(1). 連接傅里葉變換光譜實驗系統(tǒng)及其與計算機接口；(2). 打開實驗裝置和待測光源的電源，預熱15分鐘；(3). 運行實驗裝置的應用軟件；(4). 進行采集前的參數(shù)設置工作；(5). 執(zhí)行采集命令，并將采集到的干涉圖數(shù)據(jù)在工作區(qū)中繪制成干涉圖；(6). 將采集到的干涉圖進行傅立葉變換，得到干涉圖變換后的光譜圖2. 汞燈輻射光譜的測定實驗步驟同上?！緦嶒灲Y(jié)果】待測光源激光器信號采集結(jié)果得到

12、干涉圖變換后的光譜圖【思考題】1. 實驗中使用的擴展光源需注意哪些要求？為什么？答：方向性、單色性好，單色性好才能形成干涉實驗五 電子散斑干涉實驗【實驗目的】1、了解電子散斑干涉原理；2、掌握干涉光路及圖像處理軟件；3、學會使用XGS-I型電子散斑干涉(ESPI)實驗系統(tǒng)來測量三維面內(nèi)和離面位移和振動；4、運用該系統(tǒng)進行無損檢測?！緝x器用具】激光器、平面鏡、擴束鏡、分光鏡、成像透鏡、CCD攝像機、圖象采集卡、計算機?！驹怼?、基本原理電子散斑干涉實驗原理見下圖 電子散斑干涉技術是利用被測物體的粗糙表面所造成的漫反射光與參考光之間的干涉進行測量，當激光照射在被測物體表面時，其漫反射在探測器件C

13、CD表面的光場分布為：其中，是光的振幅，是被測物體反射后的光波相位。電子散斑干涉技術與全息技術類似需要一束參考光。參考光的探測器表面的光場分布可以表示為： 這兩束物光與參考光在CCD表面上形成光強I(r)為： 當被測物體發(fā)生形變后，表面各點的散斑場振幅基本不變，而相位將改變?yōu)榧炊冃吻昂蟮膮⒖脊獠ňS持不變。這樣一來，變形后的合成光強I (r)為： 對于全息干涉，它是把兩個不同時刻的光強記錄在同一干版，即產(chǎn)生疊加效應，而電子散斑則是對兩個光強進行相減處理。 可見，處理后的光強是一個含有高頻載波項 ( )+ (r)/2 的低頻條紋sin(r)/2)。該低頻條紋取決于物體形變引起的光波相位改變。這個

14、光波相位變化與物體形變關系不難從光波傳播的理論推導出來，即有 其中是所用的激光波長，是激光與物體表面法線的夾角，d1是物體形變的離面位移，d2 是物體形變的面內(nèi)位移。 在一般情況下，照明角度較小，即cos1，sin0，所以這種單光術照明的電子散斑干涉對離面位移比較敏感，而對面內(nèi)位移不敏感，這和全息干涉技術相類似。因為光程差是產(chǎn)生相位變化的主要原因，而光程差又主要和物體形變有關。 設物體的離面形變?yōu)閐(x,y)，相應的相位改變?yōu)?2/2d(x,y),如果=2n時，變化前后的散斑圖象完全相同。于是有d(x,y) = n/2 其中，n 是干涉條紋的級數(shù)，當n(x,y)=0,1,2.時，觀察到暗條紋。

15、2、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)XGS-I型電子散斑干涉(ESPI)實驗系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如下圖（1）被測物體被測物體有兩個，一是通電加熱的被測物體1，一是手動調(diào)節(jié)的被測物體2，二者都是為了產(chǎn)生一定量的形變。被測物體1主體是60mm60mm15mm的金屬鋁塊，上部有三根電阻絲，接通電源后，電阻絲發(fā)熱，鋁塊受熱膨脹，使得被測物體表面產(chǎn)生形變，上面較高，下面較低，呈梯形.附帶變壓器，可調(diào)范圍為0伏-110伏.調(diào)節(jié)的電壓越高，物體形變越快，注意防止物體形變過快，以至妨礙實驗效果.注意，在開始新的實驗之前，要確定被測物體是經(jīng)過冷卻的。在測試階段得到的一次實例數(shù)據(jù)如下，相應示意曲線見下圖(電壓為最大，即110V，環(huán)境溫度為2

16、2)： 被測物體2是靠手動調(diào)節(jié)產(chǎn)生形變的，正面上部的金屬片接受激光的照射，背面上部的螺絲用來粗調(diào)，下面的螺旋測微器旋鈕用來細調(diào)。（2）激光器采用He-Ne激光器，功率為1.5mW，波長632.8 nm,附有專用電源. （3）外部光路由透鏡、反射鏡等組成透鏡組，完成分光、反射、成象、產(chǎn)生光斑等功能. 光路圖見上面的“電子散斑結(jié)構(gòu)圖”. （4）探測系統(tǒng)采用黑白CCD攝像機，有效象素數(shù)不低于752(H)582(V). （5）數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)收集采用黑白圖象采集卡，NTSC制信號，分辨率設定為640 480 16位.圖象的實時顯示、過程控制、數(shù)據(jù)的分析及處理由配套軟件完成.計算機的分辨率推薦調(diào)整為1024

17、 768 16位.此時效果最好.打印機推薦為彩色打印機. 【實驗內(nèi)容】 (1) 連接好實驗系統(tǒng)電纜和黑白攝像機與圖象采集卡之間的視頻電纜；(2) 打開激光器的電源；(3) 調(diào)整各個光學器件的位置及角度，直到在白屏上清楚的看到邁克爾孫（Michelson）干涉條紋后，固定各個器件的位置，將白屏撤掉，在它的位置上擺放黑白攝像機；(4) 打開其它儀器的電源，注意把被測物體的可調(diào)電源的電壓調(diào)到0；(5) 啟動計算機，將顯示器的分辨率設置為102476816位,運行控制程序；(6) 首先設置采圖方式為手動，點擊“控制”菜單里“開始”菜單，或者點擊工具條上的“開始”按鈕，或者直接按F1鍵，調(diào)整黑白攝像機的

18、位置，直到在主工作區(qū)看到實時顯示的清晰的邁克爾孫（Michelson）干涉條紋；(7) 設置顯示模式、采集方式、保存路徑、采圖速度等參數(shù)；(8) 將被測物體的可調(diào)電源的電壓調(diào)到適當值，(電壓值視具體情況而定，以便控制被測物體形變的速度，進而控制實驗的速度)；(9) 點擊“控制”菜單里“開始”菜單，或者點擊工具條上的“開始”按鈕，或者直接按F1鍵，開始采集圖象。若采集方式為手動，可以隨時點擊“控制”菜單里“抓圖并保存”菜單，或者點擊工具條上的“抓圖”按鈕，或者直接按F4鍵來采集一幅圖象到設置好的保存路徑中，也會將此圖加入到左側(cè)的圖象列表中，同時主工作區(qū)右側(cè)會給出一些信息提示；若采集方式為自動，則

19、控制程序按照用戶設置好的參數(shù)，每間隔一定時間，采集一幅圖象到設置好的保存路徑中，也會將此圖加入到左側(cè)的圖象列表中，同時主工作區(qū)右側(cè)會給出一些信息提示；(10) 處理采集到的數(shù)據(jù)；(11) 退出控制程序；(12) 關閉各個儀器的電源；(13) 整理儀器?！緦嶒灲Y(jié)果】【思考題】1. 試討論引起引起測試過程中誤差的因素，并如何克服？答：測量形變過程中如果物體有少量位移可能造成誤差，克服方法縮短記錄時間。2. 試討論使用電子散斑法測量三維面內(nèi)和離面位移以及振動之間需要注意的差別，為什么？答：測量離面位移抓取圖片為發(fā)生位移前后的圖片，測量震動時抓取圖片的時間間隔應該較短，因為震動測量是測量位移與時間的關

20、系。實驗六 數(shù)字式光學傳遞函數(shù)測量和透鏡像質(zhì)評價實驗【實驗目的】1、 了解光學鏡頭傳遞函數(shù)測量的基本原理；2、 掌握傳遞函數(shù)測量和成像品質(zhì)評價的近似方法；3、 學習抽樣、平均和統(tǒng)計算法?！緝x器用具】導軌、多用途LED面光源、雙膠合透鏡、分光鏡、波形發(fā)生器、CCD攝像機、CCD光闌、圖象采集卡、計算機?！驹怼抗鈱W傳遞函數(shù)（Optical transfer function, OTF）表征光學系統(tǒng)對不同空間頻率的目標的傳遞性能，廣泛用于對系統(tǒng)成像質(zhì)量的評價。傅里葉光學證明了光學成像過程可以近似作為線形空間中的不變系統(tǒng)來處理，從而可以在頻域中討論光學系統(tǒng)的響應特性。任何二維物體o(x, y)都可以

21、分解成一系列x方向和y方向的不同空間頻率(x,y)簡諧函數(shù)(物理上表示正弦光柵)的線性疊加： (1)式中o(x,y)為o(x, y)的傅里葉譜，它正是物體所包含的空間頻率(x,y)的成分含量，其中低頻成分表示緩慢變化的背景和大的物體輪廓，高頻成分則表征物體的細節(jié)。當該物體經(jīng)過光學系統(tǒng)后，各個不同頻率的正弦信號發(fā)生兩個變化：首先是調(diào)制度（或反差度）下降，其次是相位發(fā)生變化，這一綜合過程可表為 (2)式中i(x,y)表示像的傅里葉譜。H(x,y)稱為光學傳遞函數(shù)，是一個復函數(shù)，它的模為調(diào)制度傳遞函數(shù)（modulation transfer function, MTF），相位部分則為相位傳遞函數(shù)（p

22、hase transfer function, PTF）。顯然，當H=1時，表示像和物完全一致，即成像過程完全保真，像包含了物的全部信息，沒有失真,光學系統(tǒng)成完善像。由于光波在光學系統(tǒng)孔徑光欄上的衍射以及像差（包括設計中的余留像差及加工、裝調(diào)中的誤差），信息在傳遞過程中不可避免要出現(xiàn)失真，總的來講，空間頻率越高，傳遞性能越差。對像的傅里葉譜i(x,y)再作一次逆變換，就得到象的復振幅分布：調(diào)制度m定義為 (4)式中Amax和Amin分別表示光強的極大值和極小值。光學系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)可表為給定空間頻率下像和物的調(diào)制度之比： (5)除零頻以外，MTF的值永遠小于1。MTF(x,y)表示在傳遞過程

23、中調(diào)制度的變化，一般說MTF越高，系統(tǒng)的像越清晰。平時所說的光學傳遞函數(shù)往往是指調(diào)制度傳遞函數(shù)MTF。圖1給出一個光學鏡頭的設計MTF曲線，不同視場的MTF不相同。 在生產(chǎn)檢驗中，為了提高效率，通常采用如下近似處理：（1）使用某幾個甚至某一個空間頻率0下的MTF來評價像質(zhì)。（2）由于正弦光柵較難制作，常常用矩形光柵作為目標物。本實驗用CCD對矩形光柵的象進行抽樣處理，測定象的歸一化的調(diào)制度，并觀察離焦對MTF的影響。該裝置實際上是數(shù)字式MTF儀的模型。 一個給定空間頻率下的滿幅調(diào)制(調(diào)制度m=1)的矩形光柵目標物如圖2(a)所示。如果光學系統(tǒng)生成完善像，則抽樣的結(jié)果只有0和1兩個數(shù)據(jù)，像仍為矩

24、形光柵。在軟件中對像進行抽樣統(tǒng)計，其直方圖為一對函數(shù)，位于0和1。見圖2(b)及2(c)如上所述，由于衍射及光學系統(tǒng)像差的共同效應，實際光學系統(tǒng)的像不再是矩形光柵，如圖3(a)所示，波形的最大值Amax和最小值Amin的差代表像的調(diào)制度。對圖3(a)所示圖形實施抽樣處理，其直方圖見圖3(b)。找出直方圖高端的極大值mH和低端極大值mL，它們的差mH- mL近似代表在該空間頻率下的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF的值。為了比較全面地評價像質(zhì)，不但要測量出高、中、低不同頻率下的MTF，從而大體給出MTF曲線，還應測定不同視場下的MTF曲線?！緦嶒瀮?nèi)容】 1. 將實驗系統(tǒng)中光學及機械調(diào)整部件安裝好，固定到導軌上，

25、CCD與圖像卡相連。2. 調(diào)節(jié)各光學元件，中心等高對正。適當調(diào)節(jié)待測透鏡和CCD的相對位置，通過物距和像距的控制，使波形發(fā)生器的像清晰地成在CCD的靶面上。打開圖像采集軟件，以屏幕中得到最清晰的像為準（像的清晰程度受待測透鏡的成像質(zhì)量影響，找到相對最清晰的位置即可）。3. 波形發(fā)生器只使用有水平條紋和豎直條紋的單元的部分，將該部分在光路中對正。該部分由多個不同空間頻率的條紋單元組成，選擇想要測量的空間頻率的條紋單元，移動波形發(fā)生器使該單元至屏幕中心。4. 點擊界面左側(cè)的“局部存儲”快捷按鈕，或點擊界面上方的“圖像處理”，選擇下拉菜單中的“局部存儲”，此時整個圖像靜止（左側(cè)大恒標識中的紅圈停止轉(zhuǎn)

26、動），屏幕上會出現(xiàn)一紅色方框（沿對角線拖動大小可變，敲擊空格鍵紅框消失，界面解除靜止，再次敲擊空格鍵，界面又將靜止）。將該方框平拖至水平條紋部分，雙擊方框內(nèi)部分，將所采集圖像的文件存至Mcad文件夾中。如此再將豎直條紋部分、全白部分、全黑部分采集圖像的文件也存至Mcad文件夾中。5. 運行Mcad文件夾中的MTF-new.MCD文件，打開MTF數(shù)據(jù)處理程序。將先前保存在Mcad文件夾中的四個文件的文件名分別復制入相應位置的引號內(nèi)，該程序會將處理結(jié)果展示在下面，并在最后給出水平方向和豎直方向的MTF值。6. 局部存儲時的紅色方框應包含三條以上的亮條紋或黑條紋。7. 光源可以分別發(fā)出紅、綠、藍三色光，可以用來分別測出三種波長光照明下的MTF值?！緦嶒灲Y(jié)果】紅光綠光藍光【思考題】1. 評價光學系統(tǒng)成像質(zhì)量的方法有哪些？答：瑞利判斷與波前圖、中