基于分振幅干涉的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

基于分振幅干涉的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革發(fā)展規(guī)劃綱要》（2010-2010）提出“堅(jiān)持以人為本，促進(jìn)人才培養(yǎng)是教育改革發(fā)展的戰(zhàn)略思想”。他指出的重點(diǎn)是“面向所有學(xué)生，促進(jìn)學(xué)生全球發(fā)展，自覺(jué)提高學(xué)生為國(guó)家和人民服務(wù)的社會(huì)責(zé)任感，敢于創(chuàng)新精神和解決問(wèn)題的實(shí)踐能力”。高等院校必須加快教學(xué)改革,面向社會(huì)發(fā)展需要,培養(yǎng)創(chuàng)新人才。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生能力的重要環(huán)節(jié),在加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的素質(zhì)教育與培養(yǎng)創(chuàng)新能力方面有著重要的、不可替代的作用。1增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)造興趣作為一所地方性師范本科院校,我們?cè)谖锢砭C合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)中,借鑒其他高校的經(jīng)驗(yàn),但沒(méi)有照搬,而是結(jié)合自己的實(shí)際情況,利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室資源,精心設(shè)計(jì)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案,實(shí)現(xiàn)以實(shí)驗(yàn)教師為中心到以學(xué)生為主體的觀念的轉(zhuǎn)變,使實(shí)驗(yàn)具備以下特點(diǎn):(1)豐富的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課產(chǎn)生濃厚的興趣;(2)學(xué)生自由選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,自己動(dòng)手準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn),鍛煉了綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去分析和解決問(wèn)題的能力;(3)通過(guò)課后的總結(jié)、答辯,進(jìn)一步加深對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解,拓寬了知識(shí)面,充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性,培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造能力和獨(dú)立工作能力。邁克爾遜干涉儀是一種典型的利用分振幅方法實(shí)現(xiàn)干涉的光學(xué)儀器,設(shè)計(jì)精巧、光路直觀、結(jié)構(gòu)精密復(fù)雜,被廣泛用于科學(xué)研究和檢測(cè)技術(shù)等領(lǐng)域。利用邁克爾遜干涉儀,能以極高的精度測(cè)量長(zhǎng)度的微小變化及其與此相關(guān)的物理量,如果與CCD圖像采集與處理系統(tǒng)等現(xiàn)代監(jiān)測(cè)技術(shù)結(jié)合,可以實(shí)時(shí)觀測(cè)和分析各種干涉現(xiàn)象的變化,達(dá)到干涉檢測(cè)和自動(dòng)控制的目的。因此利用邁克爾遜干涉儀進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),具有變化多、內(nèi)容豐富、研究性突出等特點(diǎn)。大多數(shù)高校開(kāi)設(shè)的都是應(yīng)用邁克爾遜干涉儀觀察等傾干涉條紋以及測(cè)定光的波長(zhǎng),此實(shí)驗(yàn)被學(xué)生認(rèn)為是難調(diào)節(jié)、最枯燥、最傷眼睛的實(shí)驗(yàn)之一,而且無(wú)創(chuàng)新。長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐表明,若對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展和延伸,打造成綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),能收到很好的教學(xué)效果。2擴(kuò)展現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容由于學(xué)時(shí)的限制,原來(lái)的光學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有一定局限性。我們從分振幅干涉理論出發(fā),從實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器等多個(gè)角度進(jìn)行拓展與創(chuàng)新。2.1接觸偏振片a、c如圖1所示,原有的邁克爾遜干涉儀上裝置不變,只需要在光路中多加4個(gè)偏振片,用來(lái)在不同情況下觀察偏振光的干涉。(1)先不要向光路中放入偏振片,按照一般情況,首先調(diào)節(jié)好邁克爾遜干涉儀,使毛玻璃上呈現(xiàn)出明亮清晰的等傾干涉條紋;給光路中加入偏振片B、C,讓它們的透射軸分別垂直于光束的傳播方向,即此時(shí)的B、C透射軸互相平行。這時(shí),在毛玻璃上同樣觀察到明亮清晰的干涉條紋。轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片C,讓其透射軸與B相互垂直,則屏上的干涉條紋消失;給光路中加入偏振片D,原來(lái)屏上消失的干涉條紋又重新出現(xiàn);給光路上再加入偏振片A,并改變偏振片A的透射軸取向;觀察毛玻璃屏上的條紋變化,記錄并進(jìn)行分析。(2)觀察與思考。用1/8波片代替原來(lái)的偏振片B和C,并且使2個(gè)1/8波片的軸均與偏振片A的軸(或線偏振激光束的偏振化方向)成45°角,去掉原來(lái)的偏振片D。由于參與干涉的2束光線都是2次通過(guò)1/8波片,所以2束光都是圓偏振光。2.2薄膜薄透明體厚度的影響測(cè)量裝置如圖2所示,用擴(kuò)展白光作光源。當(dāng)把薄透明體置于一個(gè)光路上時(shí),由于光程差的變化,中央條紋將移出視場(chǎng)中央。設(shè)透明體厚度為t,折射率為n,空氣折射率為n0,則光程變化Δ′=2t(n-n0)。調(diào)節(jié)M1的位置,使中央條紋重新出現(xiàn)在原來(lái)位置,即視場(chǎng)中央,此時(shí)因M1移動(dòng)距離d′而引起的光程變化為2d′n0,正好與插入薄膜所引起的光程變化相等,即有:t=d′n0/(n-n0),測(cè)得M1移動(dòng)距離d′,則可算出薄透明體的厚度。如已知薄透明體的厚度為t,則可求出其折射率n。當(dāng)薄透明體的厚度大于2.5mm時(shí),由于薄透明體對(duì)白光的色散,不同波長(zhǎng)成分的光形成干涉圖樣錯(cuò)開(kāi)排列,且隨著厚度的增大,干涉圖樣錯(cuò)開(kāi)越大。當(dāng)厚度增大到一定程度,各種波長(zhǎng)的干涉圖樣相互交錯(cuò)重疊,致使干涉條紋可見(jiàn)度為零。因此,對(duì)于較厚薄透明體的測(cè)量,不能采用邁克爾遜白光干涉的實(shí)驗(yàn)方案,應(yīng)采用He-Ne激光器作為單色光源。2.3求解紫外光干涉條紋在該實(shí)驗(yàn)中,由于白光的彩色條紋只有幾條,如果移動(dòng)過(guò)快,條紋極易一晃而過(guò),難于察覺(jué).如何迅速找到白光干涉條紋呢?文獻(xiàn)介紹了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法:將光柵放在眼前,并使其刻痕保持豎直方向,眼睛透過(guò)光柵觀察有白光照明的干涉場(chǎng)。文獻(xiàn)介紹了先在白光光源前放置干涉濾光片,使光譜范圍減小,則相干長(zhǎng)度增大到白光干涉時(shí)的大約1～2個(gè)數(shù)量級(jí),放置干涉濾光片后,可以很快找到干涉條紋.3附加光程差對(duì)干涉文本的影響邁克爾遜干涉儀中補(bǔ)償板的作用是補(bǔ)償2束相干光束因通過(guò)分光板次數(shù)不同而引起的附加光程差,不加補(bǔ)償板和補(bǔ)償板與分光板未能達(dá)到完全平行時(shí),附加光程差對(duì)干涉圖樣有什么樣的影響,我們讓學(xué)生分別進(jìn)行討論。3.1附加光程差對(duì)樣本形狀的影響如果沒(méi)有補(bǔ)償板G2,則由S發(fā)出的光,經(jīng)分光板G1鍍膜面反射和透射,形成2束相干光,經(jīng)M1反射的光束比經(jīng)M2反射的光束多經(jīng)過(guò)分光板2次,反射鏡M1和M2相互垂直,則M1和M′2相互平行,經(jīng)M1和M′2反射的2束光光程差為:Δ=2dcosθ+Δ′(1)式中d為空氣層M1和M′2厚度,θ為光線在M1和M′2鏡的入射角和反射角,Δ為光束經(jīng)過(guò)分光板2次產(chǎn)生的附加光程差。設(shè)分光板厚度為D,折射率為n,光線2次通過(guò)分光板時(shí)的出射角和入射角為i和i′,則附加光程差為:Δ′=D[(n2?sin2????????√i?cosi)+(n2?sin2i′?????????√?cosi′)](2)我們用單色光照明做實(shí)驗(yàn),在觀察屏E上只能看到二次曲線形狀的干涉圖樣。慢慢移動(dòng)反射鏡M1向分光板靠近,圖樣隨光程差的變化而變化。特點(diǎn)是:在光程差很大(即M1和M′2相距很遠(yuǎn))時(shí)為圓形圖樣,隨光程差不斷減小,橢圓長(zhǎng)軸由水平方向變?yōu)樨Q直方向,雙曲線為一對(duì)共軛雙曲線?？梢?jiàn),附加光程差改變了干涉圖樣的形狀。因此,在M1和M′2平行時(shí),我們不可能觀察到形狀不隨光程差變化的等傾干涉圓形圖樣;在M1和M′2相交時(shí),因?yàn)楦郊庸獬滩钶^大,大于白光的相干長(zhǎng)度,所以用白光照明看不到干涉現(xiàn)象。3.2等傾干涉彩色培養(yǎng)若將補(bǔ)償板G2由原來(lái)與水平方向成45°位置轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度,入射角由i變?yōu)閕+Δi,當(dāng)M1、M2相互垂直,進(jìn)入干涉儀的任一束光經(jīng)分光板G1鍍膜面反射和透射達(dá)M1和M2反射的2束光光程差為Δ=2dcosθ+Δ′,設(shè)G1、G2厚度都為D,折射率為n,光束通過(guò)G1和G2的單次光程為L(zhǎng)1和L2,則光線2次通過(guò)G2的附加光程差為:Δ′=n2D[sinicosi(n2?sin2i)?n2?sin2i√Δi+sini′cosi′(n2?sin2i′)?n2?sin2i′√Δi′](3)用單色光照射時(shí),如果仍在E處觀察,圓形等傾干涉條紋變成橢圓形,而對(duì)于等厚干涉條紋沒(méi)有什么變化。用白光照射時(shí),等傾干涉彩色圓環(huán)條紋將變成橢圓形。同理,白光等厚干涉彩色直線形條紋將會(huì)變成稍為彎曲的曲線,并且色彩分布也不再具有對(duì)稱(chēng)性,缺少白光等厚干涉所獨(dú)有的中央零級(jí)條紋,凡通過(guò)觀察白光零級(jí)干涉條紋來(lái)實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)展測(cè)量實(shí)驗(yàn)也就無(wú)法進(jìn)行。3.3日本轉(zhuǎn)化率設(shè)邁克爾遜干涉儀中補(bǔ)償板G2的厚度t=2mm,折射率為n2=2√。將補(bǔ)償板G2由原來(lái)與水平方向成45°位置轉(zhuǎn)至豎直的位置,設(shè)入射光的波長(zhǎng)為632.8nm,確定在視場(chǎng)中,能觀察到多少條亮條紋移過(guò)。4莫爾光柵位移測(cè)量系統(tǒng)及圖像數(shù)據(jù)采集除了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的橫向拓展與縱向深入,把一些現(xiàn)代新發(fā)展的光學(xué)測(cè)量技術(shù)引入實(shí)驗(yàn),也是綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的重要來(lái)源。實(shí)際上,這些內(nèi)容往往原理較深、儀器較復(fù)雜,因而直接引入一般教學(xué)實(shí)驗(yàn)相當(dāng)困難;而綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的學(xué)時(shí)較長(zhǎng)、教學(xué)方法靈活,為這些內(nèi)容的引入創(chuàng)造了十分有利的條件。用CCD技術(shù)和莫爾條紋光柵位移傳感器設(shè)計(jì)光學(xué)球面半徑的測(cè)量系統(tǒng)。光學(xué)球面曲率半徑是決定光學(xué)球面光學(xué)特性的重要參量,通過(guò)測(cè)量光學(xué)球面的曲率半徑,可以審核光學(xué)元件設(shè)計(jì)制造質(zhì)量。在基于白光干涉理論基礎(chǔ)上,將莫爾光柵位移測(cè)量裝置及CCD數(shù)字圖像采集處理系統(tǒng)集成到邁克爾遜干涉儀上,構(gòu)建光學(xué)球面曲率半徑自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。對(duì)于曲率半徑為R的球面(見(jiàn)圖3),只要分別測(cè)出2次相交圓半徑r1、r2和矢高H1、H2之差,則有R=(r21?r224ΔH?ΔH)+r21???????????????√。利用帶有補(bǔ)償板的邁克爾遜干涉儀的白光干涉零級(jí)暗紋定位,可以測(cè)出平面與球面2次相交圓的半徑及球面的矢高H1和H2之差ΔH。測(cè)量裝置如圖4所示,所用光源為白光擴(kuò)展光源,邁克爾遜干涉儀的反射鏡M2用被測(cè)球面替換,另一反射鏡M1為可動(dòng)平板?？蓜?dòng)平板中的其中一面為光學(xué)平面。在圖4中作出被測(cè)球面的虛球面,它是分光板的分光面對(duì)被測(cè)球面所成的鏡象?？蓜?dòng)平板光學(xué)平面與分光板的分光面成45°角,并給出了可動(dòng)平板關(guān)于分光板G1的分光板面所成的鏡像M′1和M′2,將可移動(dòng)平板光學(xué)平面移動(dòng)到其像位位置A和B,分別測(cè)出此時(shí)的暗圓環(huán)條紋半徑r1和r2,再根據(jù)公式計(jì)算出光學(xué)球面曲率半徑R。通過(guò)光柵位移測(cè)量系統(tǒng)可以測(cè)量出可動(dòng)平板的光學(xué)平面移動(dòng)的距離。由學(xué)生通過(guò)所學(xué)光學(xué)測(cè)量等相關(guān)知識(shí),組建莫爾光柵位移測(cè)量系統(tǒng)和用線陣CCD圖像采集與處理系統(tǒng);應(yīng)用數(shù)字圖像處理、測(cè)量與識(shí)別技術(shù),對(duì)CCD采集的圖像進(jìn)行圖像平滑、圖像銳化、圖像的二值化處理、圖像尺寸計(jì)算;采用光柵位移測(cè)量技術(shù)對(duì)光學(xué)球面位移進(jìn)行測(cè)量,加入控制卡,設(shè)計(jì)了光柵位移傳感器與計(jì)算機(jī)控制卡接口電路,實(shí)現(xiàn)了位移量的自動(dòng)處理,因此可以自