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1 激光与光学信息技术系列实验 上课地点 : 光电学院 104

2 关于实验课的要求 : (1) 时间安排 : 上课时间 : 实验要分批进行, 请教师与学生协调安排 (2) 实验报告的写法 : 光学实验大部分是动手操作实验, 请同学们在实验之前做好充分的预习工作, 做到有备而来, 写好实验预习报告, 实验结束之后完成整个实验报告, 并在下次上课时交给老师 预习 : 实验目的, 实验原理, 实验方法 内容, 原理图, 注意事项 ( 另外, 每次实验课开始前, 要对实验内容进行随机的提问和简短答辩, 并当堂记录成绩, 请同学们有备而来 ) 完成 : 数据处理, 思考题, 实验相关现象的记录和分析

3 (2) 实验室的维护 : 请每位同学穿好鞋套进入实验室! 离开实验室时随手带走垃圾 纸屑, 保证实验台面和实验室的整洁 卫生

4 实验室 实验仪器 ( 光学器件 ) 的维护 : 进入实验室后, 首先要熟悉实验台上本实验所用仪器和光学元件, 注意不要用手去触摸光学元件表面, 如反射镜分光镜等 光学器件要轻拿轻放, 本实验不使用的器件应事先移开 熟悉实验内容后打开 CSY-10L 型激光多功能光电测试系统实验仪的电源开关, 点亮 He-Ne 激光器预热, 并等待其光强稳定 接收图像时, 检查 CCD 上电信号灯是否点亮, 打开 PZT 控制电源

5 1 不可以用眼睛直视激光器出口, 以免造成视网膜的损伤 2 光学元件的光学表面 ( 如平面反射镜, 分光棱镜等的镜面 ) 不得触摸或玷污, 若不小心碰触元件的光学表面不可擅自处理, 应报告实验室人员按操作规程妥善处理 3 玻璃器件应轻拿轻放, 不要将玻璃器件移离桌面, 以防落地损坏

6 课程安排 ( 时间, 实验名称 ) 实验理论与操作总述 干涉实验 : 1 位移量的激光干涉测量方法 2 面型的三维干涉测量及评价 衍射实验 : 3 缝宽或间隙的衍射测量 4 微孔直径的测量 5 Babinet 原理与细丝直径测量 6 变形的全场衍射测量 综合性实验 : 7 4f 光学系统的 FT 及 IFT 系统 8 激光调腔 9 固体激光倍频 调 Q 实验

7 参考书目 : 物理光学 应用光学 激光原理

8 实验课的理论介绍 : CSY-10L 型多功能光学实验系统,He-Ne 激光 (632.8nm; 功率 < 3 mw)

9 送 14 计算 23 机 33a b 压电陶瓷 1- 激光器 2,17- 衰减器 3,5,11- 定向孔 4,13- 移动反射镜 6,7,9,12- 反射镜 8,29- 物镜 10- 准直透镜 14- 分光棱镜 15- 共焦显微镜 16- 多功能试件夹及组合工作台 18- 带压电陶瓷的组合工作台 19,27- 衍射试件平台 20- 成像透镜 21- 目镜 22- 可调光阑 23- 光电接收器 24- 导轨 25,28- 直角棱镜 26- 傅氏透镜 30- 五维调节架 31- 光纤分束器 32- 光纤 33a- 外置式光纤传感器 33b- 内置式光纤传感器 34- 光纤夹持器 35- 备用试件架

10 实验系统 : 1 Tyman-Green 干涉系统 * 2 衍射计量系统 * 3 散斑干涉系统 4 共焦测量系统 5 纳米测量系统 6 傅氏变换光学系统 * 7 光纤传感系统

11 光源 :He-Ne 激光 (λ=632.8nm; 功率 = 3 mw) 衰减器 : 随着镜片旋转, 衰减比率不同

12 可调光阑 :

13 生物透镜 : 作用是将点光源转换为面光源

14 1 准直透镜 2 傅氏透镜 : 会聚透镜除了具有成像性质外, 最有用的就是它还具有进行二维傅立叶变换的本领 由物理光学可知, 在单位振幅的平面光波垂直照明下的夫朗和费衍射, 恰好实现衍射屏透过率函数的傅立叶变换 < 4f 光学系统的 FT 及 IFT 系统 > 成像透镜 : f = 20cm

15 分光棱镜 : 注意方向性 M 1 W 1 A W 2 W 1 S L 1 M 2 L 2 三棱镜, 直角棱镜 眼睛 CCD 用于图像采集

16 基于光的干涉理论所开设的实验项目 实验一位移量的激光干涉测量方法 实验三面型的三维干涉测量及评价 实验五光学系统的 PSF 及 MTF 测量与评价 干涉的类型 干涉仪的种类

17 实验一 : 位移量的激光干涉测量方法 本实验采用泰曼 - 格林 (Twyman-Green) 干涉系统,T-G 干涉系统是著 名的迈克尔逊白光干涉仪的简化 用激光为光源, 利用光的干涉原理, 可获 得清晰 明亮的干涉条纹 M 1 W 1 A W 2 W 1 S L 1 M 2 L 2 眼睛

18 送 24 计 算机 PZT 18 激光器发出的激光经衰减器 ( 用于调节激光强度 ) 后由二个定向小孔引导, 经反射镜, 进入扩束准直物镜, 由分光镜 (BS) 分成二束光, 分别由反射镜 (M1,M2) 反射形成干涉条纹并经成像物镜 (L2) 将条纹成于 CCD 上, 这样在计算机屏上就可看到干涉条纹, 实现微位移量的测量

19 测量原理 : l N 2

20 问题 : 比较两张图的异同, 干涉系统中在什么情况下 可以出现这两种图?

21 过程图 :

22 期望的效果图 :

23 实验三 : 面形的三维干涉测量及评价 (PV 值与 RMS 值 ) 实验目的 1 了解激光干涉的近代方法 数字干涉技术的原理和方法掌握干涉的实时检测技术 2 了解表面三维形貌的高精度实时测量原理 3 实测一个平面光学零件的表面形貌 4 对评价指标 PV,RMS 的定义有所掌握 PV 值 是表面形貌的最大峰谷值 RMS 值 是表面形貌的均方根值,

24 随着电子技术与计算机技术的发展, 并与传统的干涉检测方法结合, 产生了一种新的位相检测技术 数字干涉技术, 这是一种位相的实时检测技术 这种方法不仅能实现干涉条纹的实时提取, 而且可以利用波面数据的存储功能消除干涉仪系统误差, 消除或降低大气扰动及随机噪声, 使干涉技术实现 /100 的精度, 这是目前干涉仪精度最高的近代方法 4 光源 L1 L 驱动器计算机软件 数字干涉系统 L1 准直物镜,L2 成像物镜,1 被测件,2 参考镜, 3 压电器件 (PZT), 4 成像光电器件 (CMOS)

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26 被测工件 : 平面镜

27 实验五 光学系统的 PSF 及 MTF 评价 光学系统相对于理想物点的成像点的质量, 可作为光学系统成像质量的评价指标 实验中为便于形成理想物点, 对一般光学系统, 通常选择理想物点位于光轴上的无穷远处, 即采用平行光入射被测光学系统的方法, 这时所要考察的像方焦点的分布即为点扩散函数 PSF 调制传递函数 (MTF) 反映了光学系统对不同分辨率的物点在其相应的像点中对比度的下降情况

28 实验目的 : 了解光学系统波差的基本物理概念 掌握光学系统波差的激光干涉测量方法 了解光学系统的 PSF 及 MTF 的基本物理概念 掌握利用干涉法测波差求 PSF 及 MTF 的基本方法 如果光学系统存在像差, 其出瞳平面上的光振动的位相分布与理想球面波所对应的位相分布将存在差异, 实际光波和理想球面波之间的偏差, 称为波差 在获得波差的条件下, 由程序进一步自动计算 PSF 与 MTF

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30 基于光的衍射理论所开设的实验项目 实验六缝宽或间隙的衍射测量实验七微孔直径的测量实验八 Babinet 原理与细丝直径测量实验九变形的全场衍射测量 光的衍射理论回顾

31 实验六缝宽或间隙的衍射测量 激光衍射计量的基本原理是利用激光下的夫朗和费衍射效应 夫朗和费衍射是一种远场衍射 衍射计量是利用被测物与参考物之间的间隙所形成的远场衍射来完成 送计算机

32 ZD1 ZD 通过实验可以观察到不同形状下的衍射图样 利用激光下形成的清晰衍射条纹就可以进行微米量级的非接触的尺寸测量 R w t

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34 方孔衍射图样 圆孔衍射图样

35 三角孔衍射图样

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37 单缝衍射图样 双缝衍射图样 三缝衍射图样 多缝衍射图样

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40 底色模糊的原因 : 是没有正确消除环境光的影响

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43 实验七微孔直径的衍射测量 由物理光学知道, 平面波照射的开孔不是矩形而是圆孔时, 其远场的夫朗和费衍射像是中心为一圆形亮斑, 外面绕着明暗相间的环形条纹 这种环形衍射像就称为爱里圆斑 中央亮斑集中了 84% 左右的光能量 实验目的 : 了解爱里圆 (Airy) 测定法利用爱里圆测定法测量微孔直径 d f ' 1.22 a

44 四种图形理想的衍射图样

45 实验八巴俾特原理及细丝直径测量 了解巴俾特 (Babinet) 原理, 利用互补测定法测量细丝直径 激光衍射互补测定法的原理是基于巴俾特原理 设一个任意形状的开孔, 在平面波照射下, 在接收屏上的复振幅用 U 1 表示 ; 用同一平面波照射其互补屏时, 在接收屏上其复振幅用 U 2 表示 当互补屏叠加时, 开孔消失, 在接收屏上的光强分布也应消失, 合成复振幅应为零 两个互补屏所产生的衍射图形, 其形状和光强完全相同, 仅位相相差, 这就是巴俾特原理 对激光衍射条纹来说, 原来是亮条纹的位置上互补时同样出现亮条纹 利用这个互补原理, 就可以测定各种圆盘 细丝和窄带的尺寸

46 ZD1 ZD t 激光 d f θ x n d n x x 2 n n f ' 2 图 8.2 互补法测量的计

47 实验九变形的全场衍射测量 当激光衍射不仅发生在一点上, 而发生在被激光照明的狭缝全长上, 就可测定全长上的变形量, 因此, 激光衍射是一种有效的全场测量 变形的衍射全场测量是一种设备简单, 技术可靠的方法 当柱体试样没有承载受力时, 衍射条纹是近于平行的直线, 当加载后, 得到反映柱体变形的二维衍射条纹 测量条纹的形变就获得精密的一个截面上的变形量, 转动试样并作连续记录就可测定试件的三维变形 因此, 可以快速精密测量直线性 平行度 表面平整度等各种计量指标

48 玻璃棒 送 计算机 23 全场衍射试件 14 根据数据记录条纹图形变化与加压之间的关系, 理解全场衍射技术的原理 联系实际考虑全场衍射测量的实际应用

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51 实验考核部分 : 作业与分析 每组同学拷贝本组的实验结果, 并进行图样的理论分析, 实验结束后, 班长统一上交到教师邮箱 教师信箱 :nm_bingying@163.com

52 应用光学与傅里叶光学实验 : 实验十一 4f 光学系统的 FT 及 IFT 系统 实验十二激光调腔 实验十三固体激光倍频 调 Q 实验

53 实验目的 : 实验十一 4f 光学系统 FT 及 IFT 系统 了解透镜对入射波前的相位调制原理 加深对透镜复振幅传递函数透过率物理意义的认识 应用光学频谱分析系统观察常见图形的傅里叶 (FT) 频谱, 加深空间频率域的概念 进一步掌握透镜的 FT 性质, 学习 FT 光路的原理 应用 4f 光学系统观察常见图样的反傅氏变换 (IFT) 图像, 观察渐晕效应

54 透镜由于本身厚度变化, 使得入射光在通过透镜时, 各处走过的光程不同, 即所受时间延迟不同, 因而具有位相调制能力 透镜之所以能够做 FT, 根本原因在于透镜的二次位相因子对入射波前起到位相调制作用 若以透镜后焦面为观察平面物体相对于会聚透镜发生变化时, 可以研究透镜的 FT 性质 当点光源位于有限距离, 即采用球面波照明方式, 透镜仍然可起 FT 作用, 频谱面位于光源的像面位置, 而不再是后焦面上 另外, 透镜孔径对 FT 变换有影响 实质原因是对参与变换的频率成分有滤波作用, 同低频, 阻高频, 产生渐晕效应 孔径越大, 越靠近物体, 渐晕效应越小

55 送计算机

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57 中心出现暗蓝色斑点 : 激光出光的光强太大, 需要调节衰减器

58 实验十三激光调腔 实验目的 : 了解激光原理 光学谐振腔的结构 掌握谐振腔的模式稳定原则, 并学会用其设计一个稳定的激光谐振腔 掌握实际调腔的操作方法

59 激光原理与光学谐振腔

60 激光实际上是一种受激辐射光放大 受激辐射产生相干光子, 而自发辐射产生非相干光子 将一个充满物质原子的长方体空腔去掉侧壁, 只保留两个端面壁 如果端面腔壁对光有很高的反射系数, 则沿垂直端面的腔轴方向传播的光 ( 相当于少数几个模式 ) 在腔内多次反射而不逸出腔外, 而所有其他方向的光则很容易逸出腔外 此外, 如果沿腔轴传播的光在每次通过腔内物质使不是被原子吸收 ( 受激吸收 ), 而是由于原子的受激辐射而得到放大, 那么腔内轴向模式的就能不断的增强, 从而在轴向模内获得极高的光子简并度 这就是激光器的基本思想

61 实际上, 我们不可能也没必要把激活物质的长度无限增加, 只要在具有一定长度的光放大器两端放置如上所述的光谐振腔, 就可以使轴向光波模在反射镜间往返传播, 就等效于增加了放大器长度 综上所述, 一个激光器应包括光放大器和光谐振腔两部分, 对于光腔的作用, 至少应该归结为两点 : 模式选择和提供轴向光波模的反馈 在本实验中的光放大器为氦 - 氖激光管, 光谐振腔要求用已提供的各种参数的镜片来设计完成

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64 实验十三综合设计实验 计算全息实验 普通的激光全息实验 激光记录过程

65 激光再现过程

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