基于分振幅干涉的综合设计性实验教学设计

基于分振幅干涉的综合设计性实验教学设计

《国家中长期教育改革发展规划纲要》（2010-2010）提出“坚持以人为本，促进人才培养是教育改革发展的战略思想”。他指出的重点是“面向所有学生，促进学生全球发展，自觉提高学生为国家和人民服务的社会责任感，敢于创新精神和解决问题的实践能力”。高等院校必须加快教学改革,面向社会发展需要,培养创新人才。实验教学是培养学生能力的重要环节,在加强对学生的素质教育与培养创新能力方面有着重要的、不可替代的作用。1增强学生创造兴趣作为一所地方性师范本科院校,我们在物理综合设计性实验项目的开发中,借鉴其他高校的经验,但没有照搬,而是结合自己的实际情况,利用现有的实验室资源,精心设计综合设计性实验教学方案,实现以实验教师为中心到以学生为主体的观念的转变,使实验具备以下特点:(1)丰富的实验内容和实验现象,使学生对实验课产生浓厚的兴趣;(2)学生自由选择实验内容,自己动手准备实验,锻炼了综合运用所学知识去分析和解决问题的能力;(3)通过课后的总结、答辩,进一步加深对基础理论知识的理解,拓宽了知识面,充分调动了学生的积极性,培养了学生的创造能力和独立工作能力。迈克尔逊干涉仪是一种典型的利用分振幅方法实现干涉的光学仪器,设计精巧、光路直观、结构精密复杂,被广泛用于科学研究和检测技术等领域。利用迈克尔逊干涉仪,能以极高的精度测量长度的微小变化及其与此相关的物理量,如果与CCD图像采集与处理系统等现代监测技术结合,可以实时观测和分析各种干涉现象的变化,达到干涉检测和自动控制的目的。因此利用迈克尔逊干涉仪进行综合设计性实验设计,具有变化多、内容丰富、研究性突出等特点。大多数高校开设的都是应用迈克尔逊干涉仪观察等倾干涉条纹以及测定光的波长,此实验被学生认为是难调节、最枯燥、最伤眼睛的实验之一,而且无创新。长期的教学实践表明,若对该实验进行拓展和延伸,打造成综合设计性实验,能收到很好的教学效果。2扩展现有实验的内容由于学时的限制,原来的光学实验内容有一定局限性。我们从分振幅干涉理论出发,从实验目的、实验原理、实验仪器等多个角度进行拓展与创新。2.1接触偏振片a、c如图1所示,原有的迈克尔逊干涉仪上装置不变,只需要在光路中多加4个偏振片,用来在不同情况下观察偏振光的干涉。(1)先不要向光路中放入偏振片,按照一般情况,首先调节好迈克尔逊干涉仪,使毛玻璃上呈现出明亮清晰的等倾干涉条纹;给光路中加入偏振片B、C,让它们的透射轴分别垂直于光束的传播方向,即此时的B、C透射轴互相平行。这时,在毛玻璃上同样观察到明亮清晰的干涉条纹。转动偏振片C,让其透射轴与B相互垂直,则屏上的干涉条纹消失;给光路中加入偏振片D,原来屏上消失的干涉条纹又重新出现;给光路上再加入偏振片A,并改变偏振片A的透射轴取向;观察毛玻璃屏上的条纹变化,记录并进行分析。(2)观察与思考。用1/8波片代替原来的偏振片B和C,并且使2个1/8波片的轴均与偏振片A的轴(或线偏振激光束的偏振化方向)成45°角,去掉原来的偏振片D。由于参与干涉的2束光线都是2次通过1/8波片,所以2束光都是圆偏振光。2.2薄膜薄透明体厚度的影响测量装置如图2所示,用扩展白光作光源。当把薄透明体置于一个光路上时,由于光程差的变化,中央条纹将移出视场中央。设透明体厚度为t,折射率为n,空气折射率为n0,则光程变化Δ′=2t(n-n0)。调节M1的位置,使中央条纹重新出现在原来位置,即视场中央,此时因M1移动距离d′而引起的光程变化为2d′n0,正好与插入薄膜所引起的光程变化相等,即有:t=d′n0/(n-n0),测得M1移动距离d′,则可算出薄透明体的厚度。如已知薄透明体的厚度为t,则可求出其折射率n。当薄透明体的厚度大于2.5mm时,由于薄透明体对白光的色散,不同波长成分的光形成干涉图样错开排列,且随着厚度的增大,干涉图样错开越大。当厚度增大到一定程度,各种波长的干涉图样相互交错重叠,致使干涉条纹可见度为零。因此,对于较厚薄透明体的测量,不能采用迈克尔逊白光干涉的实验方案,应采用He-Ne激光器作为单色光源。2.3求解紫外光干涉条纹在该实验中,由于白光的彩色条纹只有几条,如果移动过快,条纹极易一晃而过,难于察觉.如何迅速找到白光干涉条纹呢?文献介绍了一种简单实用的方法:将光栅放在眼前,并使其刻痕保持竖直方向,眼睛透过光栅观察有白光照明的干涉场。文献介绍了先在白光光源前放置干涉滤光片,使光谱范围减小,则相干长度增大到白光干涉时的大约1～2个数量级,放置干涉滤光片后,可以很快找到干涉条纹.3附加光程差对干涉文本的影响迈克尔逊干涉仪中补偿板的作用是补偿2束相干光束因通过分光板次数不同而引起的附加光程差,不加补偿板和补偿板与分光板未能达到完全平行时,附加光程差对干涉图样有什么样的影响,我们让学生分别进行讨论。3.1附加光程差对样本形状的影响如果没有补偿板G2,则由S发出的光,经分光板G1镀膜面反射和透射,形成2束相干光,经M1反射的光束比经M2反射的光束多经过分光板2次,反射镜M1和M2相互垂直,则M1和M′2相互平行,经M1和M′2反射的2束光光程差为:Δ=2dcosθ+Δ′(1)式中d为空气层M1和M′2厚度,θ为光线在M1和M′2镜的入射角和反射角,Δ为光束经过分光板2次产生的附加光程差。设分光板厚度为D,折射率为n,光线2次通过分光板时的出射角和入射角为i和i′,则附加光程差为:Δ′=D[(n2−sin2−−−−−−−−√i−cosi)+(n2−sin2i′−−−−−−−−−√−cosi′)](2)我们用单色光照明做实验,在观察屏E上只能看到二次曲线形状的干涉图样。慢慢移动反射镜M1向分光板靠近,图样随光程差的变化而变化。特点是:在光程差很大(即M1和M′2相距很远)时为圆形图样,随光程差不断减小,椭圆长轴由水平方向变为竖直方向,双曲线为一对共轭双曲线。可见,附加光程差改变了干涉图样的形状。因此,在M1和M′2平行时,我们不可能观察到形状不随光程差变化的等倾干涉圆形图样;在M1和M′2相交时,因为附加光程差较大,大于白光的相干长度,所以用白光照明看不到干涉现象。3.2等倾干涉彩色培养若将补偿板G2由原来与水平方向成45°位置转动一个角度,入射角由i变为i+Δi,当M1、M2相互垂直,进入干涉仪的任一束光经分光板G1镀膜面反射和透射达M1和M2反射的2束光光程差为Δ=2dcosθ+Δ′,设G1、G2厚度都为D,折射率为n,光束通过G1和G2的单次光程为L1和L2,则光线2次通过G2的附加光程差为:Δ′=n2D[sinicosi(n2−sin2i)⋅n2−sin2i√Δi+sini′cosi′(n2−sin2i′)⋅n2−sin2i′√Δi′](3)用单色光照射时,如果仍在E处观察,圆形等倾干涉条纹变成椭圆形,而对于等厚干涉条纹没有什么变化。用白光照射时,等倾干涉彩色圆环条纹将变成椭圆形。同理,白光等厚干涉彩色直线形条纹将会变成稍为弯曲的曲线,并且色彩分布也不再具有对称性,缺少白光等厚干涉所独有的中央零级条纹,凡通过观察白光零级干涉条纹来实现的扩展测量实验也就无法进行。3.3日本转化率设迈克尔逊干涉仪中补偿板G2的厚度t=2mm,折射率为n2=2√。将补偿板G2由原来与水平方向成45°位置转至竖直的位置,设入射光的波长为632.8nm,确定在视场中,能观察到多少条亮条纹移过。4莫尔光栅位移测量系统及图像数据采集除了传统实验的横向拓展与纵向深入,把一些现代新发展的光学测量技术引入实验,也是综合设计性实验内容的重要来源。实际上,这些内容往往原理较深、仪器较复杂,因而直接引入一般教学实验相当困难;而综合设计性实验的学时较长、教学方法灵活,为这些内容的引入创造了十分有利的条件。用CCD技术和莫尔条纹光栅位移传感器设计光学球面半径的测量系统。光学球面曲率半径是决定光学球面光学特性的重要参量,通过测量光学球面的曲率半径,可以审核光学元件设计制造质量。在基于白光干涉理论基础上,将莫尔光栅位移测量装置及CCD数字图像采集处理系统集成到迈克尔逊干涉仪上,构建光学球面曲率半径自动测量系统。对于曲率半径为R的球面(见图3),只要分别测出2次相交圆半径r1、r2和矢高H1、H2之差,则有R=(r21−r224ΔH−ΔH)+r21−−−−−−−−−−−−−−−√。利用带有补偿板的迈克尔逊干涉仪的白光干涉零级暗纹定位,可以测出平面与球面2次相交圆的半径及球面的矢高H1和H2之差ΔH。测量装置如图4所示,所用光源为白光扩展光源,迈克尔逊干涉仪的反射镜M2用被测球面替换,另一反射镜M1为可动平板。可动平板中的其中一面为光学平面。在图4中作出被测球面的虚球面,它是分光板的分光面对被测球面所成的镜象。可动平板光学平面与分光板的分光面成45°角,并给出了可动平板关于分光板G1的分光板面所成的镜像M′1和M′2,将可移动平板光学平面移动到其像位位置A和B,分别测出此时的暗圆环条纹半径r1和r2,再根据公式计算出光学球面曲率半径R。通过光栅位移测量系统可以测量出可动平板的光学平面移动的距离。由学生通过所学光学测量等相关知识,组建莫尔光栅位移测量系统和用线阵CCD图像采集与处理系统;应用数字图像处理、测量与识别技术,对CCD采集的图像进行图像平滑、图像锐化、图像的二值化处理、图像尺寸计算;采用光栅位移测量技术对光学球面位移进行测量,加入控制卡,设计了光栅位移传感器与计算机控制卡接口电路,实现了位移量的自动处理,因此可以自