光学系统的调试方法.ppt

1 针孔滤波器调整自准直法和剪切干涉法调平行光了解光路转向系统 分光系统 扩束系统 成象系统及各种专用部件等构成 原理 学习其使用方法 熟悉针孔滤波器调整 掌握自准直法和剪切干涉法调平行光束 一 光学实验仪器 光路调整与技巧 2 了解什么是菲涅耳衍射了解什么是夫琅和费衍射圆孔和单缝菲涅耳衍射现象衍射花样的改变 二 菲涅耳衍射与夫琅和费衍射 3 1 搭建泰曼格林干涉仪 2 搭建马赫 泽德干涉仪 3 搭建菲索干涉仪 4 搭建萨格奈特干涉仪 三 干涉系统的搭建 4 了解和掌握几种干涉仪的特点 学习搭建泰曼格林干涉仪 观察非定域干涉现象 观察条纹反衬度随光程的变化 学习搭建马赫 增特干涉仪 学习搭建菲索干涉仪 学习搭建萨格奈特干涉仪 Sagnac 干涉系统的搭建 5 1 条纹追踪法 2 SpatialCarrier法学习并掌握泰曼干涉仪的光路设计 获得高对比度的干涉条纹 熟悉数字图像处理系统的基本组成及应用 实现干涉图像的数字化 学习干涉图像的基本判读方法和算法 用INTELLIWAVE是相对静态干涉图像的处理 四 数字干涉测量技术 6 了解电寻址和光寻址空间光调制器的工作原理熟悉空间光调制器的使用方法深入理解联合傅里叶变换相关器的理论 建立光电混合式图像处理系统 实时获取输入图像的功率谱 求解模板和输入图像的相关输出 实现对输入图像特征的识别 探讨联合傅里叶变换相关图像识别的稳定性和可靠性 五 联合傅里叶变换相关图像识别 7 1 阿贝成象原理和空间滤波实验 2 调制 3 图像相减 4 光栅参数特性 六 光学信息处理技术 8 1熟悉阿贝成象原理 进一步了解透镜孔径对成象的影响 2 加深对傅里叶光学中空间频谱和空间滤波等概念的理解 3 初步了解简单的空间滤波在光信息处理中的实际应用加深对傅立叶光学相移定理和卷积定理的认知 光学信息处理技术 9 学习和掌握全息照相的基本原理 掌握全息照相的实验技术 了解全息图的基本性质 观察并总结全息照相的特点 七 光学全息照相 10 了解全光网络的光交叉互联原理 学习液晶空间光调制器的功能和工作原理 学会系统调整及实现交叉互联 八 光交叉 OXC 实验 11 掌握传递函数的概念和特点 了解光学镜头传递函数测量的基本原理 以及照明条件对传递函数测量结果的影响 学习周期性物体的制作方法 实现对不同频率周期性物体的成像和数字化 建模计算被测光学系统的传递函数 分析传递函数与其他像质评价方法之间的关系 九 数字式光学传递函数测量和透镜象质评价 12 了解什么是线偏振光 圆偏振光 椭圆偏振光和部分偏振光如何获得以上这些光了解半波片和1 4波片的作用验证马吕斯定律 十 偏振实验 13 实验要求 1 预习 这是实验前的课前准备阶段 根据实验目的 学习实验指导书中的实验原理和书本的有关内容 参考指导书中的实验方法 拟出实验方案 熟悉实验步骤 想好实验数据的记录表格形式 最重要等是回答预习思考题 2 实验 首先按照实验方案选取安装与调整仪器及部件 这是实验的关键 实验过程中必须认真观察现象 及时发现问题 解决问题 测试时如需记录原始数据 若有可疑之处须反复测试 发现其规律 14 实验要求 3 撰写实验报告 撰写实验报告也是一种实验能力和科学总结能力的培养 其内容应包 实验题目和实验目的 实验原理 包括实验的理论根据 必要的公式及必要的原理示意图 实验装置 包括实验装置布置 测试仪器和测试物 实验步骤 主要写出实验测试方法 调试过程和发现的现象 特别鼓励捕捉新的实验现象 数据处理 包括实验数据分析 计算 列表 15 实验要求 结论和讨论 总结实验己达到的目的 讨论测量误差 并分析观察到的实验现象 得出科学结论 实验内容和现象 主要写出你所想和所做的工作 工作中遇到的困难 如何克服的 发现什么现象 如何解释 还存在什么问题没有解决 是否想和老师讨论 等等 切忌抄一遍讲义 毫无收获 对你的实验结果应作出恰当的评价 哪些目标达到了 哪些没达到 存在什么问题 有无解决的办法 等等 都应作出交代 解答思考题 应从实验的观点来回答 不能单纯地从理论上回答 16 实验室注意事项 1 光学仪器大多是精密贵重仪器 取放仪器时 要思想集中 动作轻慢 在没有了解清楚仪器的使用方法之前 切勿乱打螺丝 碰动仪器或随意接通电源 2 大部分光学元件用玻璃制成 光学面经过精细抛光 使用时要轻拿轻放 勿使元件相互碰撞 挤压 更要避免摔坏 暂时不用的元件 要放回原处锁紧磁性底座 不要随意乱放 以免损坏 3 人的手指带有汗渍油脂类分泌物 用于触摸光学表面会污染该光学面 影响其进光性和其他光学性质 因此 任何时候都不能用于去触模光学表面 只能拿元件的磨砂面 正确的姿势如图 17 实验室注意事项 18 实验室注意事项 4 不要对着光学元件和光学系统讲话 打喷涕和咳嗽 以免涎液溅落镜面造成污痕 5 光学面若落有灰尘 应先用干净 柔软的脱脂毛刷轻轻掸除 或用橡皮球吹除 严禁用嘴去吹 一般不能随意擦拭光学表面 必要时可用脱脂棉球蘸上酒精乙醚混合液轻轻擦拭 切忌用布直接擦拭 6 光学面上若沾有油污等斑渍时 不要立即动手擦拭 因为很多光学表面镀有特殊的光学薄膜 在擦拭之前 一定要了解清楚情况 然后再在教师的指导下 采取相应措施 精心处理 19 实验室注意事项 7 光学仪器中有很多经过精密加工的部件 如狭缝 空间光调制器等 实验时要小心使用 技规律操作 切忌拆卸仪器 乱拧旋钮 8 实验中用到许多精密调节件 动作要稳 慢 切勿调整过头 以影响精度 9 实验中使用大量的电子仪器 应遵照使用规则调节使用 10 实验中使用的激光是强光光源 切莫对着激光观测 以免损伤眼睛 11 要讲究清洁卫生 文明礼貌 不得大声喧哗 更不能打闹嬉笑 12 实验完毕 要向指导教师报告实验结果和仪器的使用情况 签字后方可离开 20 光学实验的装置 光学实验的一般装置通常由防震台 光学部件 机械部件和光源等组成 而信息光学仪器一般由激光器 或其他光源 光路转向系统 分光系统 扩束系统 成象系统及各种专用部件等构成 21 一 光路转向系统 该系统主要包括光束升降器及各种反光镜 22 光束提升器 光束提升器主要用于改变光束离台面的高度 并兼有折转光路的功能 其作用是通过两块镀有反射膜的反射镜来实现的 两块反射镜分别安装在上镜座1和下镜座2内 下镜座2可绕z轴旋转 上镜座l除了可绕Z轴旋转外 还具有两个角度微调 可对出射光的方向加以控制 移动镜座支杆3或沿长支杆5移动下弹簧夹头4 可以实现下反射镜的高度调节 移动上弹簧夹头7可实现光束高度粗调 旋转上弹簧夹头上的螺母可以微调光束高度 23 二 分光系统 分光系统的功能是将一束光分为两束或多束光 以适应有关实验中光路的需要 因而也叫 分光镜 分光镜按照分光原理可分成几何分光及物理分光两类 几何分光意味着在能量分配的过程中 光束主要发生几何状态的变化 例如传播方向等 最常见的是利用折射及反射现象的分光镜 物理分光表示伴随着能量的分配 光波的物理状态 或结构 发生变化 例如偏振态的变化 24 三 扩束准直系统 用于将激光细光束扩展为平行的宽光束 它包括扩束镜 针孔滤波器和准直透镜三部分 扩束镜能将激光细光束变换为球面波 准直透镜则是把这个球面波成变较大直径的平面波 扩束镜的后焦点和准直透镜的前焦点重合 二者构成逆望远系统 如下图所示 在扩束镜的焦点上有必要时就放置空间滤波器 针孔滤波器 25 扩束准直系统 26 扩束镜和针孔滤波器 扩束镜通常是短焦距的凸透镜或显微物镜 它先把激光细光束全聚于后焦点上 然后再从焦点发散开来 针孔滤波器的空间滤波就在焦点处进行 如果扩束镜没有像差 也不存在灰尘的衍射 则会聚光点的直径是很小的 从空间频谱的概念来看 这相应于光斑的零频成分 而光斑中那些不均匀的部分 如各种环状衍射结构 对应于光束的高频成分 它们将出现在扩束镜后焦而上远离焦点的地方 27 扩束镜和针孔滤波器 因此 如果把直径很小 一般为5 40 的针孔置于焦点上 只让零频通过而挡掉高频成分 则在针孔后的光场将是非常均匀的 那些相应于高频成分的不均匀和衍射环即会消失 由频谱分析知道在激光质量不太差 扩束镜的灰土又不太严重的情况下 光束的能量绝大部分集中在零级上 而那些相应于不均匀的高频成分所占的能量在总能量中的比例是微不足道的 因此 正确地使用针孔滤波器 不但可以改善光束质量 而且不会明显降低光场的光强 即没有明显的能量损失 但是 如果扩束镜质量过差 或所用的针孔滤波器孔径过小 以至零级会聚点直径大于针孔直径 那么使用针孔滤波器之后光强格会明显降低 28 扩束镜的调节 29 调试方法 将激光束调到适当高度 并使激光束平行于精密光学平台台面 在平台上放一带有十字丝的白屏 使激光束射到十字丝中心 在白屏和激光器之间放入空间滤波器的物镜 视物镜的尺寸长短加减接圈 调空间滤波器的位置 即调物镜 使通过物镜的光对准白屏十字丝 放针孔 调针孔使之大致处于光束中间 边调物镜 一般是将物镜向针孔方向推进 边观察白屏上的亮斑 调节针孔的微调旋钮 使有光通过针孔射到白屏上 最后仔细调节微调旋钮 使白屏上的光斑均匀明亮 若稍动针孔微调或是移动物镜均会使光斑发生变化 此时空间滤波器已经调好 30 空间滤波器 31 注意事项 不可以用手去碰針孔 也不可以对针孔吹气或做任何的不当接触 更不要去戳它 不要让眼睛接触 直视 到激光 此组件的螺丝非常精细 操作时请仔细转动 以免用力伤害螺纹 32 平行光束的调整方法 1 放置准直透镜于扩束后的光路中 使准直透镜的前面 即较平的一面对扩束镜 另一面为光束的输出面 不可用反 2 粗略移动准直透镜 使其前焦点大致位于扩束镜的后焦点 即激光的会聚点 重合 3 将光屏放在准直透镜后观察输出光与准直透镜的边框影子 横向平移准直透镜 使光斑处于框影的中央对称位置 33 平行光束的调整方法 4 旋转准直透镜 使其光轴与激光传播方向一致 这可以从扩束镜面顺着激光传播方向观察准直透镜 这时可以看到随准直透镜光轴移动的一系列光点 这些光点是由于激光透过准直透镜 由透镜玻璃的球形表面部分反射的光形成的 当这些光点所形成的直线与激光传播方向重合时 目视 即可认为准直透镜的光轴方向已经调 5 沿光轴方向微微平移准直透镜 使从准直透镜输出的光为平行光束 34 平行光束的调整方法 上述第 3 4 5 项调整步骤要反复进行才能最后调好 6 检测准直光束的准直度 35 检测准直光束的准直度方法 1 光斑法2 自准直法3 剪切干涉法 36 光斑法 在准直透镜后面近处和远处垂直于光轴的平面上分别放置光屏 并分别量取在这两个光屏上的光班直径和 L为两屏之间的距离 然后按下式计算光束的准直度 轴向调节准直透镜的位置 使得 此时光束准直度最好 准直透镜处于最佳位置 光斑法需多次测量近处和远处光屏上的光斑直径 调整工作不大方便 而且由于激光束的高斯性质 光斑直径不易测准 因而 此法一般只在粗调时使用 这时 并不对光斑直径作精确测量 只是用人眼直接估计远近两位置上的光斑大小 当认为大致相等时再用剪切干涉法精调 37 自准直法 先不放置针孔滤波器 将一带小孔的纸屏放在扩束镜的后焦点上 让激光束从纸屏的小孔中无阻挡地通过 在准直透镜后放纸一块平面反射镜 使准直透镜输出的光束反射折回 再经准直透镜会聚到纸屏上 调节反射镜使会聚光斑位于小孔的近旁 当前后移动准直透镜时 屏上的会聚光斑的大小会发生变化 当光斑最小时即认为已经调整好 38 自准直法 这可以从光路的可逆性来解释 当准直透镜的前焦点与扩束镜的后焦点重合时 准直透镜输出的是平行光束 经反射镜反射后仍以平行光束经过准直透镜 因而必然恰好会聚于前焦面上 光斑直径最小 如果准直透镜没有调好 准直透镜输出的将是发散 或会聚 光束 由平面反射镜返回的也是发放 或会聚 光束 这时返回的光束经准直透镜后将会聚在光屏的后面 或前面 而在纸屏上的光斑必然较大 自准直发不如剪切干涉法精确 但它可用于白光光束的调整 而剪切干涉法只能用于相干光束的调整 39 剪切干涉法 在准直透镜后面的光束中放置一个平面平晶OP 使光束经平晶反射的光投射在光屏上如下图 由平晶前后表面反射的光分别在光屏上形成一个光斑 出于平晶具有一定的厚度 两个光斑将相错开 在二者重叠的剪切区内将出现平行的剪切干涉条纹 沿光铀方向仔细移动准直透镜 使干涉条纹对称地由密逐渐变粗 直到条纹最宽或成均匀光场 这时准直透镜便是处于最佳位置 40 剪切干涉法 1 扩束镜与空间滤波器SF2 准直镜 3 平面平晶OP4 原始波面5 原始波面6 剪切波面 41 波面形状与干涉条纹 42 原始波面和剪切波面的干涉图 假定此波面接近平面 其相对于平面的波差可表示为 其中为波面上任意一点的坐标 当波面在方向上的剪切量为时 在同一点上 剪切波面的误差为 因此 原始波面与剪切波面在点处的光程差以干涉条纹的形式表现出来为 以干涉条纹的形式表现出来为 其中为干涉条纹的级次 为波长 在剪切量比较小 方向与轴一致的情况下 则可以近似写为 此式就为求解波面形状与干涉条纹形状的关系式 43 初级像差 当光学系统只有初级像差时 其波像差函数可写为 其中 A B C D 分别为球差 慧差 像散 离焦系数 E为绕X轴的倾斜系数 F为绕Y轴的倾斜系数 此式出发来讨论各种波差的剪切干涉图 44 离焦 当光学系统存在离焦时 波面相对于参考波面的波差为 其剪切干涉光程差与干涉图样表示为一组等间距的平行直条纹 条纹方向与方向 即剪切方向 垂直 条纹密度正比于离焦量D的大小 当没有倾斜时 表示波面重叠区内的干涉条纹消失 呈现一片均匀的干涉场 45 离焦干涉图 焦前 焦点 无离焦 焦后 46 倾斜 研究波面横向剪切干涉时 若假设剪切波面相对原始波面只有错位而无倾斜 但是在实际剪切干涉中 常常还存在一定量的波面倾斜 而且倾斜方向通常与剪切方向垂直 这时 由倾斜引起的光程差