一种激光干涉式波长测量教学实验装置论文和设计-王晓娜

全文摘要

本实用新型提供了一种激光干涉式波长测量教学实验装置，属于光电测量类教学实验仪器技术领域。该装置包括光纤准直器、光纤、超薄玻璃片、线阵光探测器、遮光盒、电路板和计算机。从光纤端面出射的激光在空间中发散且具有高斯空间分布，斜入射到超薄玻璃片上，超薄玻璃片上表面和下表面反射的光在线阵光探测器表面产生双光束干涉，且干涉图像频率与波长成反比。该激光干涉式波长测量教学实验装置，通过测量干涉图像的频率即可实现对波长的测量。这种简单的结构增加了仪器的稳定性和和可靠性，同时，由低成本光电器件组成的干涉仪大幅度降低了波长测量教学实验装置的成本，有利于波长测量实验的顺利开展，提升了实验教学的直观性。

主设计要求

1.一种激光干涉式波长测量教学实验装置，其特征在于，所述的激光干涉式波长测量教学实验装置包括光纤准直器(1)、光纤(2)、超薄玻璃片(3)、线阵光探测器(4)、遮光盒(5)、电路板(6)和计算机(7)；光纤准直器(1)、光纤(2)、超薄玻璃片(3)、线阵光探测器(4)、电路板(6)和计算机(7)依次串连，超薄玻璃片(3)和线阵光探测器(4)均置于遮光盒(5)中；电路板(6)接收计算机(7)的控制信号，对工作参数进行设置；待测光被光纤准直器(1)收集，经光纤(2)后，入射到超薄玻璃片(3)，反射光被线阵光探测器(4)接收；电路板(6)中的信号处理器对线阵光探测器(4)探测的光信号进行预处理后，再通过高精度频率测量法计算出干涉图像频率；电路板(6)中的信号处理器根据波长与干涉图像频率之间的关系反演得到波长，并将测量到的波长结果显示于计算机(7)。

设计方案

2.根据权利要求1所述的激光干涉式波长测量教学实验装置，其特征在于，所述的超薄玻璃片(3)的厚度小于200微米。

3.根据权利要求1或2所述的激光干涉式波长测量教学实验装置，其特征在于，所述的待测光的轴向方向与超薄玻璃片(3)的夹角大于超薄玻璃片(3)的布鲁斯特角。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于光电测量类教学实验仪器技术领域，涉及一种激光干涉式波长测量教学实验装置。

背景技术

在光学实验以及光学测试中，经常需要进行波长测量。波长测量方法主要有三种：光谱测量法、光干涉法和光拍频法。光谱测量法采用光谱仪测量待测光的光谱，通过寻峰等方法得到对应的波长，该方法原理简单，但需要配置昂贵的光谱测量仪器。光干涉法主要利用参考光与待测光的干涉图像，通过比较参考光和待测光的干涉条纹周期或分析干涉条纹相位的方法获得待测光的波长。这种方法中，迈克尔逊干涉、法布里-珀罗干涉及斐索干涉等方法最为常用。光干涉法可以获得较高的测量分辨率，但参考光的引入、精密的光学部件以及复杂的结构使得基于该方法的波长计成本较高。光拍频法通过测量待测光和参考光产生的拍频信号的频率差来获得待测光的波长，参考光通常由光学频率梳发生器产生。光拍频法拥有最高的测量分辨率，但对于给定的参考光，待测光的波长测量范围较小，此外，光学频率梳发生器的价格十分昂贵，因此，这种方法仅限用于某些特定领域。

这些传统的波长测量装置存在的价格昂贵、直观性差等问题，增大了实验教学仪器的资金投入，也不利于培养学生独立思考问题的能力。因而，设计一种具有成本低、测量范围大和分辨率高等优点的波长测量教学实验装置具有重要的价值。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种激光干涉式波长测量教学实验装置，旨在解决目前波长测量仪器中普遍存在的成本高和直观性差等问题，为波长测量教学实验装置在大学物理实验中的推广拓展更大的空间。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种激光干涉式波长测量教学实验装置，包括光纤准直器1、光纤2、超薄玻璃片3、线阵光探测器4、遮光盒5、电路板6和计算机7；光纤准直器1、光纤2、超薄玻璃片3、线阵光探测器4、电路板6和计算机7依次串连，超薄玻璃片3和线阵光探测器4均置于遮光盒5中；电路板6接收计算机7的控制信号，对工作参数进行设置；待测光被光纤准直器1收集，经光纤2后，入射到超薄玻璃片3，反射光被线阵光探测器4接收；电路板6中的信号处理器对线阵光探测器4探测的光信号进行预处理后，再通过高精度频率测量法计算出干涉图像频率；电路板6中的信号处理器根据波长与干涉图像频率之间的关系反演得到波长，并将测量到的波长结果显示于计算机7。

所述的超薄玻璃片3的厚度小于200微米。

所述的待测光的轴向方向与超薄玻璃片3的夹角大于超薄玻璃片3的布鲁斯特角。

所述的高精度频率测量法是全相位快速傅里叶变换方法或基于Buneman频率估计的快速傅里叶变换方法，可实现频率的精确测量。

本实用新型的原理如下：待测光经光纤后，产生点扩展光束，不同角度的光线入射到超薄玻璃片上，经超薄玻璃片的上表面和下表面分别反射后，在线阵光探测器表面发生干涉。图2是光学干涉仪的几何光路图。从光纤端面出射的激光在空间中发散且具有高斯空间分布，斜入射到超薄玻璃片上，随后超薄玻璃片上表面和下表面反射的光在线阵光探测器表面产生多光束干涉。由于超薄玻璃片的两个表面的反射率通常小于10％，因此干涉仪可以近似为双光束干涉仪。

从光纤端面出射，经超薄玻璃片上下表面反射，最终到达线阵光探测器的两束光的光程可分别表示为：

其中，x为线阵光探测器上的像素点与线阵光探测器中心之间的距离，a为入射光纤端面与超薄玻璃片上表面之间的垂直距离，b为入射光纤端面与线阵光探测器中心之间的水平距离，h为线阵光探测器中心与超薄玻璃片上表面之间的垂直距离，n为超薄玻璃片的折射率，d是超薄玻璃片厚度，α和β分别是超薄玻璃片外部和内部的入射角。

根据光的折射定律，α与β之间满足如下关系：

sinα＝nsinβ. (3)

此外，由图2中几何关系可得：

h+a＝b. (5)

两束反射光之间的光程差为：

OPD＝OP_{2<\/sub>-OP_{1<\/sub>. (6)}}

根据公式(1)～(6)，可得到干涉光的光程差在线阵光探测器上呈近似线性分布，因此，干涉光的光程差(OPD)与线阵光探测器上的位置(x)之间的关系可表示为：

OPD(x)＝px+q， (7)

其中，p和q为线性方程的系数，由系统结构参数及超薄玻璃片的厚度决定。

线阵光探测器获取的双光束干涉光的强度可表示为：

其中，I_{1<\/sub>和I_{2<\/sub>分别为经超薄玻璃片上表面和下表面反射的光的强度，γ为干涉条纹对比度，λ为相干光源的中心波长。因此，公式(8)中的空间相位被光程差调制。}}

根据光纤端面出射光的高斯空间分布，I_{1<\/sub>和I_{2<\/sub>可分别表示为：}}

其中，R为超薄玻璃片的反射率，I_{0<\/sub>为光纤端面出射光的光强，w_{0<\/sub>为单模光纤的模场半径，w为光斑半径，r_{1<\/sub>和r_{2<\/sub>为轴向距离，可分别表示为：}}}}

根据公式(7)及公式(8)，可以发现干涉条纹是空间上具有高斯包络的余弦信号，干涉图像的空间频率可表示为：

根据公式(13)，在超薄玻璃片厚度一定的情况下，图像频率与波长成反比。

本实用新型的有益效果：采用非扫描光学干涉方法，通过测量干涉图像的频率即可实现对波长的测量。这种简单的结构增加了仪器的稳定性和和可靠性，同时，由低成本光电器件组成的干涉仪大幅度降低了波长测量教学实验装置的成本，有利于波长测量实验的顺利开展，提升了实验教学的直观性。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是光学干涉仪的几何光路图。

图3是使用656.14nm激光测量的干涉图像。

图4是使用1064.02nm激光测量的干涉图像。

图5是测量的空间频率与波数之间的关系。

图中：1光纤准直器；2光纤；3超薄玻璃片；4线阵光探测器；5遮光盒；6电路板；7计算机。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本实用新型的具体实施方式。

一种激光干涉式波长测量教学实验装置，主要包括光纤准直器1、光纤2、超薄玻璃片3、线阵光探测器4、遮光盒5、电路板6和计算机7；光纤2、超薄玻璃片3、线阵光探测器4和电路板6均置于遮光盒5中；电路板6接收计算机7的控制信号，对工作参数进行控制；待测光被光纤准直器1收集，经光纤2后，产生点扩展光束，不同角度的光线斜入射到低反射率的超薄玻璃片3，随后超薄玻璃片上表面和下表面反射的光在线阵光探测器表面产生干涉，产生的干涉图像由与光纤平行放置的线阵光探测器4探测；电路板6根据采集干涉图像的强度自动调整CCD的积分时间；电路板6中的信号处理器对线阵光探测器4探测的光信号进行滤波等预处理后，再通过高精度频率测量法计算出干涉图像频率；电路板6中的信号处理器根据波长与干涉图像频率之间的反比关系反演得到波长，并将测量到的波长结果显示于计算机7。

其中，光纤2是单模光纤，光从光纤端面出射光是高斯空间分布的，光束的轴向方向与超薄玻璃片4的夹角为45度。超薄玻璃片3是厚度为156微米的薄玻璃片。

线阵光探测器4是线阵电荷耦合器件(CCD)，有效像素为3648个，光谱响应范围为300-1100nm。电路板6是基于FPGA的信号处理电路，用于CCD图像采集和快速傅里叶变换等数字信号处理，实现对干涉图像频率的高精确测量，最终反演得到波长信息。

图3是使用656.14nm激光测量的干涉图像。图中的干涉图像是一个具有高斯包络的近似正弦信号。

图4是使用1064.02nm激光测量的干涉图像。与图3中的干涉图像相比，空间频率发生了较大的变化。

图5是测量的空间频率与波数之间的关系。为了验证波长与空间频率的反比关系，采用532nm、656.14nm、851.19nm、974.9nm和1064.02nm等多个波长进行测试。测试结果表明，空间频率与波数之间具有较好的线性关系。

以上所述仅为本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

设计图

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