CCD 多道光强分布测量

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实验九 CCD 多道光强分布测量
随着科技进步,当今先进的光谱实验室已不再使用照相干版法获得光谱图形,先进的光学实验室不再 用测量望远镜或丝杠带动光电池来测量干涉、衍射花样的光强分布,所使用的都是以 CCD 器件为核 心构成的各种光学测量仪器。
LM99MP 单缝衍射仪/多道光强分布测量系统用线阵 CCD 器件接收光谱图形和光强分布,经过微处理 系统的分析处理,在监视器上显示出光强曲线,并以之为对象进行测量而展开实验。LM99MP 具有分辨率 高(微米级),实时采集、实时处理和实时观测,物理现象显著,物理内涵丰富等明显的优点。
同步
20ms
5v
0v 信号光强
环境光强
信号 采样
401 : 1024×14μm 501 : 2048×14μm 601 : 2592×11μm 801 : 5360×7μm
0 信号光强 (扫描基线)
5v
图 6: CCD 光强仪后面板各插孔输出波形
1
SB
14 示


SB14 控制器
2
3
4
5
1–SB14 示波器及控制器 2-LM601 CCD 光强仪 3–组合光栅架 4-连续减光器 5–激光器 图 7 LM99MP 安装图
(二) 安装和使用
1.安装:整套 LM99MP 的安装请参照图 7 和图 8 所示,实验系统最好按置在光具座上,或磁性钟表座加 铁板方式,也可按置在稳定的实验桌上。
示波器 / 微机 信号(红) 采样(黄) 同步(蓝)
CCD 光强仪
电源 亮度 对比度
信号 采样 同步
Y 增益 Y 位移 标志线
监视器
图 8 光强仪与 SB14 的连接
一、 实验目的
CCD 单缝衍射仪用于光学实验项目中作单缝、单丝、双缝、多缝、双光束等的干涉、衍射实验。通过 采集系统实时获得曲线,测量其相对光强分布和衍射角,进而测量单缝的缝宽、单丝的直径、光源的波长、 双缝的缝宽和缝间距、光栅常数、激光束发散角测量等。
二、 实验原理 光的衍射现象是光的波动性的一种表现,可分为菲涅耳衍射击与夫琅禾费衍射两类。菲涅耳衍射是近
偏振实验。
3.组合光栅: 由光栅片和二维调节架构成,见图 3,光栅片上有 7 组图形,见图 4。
光栅片
上部
/
下部
第 1 组: 单缝(a=0.12mm) / 单丝(0.12mm)
第 2 组: 单缝(a=0.10mm) / 单丝(0.10mm)
第 3 组: 单缝(a=0.07mm) / 双缝(a=0.07mm,d=2)
“同步”:启动 CCD 器件扫描的触发脉冲,主要供示波器 X 轴外同步触发和采集卡同步用。
“同步”的含意是“同步扫描”。接电缆线蓝色插头。
衍射光
稳压电源
220v
CCD
信号放大处理
器 件
单片机系统
信号(输出)
同步(扫描) 采样(同步) 示波器/微机(转换)
图 5:LM 系列 CCD 光强仪内部电路结构框图
±1.43 λ
a
±2
±2.46 λ
a
±3
±3.47 λ
a
0.047 0.017 0.008
三、实验装置
一套完整的 LM99MP 由光具座、激光器、连续减光器、组合光栅、LM601 CCD 光强 分布测量仪和 SB14 数显示波器及控制器组成,其中 LM601 CCD 光强分布测量仪是核心部件。这是
LM99MP 的标准配置,为了适应各个学
校教学的不同需要,LM99MP 也可以不 用 SB14 数显示波器及控制器而直接连
至普通的单踪或双踪示波器来进行实
验。
(一)整套系统外形图如上:
1.激光器: 小功率的半导体激光器 或 He-Ne 激光器均可在 LM99MP 上使
用;
2.连续减光器:由二片偏振膜组成,一
片固定,作起偏器,另一片可 360 度旋转,作检偏器,达到连续减光的目的。也可用于
四、 实验内容和步骤
平行光的概念是理想化的概念,实际上,不论采用什么仪器和方法都不能获得绝对的平行光。对 于单缝,满足远场条件,不用透镜,也可取得较好的实验效果。 1.测量单缝夫琅禾费衍射的相对光强分布 (1)光路调整 尽可能将激光器、减光器、缝、CCD 光强仪调整为等高共轴。如用 He-Ne 激光器,最好先点燃半小 时,并尽可能采用交流稳电源或选用自身带开关稳流功能的激光器,为的是激光功率稳定。
2592 个 11×11μm
11wk.baidu.comm
28.67mm
0.35~0.9μm
0.56μm
“采样”:每一个脉冲对应于一个光电二极管,脉冲的前沿时刻表示外接设备可以读取光电管的光电压值,
“采样”信号是供 CCD 采集卡“采样”同步和供 CCD 数显示波器作 X 位置计数。此脉冲也可作
为几何形状测量时的计数脉冲。接电缆线黄色插头。
SB14 控制器
用随机带的三根双插头线分别将 CCD 光强仪后面板上的“信号”、“采样”、“同步”与 SB14 控制器上 的“信号”、“采样”、“同步”一一对应插好;再将 14″显示器上 15 芯 D 型插头和电源插头插入 SB14 控 制器后面的对应插座内(注意插入方向)。 2.使用:(1)电路连接检查
图 9 SB14 示波器屏幕截图
(2)读数: X 值表示标志线所指曲线处是 CCD 器件上的第几个光电二极管(第几个光敏元),不同的 X 值表示曲 线上不同点对应在 CCD 器件上不同空间位置,两个 X 值的差值ΔX 值表示曲线上两点间对应在 CCD 器件 上的空间距离──表示间隔多少个光敏元,是一个原始数据,只有乘上“光敏元的中心距”才是实际的距 离。不同型号的 CCD 光强仪有不同的“光敏元中心距”,如 LM401、LM501 型为 14μm,LM601 型为 11 μm,LM801 型为 7μm,光强仪底部铭牌上都有注明。 Y 值表示标志线所指曲线处是 CCD 器件上第几个光电二极管所产生的光电压值,是个相对值,经 8 位量化,所以最大显示为 255(Y 值为 255 对应于 5V,每一个字对应 19.5mv)。 (3)使用注意: a.注意!LM 各型 CCD 光强仪有很高的光电灵敏度,在一般室内光照条件下,已趋饱和,无信号输出, 需在暗环境中使用!在没有暗室的情况下,可以在 LM601 CCD 光强仪和组合光栅架之间架设一个遮光 筒(例如两端开口的封闭纸盒)。 b.初次使用 LM 各型 CCD 光强仪时,应从弱光到亮光进行光路调节,以免光强仪饱和,找不到曲线。如被 测光较强,则需调节“减光器”。
CCD 光强仪后面板上的“示波器/微机”开关拨向“示波器”,用纸挡住 CCD 采光窗,让其不接受或 只接受很弱的光。移动“SB14 控制器”上的 X、Y 标志线旋扭,屏幕上的 X、Y 值会对应变化。
在使用中,如发现示波器上波形向一个方向滚动,一般是光强仪与 SB14 控制器上的“同步”这一条 线没有插好;发现没有“X 值”显示(X=0000),一般是“采样”线没有插好;如 Y 值始终是 Y=0000, 一般是“信号”这条线没有连接好。正确的图像见图 9。
第 4 组: 单缝(a=0.07mm) / 双缝(a=0.07mm,d=3)
第 5 组: 单缝(a=0.07mm) / 双缝(a=0.07mm,d=4)
第 6 组: 双缝(a=0.02mm) / 三缝(a=0.02mm,d=2)
第 7 组: 四缝(a=0.02mm) / 五缝(a=0.02mm,d=2)
2λ ,其余各级明纹角宽度 λa ,所以中央明纹宽度是 a
其它各级明纹宽度的二倍。
4、除中央主极大外,相邻两暗纹
级间存在着一些次最大,这些次最
大的位置可以从对(1)式求导并
使之等于零而得到,如下表示:
−2λ −λ
0 + λ +2λ +3λ
sinθ
aa
a
aa
图2
级数 K
次最大时 θ
相对光强 I I0
±1
后焦面上形成明暗相间的衍射条纹,其光强分布规律为:

=
I0
sin 2 ϕ ϕ2
(1)
其中 ϕ = π a sinθ ,a 是单缝宽度,θ是衍射角, λ 为入射光波长。 λ
L1
A
L2
A’
C’
θ
S
C
P0
B
Z
图 1 单缝衍射
参见图 2,由(1)式可见:
1、 当θ = 0时, Iθ = I0 ,为中央主极大的强度,光强最强,绝大部分的光能都落在中央明纹上。
5.SB14 数显示波器:SB14 大屏幕数显示波器由 9″—14″单色显示器和“SB14 控制器”两件构成,作
为 CCD 光强仪的显示终端之用。该示波器带有测量光标,当移动测量光标时,X 与 Y 值将分别显示光标 所指曲线处是 CCD 器件件上的第几个光电二极管及该二极管所产生的光电压值。其使用效果大大优于一 般示波器,价格又远低于“微机+采集卡”形式,是普物、近物实验中与 CCD 光强仪优选搭配仪器。
2、当 sinθ
=
Kλ a
(K
=
±1,±2,LL) 时,Iθ
=
0 ,为第 K 级暗纹。由于夫琅禾费衍射时,θ很小,有θ ≈ Sin
θ,因此暗纹出现的条件为:
θ = Kλ a
(2)
3、从式(2)可见,当 K=±1 时,
为主极大两侧第一级暗条纹的衍
I
射角,由此决定了中央明纹的宽度
I0
Δθ Δθ
0 K
= =
(2)测量数据 慢慢移动鼠标,读取衍射曲线上几个特殊点的 X 值、Y 值和缝到 CCD 光敏面的垂直距离 Z 填入下表:
空间位置 注
光强
相对光强 ( I ) I0
sinθ
意:
* X(ch)
Mm
Y(A/D)
d 为缝中心的间距与缝宽的比值。几组多缝结构按排是针对母国光等编《光学》P223~P227;P325~P331
的教学内容所设计。
二维调节架
光栅片 水平调节手轮 俯仰调节手轮
图 3 组合光栅
12 3 4 5 6
7
图 4 光栅片
4.CCD 光强分布测量仪:其核心是线阵 CCD 器件。CCD 器件是一种可以电扫描的光电二极管列阵,有 面阵(二维)和线阵(一维)之分。LM601 CCD 光强仪所用的是线阵 CCD 器件,性能参数如下表。LM601 CCD 光强仪机壳尺寸为 150mm×100mm×50mm,CCD 器件的光敏面至光强仪前面板距离为 4.5mm。 LM601 CCD 光强仪后面板各插孔标记含义如下,内部电路结构框图见图 5,波形见图 6: “示波器/微机”:当光强仪配接的是 CCD 数显示波器或通用示波器时,将此开关打在“示波器”位置,“同
c.单缝与 CCD 光强仪之间的距离 Z 应尽可能满足远场条件(Z>> a 2 / 8λ ,a 为缝宽)。
d.光路调整: *曲线稳定调节
光强曲线幅值涨落或突跳,是激光器输出功率不稳造成的,常发生在用 He—Ne 激光器时,如采用 半导体激光器就不会有这种情况。 *曲线对称调节 一般的衍射花样是一种对称图形。但有时显示器看到的图形左右不对称,这主要是各光学元件的几何 关系没有调好引起的。实验时:1)调节单缝的平面与激光束垂直。检查方法是,观察从缝上反射回 来的衍射光,应在激光出射孔附近;2)调节缝与光强仪采光窗的水平方向垂直(或调节光强仪)。这 些都可以通过光栅架的水平/俯仰调节手轮来调节。 *曲线削顶调节 光强曲线出现“削顶”(“平顶”),有二种可能:一是 CCD 器件饱和;二是“SB14 控制器”上丫增益 调得太大。一般先把丫增益调小,看波形是否改善,如仍削顶,转动减光器,增大减光量。 *曲线顶部凹陷调节 单缝衍射曲线主极大顶部出现凹陷,常发生在使用质量欠佳的玻璃基板的单缝时,主要是单缝的黑度 不够,有漏光现象。如将衍射光直接投射到屏上,可观察到主极大中间有一道黑斑。 *曲线不园滑漂亮 将衍射光直接投射到屏上,如发现衍射花样很乱,边缘不清晰,可能是缝的边缘不直或刀口上有尘埃。 再一个原因是 CCD 光强仪采光窗上有尖埃,可左右移动光强仪,寻找较好的工作区间。
场衍射,夫琅禾费衍射是远场衍射,又称平行光衍射。见图 8。将单色点光源放置在透镜 L1 的前焦面,经
透镜后的光束成为平行光垂直照射在单缝 AB 上,按惠更斯--菲涅耳原理,位于狭缝的波阵面上的每一点
都可以看成一个新的子波源,他们向各个方向发射球面子波,这些子波相叠加经透镜 L2 会聚后,在 L2 的
步”脉冲频率为 50Hz;当配接的是按装有 CCD 采集卡的微机系统时,把开关打在“微 机”位置,“同步”脉冲频率为 1~5Hz,“采样”脉冲频率为 10~15KHz 左右。 “信号”:CCD 器件接受的空间光强分布信号的模拟电压输出端。接电缆线红色插头。
光敏元数 光敏元尺寸 光敏元中心距 光敏元线阵有效长 光谱响应范围 光谱响应峰值
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