基于分振幅干涉的綜合設計性實驗教學設計

《國家中長期教育改革發展規劃綱要》（2010-2010）提出“堅持以人為本，促進人才培養是教育改革發展的戰略思想”。他指出的重點是“面向所有學生，促進學生全球發展，自覺提高學生為國家和人民服務的社會責任感，敢于創新精神和解決問題的實踐能力”。高等院校必須加快教學改革,面向社會發展需要,培養創新人才。實驗教學是培養學生能力的重要環節,在加強對學生的素質教育與培養創新能力方面有著重要的、不可替代的作用。1增強學生創造興趣作為一所地方性師范本科院校,我們在物理綜合設計性實驗項目的開發中,借鑒其他高校的經驗,但沒有照搬,而是結合自己的實際情況,利用現有的實驗室資源,精心設計綜合設計性實驗教學方案,實現以實驗教師為中心到以學生為主體的觀念的轉變,使實驗具備以下特點:(1)豐富的實驗內容和實驗現象,使學生對實驗課產生濃厚的興趣;(2)學生自由選擇實驗內容,自己動手準備實驗,鍛煉了綜合運用所學知識去分析和解決問題的能力;(3)通過課后的總結、答辯,進一步加深對基礎理論知識的理解,拓寬了知識面,充分調動了學生的積極性,培養了學生的創造能力和獨立工作能力。邁克爾遜干涉儀是一種典型的利用分振幅方法實現干涉的光學儀器,設計精巧、光路直觀、結構精密復雜,被廣泛用于科學研究和檢測技術等領域。利用邁克爾遜干涉儀,能以極高的精度測量長度的微小變化及其與此相關的物理量,如果與CCD圖像采集與處理系統等現代監測技術結合,可以實時觀測和分析各種干涉現象的變化,達到干涉檢測和自動控制的目的。因此利用邁克爾遜干涉儀進行綜合設計性實驗設計,具有變化多、內容豐富、研究性突出等特點。大多數高校開設的都是應用邁克爾遜干涉儀觀察等傾干涉條紋以及測定光的波長,此實驗被學生認為是難調節、最枯燥、最傷眼睛的實驗之一,而且無創新。長期的教學實踐表明,若對該實驗進行拓展和延伸,打造成綜合設計性實驗,能收到很好的教學效果。2擴展現有實驗的內容由于學時的限制,原來的光學實驗內容有一定局限性。我們從分振幅干涉理論出發,從實驗目的、實驗原理、實驗儀器等多個角度進行拓展與創新。2.1接觸偏振片a、c如圖1所示,原有的邁克爾遜干涉儀上裝置不變,只需要在光路中多加4個偏振片,用來在不同情況下觀察偏振光的干涉。(1)先不要向光路中放入偏振片,按照一般情況,首先調節好邁克爾遜干涉儀,使毛玻璃上呈現出明亮清晰的等傾干涉條紋;給光路中加入偏振片B、C,讓它們的透射軸分別垂直于光束的傳播方向,即此時的B、C透射軸互相平行。這時,在毛玻璃上同樣觀察到明亮清晰的干涉條紋。轉動偏振片C,讓其透射軸與B相互垂直,則屏上的干涉條紋消失;給光路中加入偏振片D,原來屏上消失的干涉條紋又重新出現;給光路上再加入偏振片A,并改變偏振片A的透射軸取向;觀察毛玻璃屏上的條紋變化,記錄并進行分析。(2)觀察與思考。用1/8波片代替原來的偏振片B和C,并且使2個1/8波片的軸均與偏振片A的軸(或線偏振激光束的偏振化方向)成45°角,去掉原來的偏振片D。由于參與干涉的2束光線都是2次通過1/8波片,所以2束光都是圓偏振光。2.2薄膜薄透明體厚度的影響測量裝置如圖2所示,用擴展白光作光源。當把薄透明體置于一個光路上時,由于光程差的變化,中央條紋將移出視場中央。設透明體厚度為t,折射率為n,空氣折射率為n0,則光程變化Δ′=2t(n-n0)。調節M1的位置,使中央條紋重新出現在原來位置,即視場中央,此時因M1移動距離d′而引起的光程變化為2d′n0,正好與插入薄膜所引起的光程變化相等,即有:t=d′n0/(n-n0),測得M1移動距離d′,則可算出薄透明體的厚度。如已知薄透明體的厚度為t,則可求出其折射率n。當薄透明體的厚度大于2.5mm時,由于薄透明體對白光的色散,不同波長成分的光形成干涉圖樣錯開排列,且隨著厚度的增大,干涉圖樣錯開越大。當厚度增大到一定程度,各種波長的干涉圖樣相互交錯重疊,致使干涉條紋可見度為零。因此,對于較厚薄透明體的測量,不能采用邁克爾遜白光干涉的實驗方案,應采用He-Ne激光器作為單色光源。2.3求解紫外光干涉條紋在該實驗中,由于白光的彩色條紋只有幾條,如果移動過快,條紋極易一晃而過,難于察覺.如何迅速找到白光干涉條紋呢?文獻介紹了一種簡單實用的方法:將光柵放在眼前,并使其刻痕保持豎直方向,眼睛透過光柵觀察有白光照明的干涉場。文獻介紹了先在白光光源前放置干涉濾光片,使光譜范圍減小,則相干長度增大到白光干涉時的大約1～2個數量級,放置干涉濾光片后,可以很快找到干涉條紋.3附加光程差對干涉文本的影響邁克爾遜干涉儀中補償板的作用是補償2束相干光束因通過分光板次數不同而引起的附加光程差,不加補償板和補償板與分光板未能達到完全平行時,附加光程差對干涉圖樣有什么樣的影響,我們讓學生分別進行討論。3.1附加光程差對樣本形狀的影響如果沒有補償板G2,則由S發出的光,經分光板G1鍍膜面反射和透射,形成2束相干光,經M1反射的光束比經M2反射的光束多經過分光板2次,反射鏡M1和M2相互垂直,則M1和M′2相互平行,經M1和M′2反射的2束光光程差為:Δ=2dcosθ+Δ′(1)式中d為空氣層M1和M′2厚度,θ為光線在M1和M′2鏡的入射角和反射角,Δ為光束經過分光板2次產生的附加光程差。設分光板厚度為D,折射率為n,光線2次通過分光板時的出射角和入射角為i和i′,則附加光程差為:Δ′=D[(n2?sin2????????√i?cosi)+(n2?sin2i′?????????√?cosi′)](2)我們用單色光照明做實驗,在觀察屏E上只能看到二次曲線形狀的干涉圖樣。慢慢移動反射鏡M1向分光板靠近,圖樣隨光程差的變化而變化。特點是:在光程差很大(即M1和M′2相距很遠)時為圓形圖樣,隨光程差不斷減小,橢圓長軸由水平方向變為豎直方向,雙曲線為一對共軛雙曲線。可見,附加光程差改變了干涉圖樣的形狀。因此,在M1和M′2平行時,我們不可能觀察到形狀不隨光程差變化的等傾干涉圓形圖樣;在M1和M′2相交時,因為附加光程差較大,大于白光的相干長度,所以用白光照明看不到干涉現象。3.2等傾干涉彩色培養若將補償板G2由原來與水平方向成45°位置轉動一個角度,入射角由i變為i+Δi,當M1、M2相互垂直,進入干涉儀的任一束光經分光板G1鍍膜面反射和透射達M1和M2反射的2束光光程差為Δ=2dcosθ+Δ′,設G1、G2厚度都為D,折射率為n,光束通過G1和G2的單次光程為L1和L2,則光線2次通過G2的附加光程差為:Δ′=n2D[sinicosi(n2?sin2i)?n2?sin2i√Δi+sini′cosi′(n2?sin2i′)?n2?sin2i′√Δi′](3)用單色光照射時,如果仍在E處觀察,圓形等傾干涉條紋變成橢圓形,而對于等厚干涉條紋沒有什么變化。用白光照射時,等傾干涉彩色圓環條紋將變成橢圓形。同理,白光等厚干涉彩色直線形條紋將會變成稍為彎曲的曲線,并且色彩分布也不再具有對稱性,缺少白光等厚干涉所獨有的中央零級條紋,凡通過觀察白光零級干涉條紋來實現的擴展測量實驗也就無法進行。3.3日本轉化率設邁克爾遜干涉儀中補償板G2的厚度t=2mm,折射率為n2=2√。將補償板G2由原來與水平方向成45°位置轉至豎直的位置,設入射光的波長為632.8nm,確定在視場中,能觀察到多少條亮條紋移過。4莫爾光柵位移測量系統及圖像數據采集除了傳統實驗的橫向拓展與縱向深入,把一些現代新發展的光學測量技術引入實驗,也是綜合設計性實驗內容的重要來源。實際上,這些內容往往原理較深、儀器較復雜,因而直接引入一般教學實驗相當困難;而綜合設計性實驗的學時較長、教學方法靈活,為這些內容的引入創造了十分有利的條件。用CCD技術和莫爾條紋光柵位移傳感器設計光學球面半徑的測量系統。光學球面曲率半徑是決定光學球面光學特性的重要參量,通過測量光學球面的曲率半徑,可以審核光學元件設計制造質量。在基于白光干涉理論基礎上,將莫爾光柵位移測量裝置及CCD數字圖像采集處理系統集成到邁克爾遜干涉儀上,構建光學球面曲率半徑自動測量系統。對于曲率半徑為R的球面(見圖3),只要分別測出2次相交圓半徑r1、r2和矢高H1、H2之差,則有R=(r21?r224ΔH?ΔH)+r21???????????????√。利用帶有補償板的邁克爾遜干涉儀的白光干涉零級暗紋定位,可以測出平面與球面2次相交圓的半徑及球面的矢高H1和H2之差ΔH。測量裝置如圖4所示,所用光源為白光擴展光源,邁克爾遜干涉儀的反射鏡M2用被測球面替換,另一反射鏡M1為可動平板。可動平板中的其中一面為光學平面。在圖4中作出被測球面的虛球面,它是分光板的分光面對被測球面所成的鏡象。可動平板光學平面與分光板的分光面成45°角,并給出了可動平板關于分光板G1的分光板面所成的鏡像M′1和M′2,將可移動平板光學平面移動到其像位位置A和B,分別測出此時的暗圓環條紋半徑r1和r2,再根據公式計算出光學球面曲率半徑R。通過光柵位移測量系統可以測量出可動平板的光學平面移動的距離。由學生通過所學光學測量等相關知識,組建莫爾光柵位移測量系統和用線陣CCD圖像采集與處理系統;應用數字圖像處理、測量與識別技術,對CCD采集的圖像進行圖像平滑、圖像銳化、圖像的二值化處理、圖像尺寸計算;采用光柵位移測量技術對光學球面位移進行測量,加入控制卡,設計了光柵位移傳感器與計算機控制卡接口電路,實現了位移量的自動處理,因此可以自