文档介绍：现代光学设计实验(二)物质折射率测定实验光学作为一门本科光学专业的必修课,主要以理论知识的形式出现,在诸多具体应用中,也多是仅提出一种方法,具体的应用过程都要进行光电信号的有机结合。本实验的目的即是结合理论基础与实际应用,实现光电的有机结合。设计要求本课程是一门以实践为主的综合实验技术科,要求学生在已学过的波动光学、数字电路、模拟电路等相关基础课、专业课和实验课的基础上,提出一套实用的物质折射率测定方案,设计必要的光学系统和硬件电路,完成光电信号的转换,物理信号与硬件电路的有机结合,实现对物质折射率的准确测量。,由光源S发出的光的波阵面同时到达和。通过和的光将发生衍射现象而叠加在一起。由于和是由S发出的同一波阵面的两部分,所以这种产生光的干涉的方法叫做分波阵面法。dPxoHSD图1双缝干涉原理考虑屏上任意一点P,从和到P的距离分别为和。由于在图示装置中,从S到和等远,所以和是两个同相波源。因此在P处的强度就仅由从和到P点的波程差决定。有图可知,这一波程差为式中是P点的角位置,即的中垂线MO与MP之间的夹角。通常很小。所以有:产生明纹的条件为:k=0,1,2…其在屏上的位置为:k=0,1,2…产生暗条纹的条件为:k=0,1,2…其在屏上的位置为:k=0,1,2…,表现为条纹在屏上发生了位移。只要知道物体的厚度h,以及条纹的移动距离变可以计算出物体的折射率n。然而实际测量时,当把待测物体至于S1前时,条纹移动会出现跳变,因此实际上很难得知条纹到底移动了多少距离,而且距离的测量会引入较大误差,测得的折射率结果误差较大,因此引入如图2所示的检测系统:在S1前放置待测物体W1,其折射率为n1未知,厚度h1。S2前放置一互补楔形物体W2,折射率n2,总体厚度为h2,楔形物W2由机械系统驱动,可以自由滑动,动态改变厚度h2的值。通过调节W2可以使中央0级亮纹始终位于两孔的中垂线上。由两物体光程差的互补可知:Dr1r2do驱动方向H四象限探测器信号输出S1S2W1W2图2实用折射率检测系统所以:对于物体W2,其移动采用高精度旋转机械臂驱动,厚度h2是机械旋转臂旋转角度的函数:所以:测量时只需调节机械旋转臂使零级亮纹位置不变,记录旋转角度便可测得待测物折射率。同时为了使零级亮条纹精确位于屏幕的原点O处,我们使用四象限探测器来实现,检测时四象限探测器放置在屏幕H的原点O处。,每个探测器一个象限,目标光信号经光学系统后在四象限光电探测器上成像,如图3所示。一般将四象限光电探测器置于光学系统焦平面上或稍离开焦平面。当目标成像不在光轴上时,四个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同,比较四个光电信号的幅度大小就可以知道目标成像在哪个象限上(也就知道了目标的方位)。通过前置放大电路对四路信号进行预放大便可以得到四路输出。差分放大1DBCA前置放大电路差分放大2图3四象限探测器分为对成对角线的两路输出做差分放大,输出分别为和,当零级亮条纹完全位于原点O时,差分电路的两路输出均为零:(为什么?),据此便可以实现对零级亮纹位置的准确检测。系统设计整个检测系统主要由四大功能模块组成:光学检测模块、信号处理模块、供电模块与功能扩展模块。系统组成如图4所示。,这里不再详细介绍,其构成参见图3所示。这得注意的是在构建光学系统的时候,要特别注意各个物理参数的设定,以使干涉条纹达到最好的状态(相干条件),同时传感器在屏幕上位置要做到尽量的精确,这是决定探测精度的一个重要因素。同时如何选择合适的传感器也是决定检测精度至关重要的因素。问题:干涉的条件是什么?传感器选型时需要注意什么?光路搭建过程中需要注意什么?,而我们需要的是电压信号,因此在进行差分之前必须将电流信号转化成电压信号(I/VConvert)。I/V转换原理如图5所示。图5CurrenttoVoltageConverter电流电压关系为:问题:选择放大器的时候对放大器特性有什么要求,为什么?(提示:放大器偏执电流(urrent))。如何确定电路中各电阻的阻值?如果经过I/V转换后输出电压还是过低,达不到差分电路的输入要求,应该采取什么措施?。电路的输入输