《光电检测技术》实验指导书深圳大学光电工程学院2016年12月
《光电检测技术》实验指导书 深圳大学光电工程学院 2016 年 12 月
目录实验一激光干涉精密测量实验一实验二激光衍射计量技术光学及傅里叶变换和图像处理实验?实验三激光共焦三维测量实验，.10实验四巴伸特原理及细丝直径测量实验13
目录 实验一 激光干涉精密测量实验. 1 实验二 激光衍射计量技术光学及傅里叶变换和图像处理实验. 4 实验三 激光共焦三维测量实验. 10 实验四 巴俾特原理及细丝直径测量实验. 13
实验一激光干涉精密测量实验实验目的1．了解激光干涉测量的原理2.掌握微米及亚微米量级位移量的激光干涉测量方法3．了解激光干涉测量方法的优点和应用场合实验原理二、本实验采用泰曼-格林（Twyman-Green）干涉系统，T-G干涉系统是著名的迈克尔逊白光干涉仪的简化。用激光为光源，可获得清晰、明亮的干涉条纹，其原理如图1所示。M（参考镜）1BSLiHe-Ne激光器M2（测量镜）AL扩束准直系统L干涉条纹D本N2图1泰曼-格林（Twyman-Green）干涉系统激光通过扩束准直系统L1提供入射的平面波（平行光束）。设光轴方向为Z轴，则此平面波可用下式表示：U(Z)= Aeik(1)2元为波数，入是激光波长。式中，A——平面波的振幅，k=2元此平面波经分光系统BS分为二束，一束经参考镜M1，反射后成为参考光束，其复振幅U.用下式表示UR=AR-ee(R)(2)—参考光束的振幅，ΦR(=R）——参考光束的位相，它由参考光程z决定。另式中AR—一束为透射光，经测量镜M2反射，其复振幅U.，用下式表示1
1 实验一 激光干涉精密测量实验 一、 实验目的 1． 了解激光干涉测量的原理 2． 掌握微米及亚微米量级位移量的激光干涉测量方法 3． 了解激光干涉测量方法的优点和应用场合 二、 实验原理 本实验采用泰曼-格林（Twyman-Green）干涉系统，T-G 干涉系统是著名的迈克 尔逊 白光干涉仪的简化。用激光为光源，可获得清晰、明亮的干涉条纹，其原理 如图 1 所示。 图 1 泰曼-格林（Twyman-Green）干涉系统 激光通过扩束准直系统L1提供入射的平面波（平行光束）。设光轴方向为Z轴 ，则此平 面波可用下式表示： U(Z) = Aeikz (1) 式中，A——平面波的振幅，k = 2π λ 为波数， λ是激光波长。 此平面波经分光系统BS分为二束，一束经参考镜M1，反射后成为参考光束， 其复振幅UR用下式表示 UR = AR ⋅ eφ R (zR ) (2) 式中AR——参考光束的振幅，φ R (zR )——参考光束的位相，它由参考光程 zR 决定。 另 一束为透射光，经测量镜M2反射，其复振幅Ut，用下式表示：
U,=A ·et(=)(3)式中A,——测量光束的振幅，Φ(=)测量光束的位相，它由测量光程Z，决定。此二束光在BS上相遇，由于激光的相干性，因而产生干涉条纹。干涉条纹的光强I(x,y)由下式决定(4)I(x,y)=U.U*式中U=UR+U，U=U+U，而U，UR，U为U，UR，U的共轭波。当两束光彼此间有一交角20，并将式(2)，式(3)代入式(4)，且当の较小，即sinθ=θ时，经简化可求得干涉条纹的光强为：(5)I(x,y)=21.(1+coskl20)式中I。——激光光强，1——光程差，1=zR-z,。式（5）说明干涉条纹由光程差1及θ来调制。当为一常数时，干涉条纹的光强如图2所示。2/2A(x,y)0图2干涉条纹光强分布图当测量在空气中进行，且干涉臂光程不大，略去大气的影响，则I=N.2(6)2式中N一干涉条纹数。因此，记录干涉条纹移动数，已知激光波长，有式（6）即可测量反射镜的位移量，或反射镜的轴向变动量。A测量灵敏为：当N=1，则△I=几=0.633um（He-Ne激光），则/=0.3um12如细分N，一般以1/10细分为例，则干涉条纹的最高测量灵敏度为N/=0.03um。三、实验仪器光电实验平台，电脑四、实验光路图2
2 Ut = At ⋅ e φt (zt ) (3) 式中 At ——测量光束的振幅，φt(zt)测量光束的位相，它由测量光程 zt 决 定。 此二束光在 BS 上相遇，由于激光的相干性，因而产生干涉条纹。干涉条纹的 光强 I(x,y)由下式决定 I(x, y) =U ⋅U∗ (4) 式中U =UR +Ut , U∗ =UR * +Ut * ，而U∗ ，UR * ，Ut * 为U，UR，Ut的共轭波。 当两束光彼此间有一交角2θ ，并将式(2)，式(3)代入式(4)，且当θ 较小，即 sinθ ≅θ时，经简化可求得干涉条纹的光强为： I(x, y) = 2I0 (1+ coskl2θ) (5) 式中 I0——激光光强， l——光程差， l = zR − zt。 式(5)说明干涉条纹由光程差l及θ 来调制。当θ 为一常数时，干涉条纹的光 强如图 2 所示。 图2 干涉条纹光强分布图 当测量在空气中进行，且干涉臂光程不大，略去大气的影响，则 l = N ⋅ λ 2 (6) 式中N——干涉条纹数。 因此，记录干涉条纹移动数，已知激光波长，有式（6）即可测量反射镜的 位移量，或反射镜的轴向变动量。 测量灵敏为：当 N＝1，则 Δl = λ 2 ，λ = 0.633μm（He-Ne激光），则Δl = 0.3μm 如细分N，一般以1/10细分为例，则干涉条纹的最高测量灵敏度为Δl = 0.03μm。 三、 实验仪器 光电实验平台，电脑 四、 实验光路图
O相机光CMOS相机·a-激光器，b-衰减片，c-反射镜，d-显微物镜，e-准直透镜，f-可变光阑，g-分光棱镜，i-反射机构（带PZT），j-反射机构，o-数字相机五、实验步骤1.开机，激光器a通电，待光强稳定。按下实验箱前方右侧PZT电源键，工作时开关亮蓝灯，；2.按实验光路图布置好光路，扩束激光；3.在反射机构i，j上安装反射镜：4.调节反射机构及分光棱镜，使得两束激光重合发生干涉；5.调节光路，使得干涉条纹为竖直干涉条纹；6.运行实验软件，选择实验四，用相机采集观察干涉条纹，根据电脑性能选择合适的图像分辨率，当电脑配置较低时，建议窗口分辨率设为512×512，避免数据处理时间过长。7.调节光路，使得视场内的竖直条纹数在6~20条之间。8.点击“打开”按键，通过COM孔连接PZT，拖动“滑块”或者在手动输入定点电压值，观察随着电压值增大，条纹向哪个方向移动（“左”或者“右”)。9.设定电压“起始值”、“间距”、“次数”，如起始值0V，间距5V，次数10。点击“执行”，则PZT从OV开始，每次电压增加5V，增加10次，每增加一次电压采集一幅条纹图像，加上初始图像，共采集11幅图像控制。点击“执行”时，会要求选择图像保存位置及图像文件名。10.图像采集完毕后，进入数据处理模块，点击打开图像，批量导入刚保存的图像组。根据步骤8观察到的条纹移动方向，选择“向左”或“向右”。。11点击计算条纹，经过系统计算，便可得到电压与PZT移动量之间的对应关系。保存相关图标及表格。3
3 a-激光器，b-衰减片，c-反射镜，d-显微物镜，e-准直透镜，f-可变光阑，g- 分光棱镜，i-反射机构（带 PZT），j-反射机构，o-数字相机 五、 实验步骤 1. 开机，激光器 a 通电，待光强稳定。按下实验箱前方右侧 PZT 电源键， 工作时开关亮蓝灯，； 2. 按实验光路图布置好光路，扩束激光； 3. 在反射机构 i,j 上安装反射镜； 4. 调节反射机构及分光棱镜，使得两束激光重合发生干涉； 5. 调节光路，使得干涉条纹为竖直干涉条纹； 6. 运行实验软件，选择实验四，用相机采集观察干涉条纹，根据电脑性能 选择合适的图像分辨率，当电脑配置较低时，建议窗口分辨率设为 512× 512，避免数据处理时间过长。 7. 调节光路，使得视场内的竖直条纹数在 6~20 条之间。 8. 点击“打开”按键，通过 COM 孔连接 PZT，拖动“滑块”或者在手动输 入定点电压值，观察随着电压值增大，条纹向哪个方向移动(“左”或者 “右”)。 9. 设定电压“起始值”、“间距”、“次数”，如起始值 0V，间距 5V,次数 10。 点击“执行”，则 PZT 从 0V 开始，每次电压增加 5V，增加 10 次，每增加 一次电压采集一幅条纹图像，加上初始图像，共采集 11 幅图像控制。点击 “执行”时，会要求选择图像保存位置及图像文件名。 10.图像采集完毕后，进入数据处理模块，点击打开图像，批量导入刚保存 的图像组。根据步骤 8 观察到的条纹移动方向，选择“向左”或“向右”。 11．点击计算条纹，经过系统计算，便可得到电压与 PZT 移动量之间的对 应关系。保存相关图标及表格