迈克耳孙干涉仪与光学自相关测量

“迈克耳孙干涉仪与光学自相关测量”是北京大学基础物理实验教学中心开设“综合物理实验”课程中的实验项目.作为该项目的教学辅助材料,本文旨在引导学生在熟悉教学型迈克耳孙干涉仪及其实验的基础上,尝试理解迈克耳孙干涉原理在现代科技中的应用,深入研究基于迈克耳孙干涉仪器的光学自相关测量机制,搭建基于教学型迈克耳孙干涉仪的傅里叶变换光谱仪或者光学相干层析成像的实验系统,探究相关的物理与技术问题.文中插入了一些“思考与练习”的题目,希望学生能以问题为导向来具体理解相关的物理内容和实验技术.最后的“教学要求”明确了实验的基本内容、面谈环节重点讨论的具体问题和后续深入研究的主要方向.

基于知识图谱的大学物理实验课程教学策略研究——以“迈克耳孙干涉”实验项目为例

大学物理实验课程在培养本科生的创新实践能力方面发挥着重要的作用。构建大学物理实验课程教学知识图谱,要系统梳理大学物理实验课程所涉及的具体实验项目中的各教学知识点,结合国内其他国家级实验教学示范中心大学物理实验教材中的教学内容,参考相关实验项目已经公开发表的论文以及授权的专利等。大学物理实验课程教学知识图谱分为“实验项目名称”“教学考核”和“技术应用”三大模块。基于知识图谱的大学物理实验课程教学,一方面可为教育部教指委开展的实验教学标准化工作提供参考,另一方面可进一步增强大学物理实验课程在创新型本科人才中所起的作用。

基于迈克耳孙干涉仪光路折叠和抽真空方式测空气折射率

采用光路折叠结合气室先预抽真空后充气的实验方式,改进了传统的迈克耳孙干涉仪测量气体折射率的方法.利用折叠光路法增加激光在气室中的穿越次数达到增加气室内的光程,从而数倍地增强待测信号;采取预抽真空后缓慢向连通气室的大容积缓冲真空室内充入待测气体,使气室内气压更均匀、平稳地增长,从而实现了气体折射率的高精度测量,并验证了气压与折射率的线性关系.

基于固有频率和迈克耳孙干涉测杨氏模量

基于材料的固有振动性质,结合迈克耳孙干涉测量的高精度,将待测材料和全反镜进行固性连接,通过测量干涉中心点光强的周期变化研究材料的固有振动频率,计算出材料的杨氏模量.实验将测量对象转换为振动频率,间接测量杨氏模量.同时,振动频率的变化可以通过示波器直观显示,固有频率振动稳定且起振操作简单,可通过增加周期数量减小误差.

迈克耳孙干涉仪中动镜微小位移量的测量方法研究

研究了迈克耳孙干涉仪中可动镜微小位移量的精确测量方法。利用单色光定标确定条纹间距与像素间隔之间的关系,进而利用白光干涉通过测量零级暗纹中心的移动量,由此得到动镜的微小位移量。对于单色光条纹图,通过逐行傅里叶变换、移频、低通滤波与反变换消除条纹噪声,进而利用多项式拟合、条纹极值点自动搜索等得到条纹间距与像素间的换算关系;而对于白光条纹图,则利用条纹平滑、设定限定性阈值消除个别奇异极值点和各行值平均等方法得到其中央零级暗纹中心移过的像素间隔。由此最终精确得到动镜的微小位移量。论文算法综合运用了图像处理技术、最小二乘拟合技术、条纹极值点自动搜索技术等,实现了对迈克耳孙干涉仪中动镜微小位移量测量算法的智能化,可用于标定干涉仪中平面参考镜的微小位移,也可用于测量透明薄膜的厚度。

光源尺寸对迈克耳孙干涉条纹可见度的影响

在大学物理中,通过迈克耳孙干涉仪,学生可观察到点光源和扩展光源产生的各种类型干涉图案,并且理解非定域干涉与定域干涉的形成条件及特点,加深对光的波动性的认识。分析光源尺寸对可见度的影响有助于更好地理解非定域和定域干涉。为此,我们将扩展光源等效为无数个不相干的点光源,得到了可见度公式,数值模拟结果展示了可见度随尺寸的变化。据此容易理解光源尺寸的变化怎样导致条纹观测区域的改变。同时,分析结果还表明,要在观察屏上得到干涉条纹,光源的尺寸应小于某个临界值。

迈克耳孙干涉仪实验为基础的教学设计研究——以手机App自动数据记录为例

在高校开设的众多大学物理实验课程中,迈克耳孙干涉仪实验一直是学生较为棘手的实验。实验中需要目测记录快速移动的细圈,既累又容易出错,影响实验的准确度。结合迈克耳孙干涉仪的结构特点,设计开发了基于手机App的迈克耳孙干涉仪实验数据自动记录装置,可以实现对干涉条纹的自动精准计数,对仪器示数的快速拍照和存储,以及对激光波长测量数据的自动化快速处理。实验结果表明装置减少了人眼疲劳导致的干涉条纹计数误差,提高了测量的精确度;缩短了实验时间,提高了实验效率;有助于激发学生的学习兴趣。

用迈克耳孙干涉法测量固体线膨胀系数

把迈克耳孙干涉仪与用千分表测量固体线膨胀系数的恒温炉实验仪结合起来,设计制作出测量固体线膨胀系数的仪器。利用光学干涉法测量了铜棒的线膨胀系数,并与用千分表的测量值进行了比较。结果表明干涉法更准确,更适合较低线膨胀系数的固体材料的精密测量。

利用迈克耳孙干涉仪制作全息光栅——非物理专业本科教学拓展实验

使用迈克耳孙干涉仪制作了一维光栅和二维正交光栅 ,拓展了非物理专业本科教学实验内容 .

基于长周期光纤光栅迈克耳孙干涉仪的溶液饱和点测量

采用掩模法制作周期为400μm的长周期光纤光栅,在其一端6cm处镀制Ag反射膜,制成LPFG-Michelson干涉仪.以NaClO3溶液为例,逐次添加等量溶质,研究基于LPFG-Michelson干涉仪快速标定特定温度下溶液饱和点的实验装置及方法.基于相位差原理,求解纤芯、包层模本征方程,分析了LPFG-Michelson干涉仪谱线移动随外界环境的变化规律,参照理论计算曲线,分析实验测得的损耗谷波长移动量随添加的NaClO3粉末质量的变化曲线,最小二乘法拟合后,再计算未饱和及饱和时的拟合曲线的交点,得出NaClO3水溶液在32℃下的饱和点,与已知文献测定值相差仅1.5%.

迈克耳孙干涉仪测量介质板折射率的问题研究

使用迈克耳孙干涉仪测量较厚介质板的折射率时,发现迈克耳孙干涉仪中放入待测介质板后,反射镜M1的调节方向异常.针对这一实验现象,从理论上进行分析,解释了实验中出现的异常现象,并推导出反射镜M1在两次观测中移动的距离与介质板折射率的关系式.实验结果进一步证明理论与公式的正确性.

用ZEMAX软件辅助迈克耳孙干涉仪实验教学

利用ZEMAX软件设计了迈克耳孙干涉仪实验光路.软件绘制的不同显示方式的实验光路外形图,使学生对实验光路建立起了清晰的图像.通过编写ZPL程序实现了对实验现象的动态模拟,使学生对理想情况下的实验现象有一个准确的把握.通过在软件中改变光路主要参数分析了不同方面和不同程度的误差对干涉条纹的影响,其结论对学生在实验中进行有效而准确的调节起到了指导作用.

迈克耳孙干涉光程差分析模型探讨

根据迈克耳孙干涉中实镜和虚镜不可能绝对平行的客观实际建立了迈克耳孙干涉光程差分析模型,推导出了相应的迈克耳孙干涉的光程差公式,计算等倾干涉和等厚干涉的光程差,完整地描述了迈克耳孙干涉的等倾干涉和等厚干涉及其两种干涉之间的过渡关系.

迈克耳孙干涉仪测折射率时的异常现象研究

针对迈克耳孙干涉仪以激光为光源测量玻璃板折射率所产生的异常现象,本文从几何光学理论出发进行了讨论,简明直观地给出了干涉条纹吞吐转折点与零光程点、光程、虚光源相对位置之间的关系,并与实验数据进行了对比.

基于线阵CCD的迈克耳孙干涉仪条纹计数器

通过CCD图像传感器对光干涉信号进行捕捉与采集,并将捕捉信号送至ARM微控制器,利用芯片内部的A/D转换单元将模拟信号转换成数字信号,然后对数字信号进行分析、变换、测量处理,将干涉图像、干涉环变换方向及计数结果显示在液晶屏上,该方法消除了人工记录干涉圆环数目时因疲劳而产生的计数误差,提高了测量精度.

迈克耳孙干涉仪应用功能的扩展

通过对迈克耳孙干涉仪的简易改装,实现了光速测量、透明固体和液体的折射率测量、金属丝弹性模量测量以及多普勒效应的演示,拓展了迈克耳孙干涉仪的应用功能.

GSZF-4型迈克耳孙干涉仪传动装置的改进

通过对迈克耳孙干涉仪的全程测量数据分析,发现了波长测量误差的变化规律,找到了测量误差的主要来源——传动比为20∶1的机构.通过认真分析仪器的传动机构,找出了传动装置存在的缺陷,从而对装置提出了改进方法,并指出了提高现有仪器波长测量精度的措施.

利用迈克耳孙干涉仪重建蜡烛火焰温度场

利用教学实验中的迈克耳孙干涉仪,进行蜡烛火焰温度场的测量.对干涉条纹进行了处理和细化,并分别用阿贝尔变换法和环带法对蜡烛火焰的温度场进行了计算,得到蜡烛火焰横截面上温度场的定量结果.

迈克耳孙干涉仪异常现象研究

观察并解释了迈克耳孙干涉仪的分光板被前后倒置后干涉条纹的变化 。

迈克耳孙干涉实验

描述了迈克耳孙干涉仪的结构、原理和调节方法,对非定域干涉和定域干涉的成像过程和干涉条纹特点进行了分析,实现了氦氖激光波长和透明玻璃薄片折射率的测量实验,并对透明玻璃薄片折射率测量实验的调节方法和实验现象进行了详细讨论.