一种时域和光谱同时测量的低相干光源干涉实验教学演示装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种时域和光谱同时测量的低相干光源干涉实验教学演示装置，包括：宽谱LED光源、LD光源、可选滤色片转盘、第一翻转架、两个光阑、准直系统、第一分束镜、第一反射镜、第二反射镜、第二分束镜、光谱仪、第二翻转架、光电探头、面阵CCD、数据采集卡、处理器；第一翻转架首先选通准直LD那一路的光，经过准直光阑和准直系统，调节光路准直、共轴，并接近等光程点。之后第一翻转架选通低相干宽谱LED光源，通过光谱仪辅助判断寻找等光程点。在等光程点附近扫描，观察光谱曲线的变化情况。通过第二翻转架的切换，实现CCD观察干涉条纹的空间分布和时域干涉信号测量模式的切换。本装置可提高低相干光源干涉演示装置和教学的物理性质演示的全面性。

【技术实现步骤摘要】
一种时域和光谱同时测量的低相干光源干涉实验教学演示装置
本专利技术涉及光学测量与光电检测领域，更具体地，涉及一种时域和光谱同时测量的低相干光源干涉实验教学演示装置。
技术介绍
低相干干涉测量技术已被广泛的应用于各种场合，例如OCT医学成像系统，傅里叶光谱仪，这些都已发展出了成熟的商用系统，然而这些仪器一方面非常昂贵，另一方面系统集成度高，不利于教学演示。理解宽带光源的低相干性，包括时间相干性和空间相干性，因为其概念的抽象性，一直都是教学上的一个难点。低相干干涉测量技术在物理实验教学中通常用于测量透明介质的厚度和折射率，这些实验尽管具有一定的实用性，然而很难通过这些参数的测量而让实验者对光源的低相干特性有更加深入的理解。2009年8月19日公开的中国专利CN101509828A公开了一种差动共焦－低相干干涉组合折射率及厚度测量方法与装置。该方法首先通过差动共焦定焦原理和低相干干涉原理分别确定被测样品的前表面位置和后表面位置对应的测量物镜和参考部分的位置，然后测量测量物镜的移动距离和参考部分的移动距离，代入公式计算被测样品的折射率和厚度。该装置仅能实现低相干干涉组合折射率及厚度测量，应用于教学显然是不能够全面演示低相干光源干涉的物理性质的。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术所述的低相干光源干涉演示装置和教学的物理性质演示不够全面的缺陷，提供一种时域和光谱同时测量的低相干光源干涉实验教学演示装置。所述装置包括：光源系统、两个光阑、准直系统、第一分束镜、第一反射镜、第二反射镜、第二分束镜、光谱仪、第二翻转架、光电探头、面阵CCD、数据采集卡、控制器；所述两个光阑、准直系统、第一分束镜沿光源系统的出射光线方向依次设置；第二反射镜设置在第一分束镜的透射光线方向上；第一反射镜设置在第一分束镜反射光线方向上；第二分束镜设置在第一分束镜反射光线的相反方向上；光谱仪设置于第二分束镜的投射光线方向上；第二翻转架、光电探头依次设置于第二分束镜的反射光线方向上；面阵CCD设置在第二翻转架的反射光线方向上；光谱仪用来采集光谱信号；光电探头用来采集时域扫描信号；面阵CCD用来采集空间条纹信号；控制器用来实现对光谱仪、光电探头、面阵CCD的控制；控制器还实现对光谱信号、时域扫描信号、CCD信号的处理以及对信号处理结果的显示。优选地，所述光源系统包括LD光源和宽谱低相干光源；LD光源和宽谱低相干光源相互切换使用。优选地，所述光源系统还包括第一翻转架；LD光源和宽谱低相干光源通过第一翻转架进行切换。优选地，所述光源系统还包括可选滤色片转盘，可选滤色片沿宽谱低相干光源的出射光线方向设置于宽谱低相干光源和第一翻转架之间。可选滤色片转盘具有选择宽谱光源不同波段的作用，实现同一光源下的不同光谱范围的相干特性的测量。优选地，所述两个光阑等高同轴设置。优选地，所述准直系统由透镜组组成。用于光谱低相干光源的光线准直。优选地，所述第一反射镜和第二反射镜中的其中一个反射镜带导轨，另一个反射镜带平移系统；所述平移系统通过控制器进行控制。优选地，第一反光镜带平移系统，第二反光镜带导轨。优选地，所述平移系统通过压电陶瓷驱动，所述压电陶瓷通过控制器进行控制。优选地，所述平移系统通过步进电机驱动，所述步进电机通过控制器进行控制。本专利技术所述低相干光源干涉实验的原理叙述如下：光源的低相干性：1.时间相干性：为了研究光场的时间相干性，需要考察从光源发出的光波在空间同一点不同时间的相干性，通常是将光源发出的同一束光波分为两束，让它们经历不同的路程后再相遇。迈克尔逊干涉仪中，对于宽带点光源，两路光干涉的基本条件是频率相同，偏振相同，具有恒定的相位差。假设参与干涉的两路光除光程差以外其他条件都相同，即满足干涉条件。由光学知识可知其复相干函数，其归一化形式称为复相干度(更常用)：Γ(τ)＝<u(t)u*(t+τ)>复相干度反映的是参与干涉的两束波列在不同时间延迟下的相关程度，它与归一化的单边功率谱密度互为傅立叶变换，可以将复相干度实部的半高宽定义为相干时间或相干长度，在本专利描述中用Mandel定义形式的公式(7)表示。可见，光源的相干性与光源的谱线形状和宽度紧密相关。根据傅里叶变换的不确定性原理，通常光源的谱宽越宽，复相干度下降得也越快，相干时间或相干长度就越小，光源的时间相干性就越低。常见的谱线形状有矩形线型、高斯线型和洛伦兹线型三种，考虑高斯线型，其归一化的功率谱密度：代入(2-1)，求其反傅里叶变换，得到高斯线型的复相干度，以及其实部：对于两路只有光程差不同的宽带光干涉，其复相干度实部的形状即为改变光程差时干涉光信号的形状。图6和图7分别为模拟的高斯线型的功率谱密度和复相干度的实部。图6和图7即光谱、时域具有傅里叶变换的关系。设两路光的光程差为Δs，对应的时间差为τ，则τ＝Δs/c，入射光的复振幅为u(t)，分光后参加干涉的两路光的复振幅分别为u1(t)＝K1*u1，u2(t)＝K2*u2(t+τ)，若样品没有吸收，则K1＝K2＝1。探测器上的叠加信号：uD＝u1(t)+u2(t)＝K1u(t)+K2u(t+τ)(4)由于探测器相对于光强是慢响应，探测器只能探测到光强，将复振幅带入光强的计算公式，得到：ID＝<uD(t)·uD*(t)>＝<(K1u(t)+K2u(t+τ))·(K1u*(t)+K2u*(t+τ))>＝K12<|u(t)|2>+K22<|u(t+τ)|2>+K1K2<u(t)u*(t+τ)>+K1K2<u*(t)u(t+τ)>＝(K12+K22)I0+2K1K2Re[<u(t)u*(t+，τ)>](5)＝(K12+K22)I0+2K1K2Re[Γ(τ)]＝2I0+2I0Re[γ(τ)]干涉条纹对比度，即可见度：相干时间：干涉条纹对比度直接决定了信号强度的大小，对比度为1时则两束光完全相干，此时信号强度最大，脉冲峰值最大。对比度为0则完全不相干，此时没有信号。2.空间相干性实际采用的光源一般是扩展面光源，单点扫描的OCT系统利用的是等倾干涉，扩展光源会造成干涉条纹对比度的下降，因此必须保持高的空间相干性，通常的方法是限制光源的有效面积。扩展光源的空间相干性可以用空间复相干函数Γ12(0)和空间复相干度γ12(0)来描述，表达式如(8)：Γ12(0)＝<u1(P1，t)u2*(P2，t)>空间上任意两点的空间相干性可以用杨氏双缝实验来描述，在等光程附近的干涉范围内的条纹对比度就反映了双缝所在位置的空间相干性。研究空间复相干函数在空间上的传播，由于时间相干和空间相干的问题同时存在，需同时考虑光的传本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种时域和光谱同时测量的低相干光源干涉实验教学演示装置，其特征在于，所述装置包括：光源系统、两个光阑、准直系统、第一分束镜、第一反射镜、第二反射镜、第二分束镜、光谱仪、第二翻转架、光电探头、面阵CCD、数据采集卡、控制器；/n所述两个光阑、准直系统、第一分束镜沿光源系统的出射光线方向依次设置；/n第二反射镜设置在第一分束镜的透射光线方向上；第一反射镜设置在第一分束镜反射光线方向上；第二分束镜设置在第一分束镜反射光线的相反方向上；/n光谱仪设置于第二分束镜的投射光线方向上；/n第二翻转架、光电探头依次设置于第二分束镜的反射光线方向上；/n面阵CCD设置在第二翻转架的反射光线方向上；/n光谱仪用来采集光谱信号；光电探头用来采集时域扫描信号；面阵CCD用来采集空间条纹信号；/n控制器用来实现对光谱仪、光电探头、面阵CCD的控制；/n控制器还实现对光谱信号、时域扫描信号、CCD信号的处理以及对信号处理结果的显示。/n

【技术特征摘要】
1.一种时域和光谱同时测量的低相干光源干涉实验教学演示装置，其特征在于，所述装置包括：光源系统、两个光阑、准直系统、第一分束镜、第一反射镜、第二反射镜、第二分束镜、光谱仪、第二翻转架、光电探头、面阵CCD、数据采集卡、控制器；
所述两个光阑、准直系统、第一分束镜沿光源系统的出射光线方向依次设置；
第二反射镜设置在第一分束镜的透射光线方向上；第一反射镜设置在第一分束镜反射光线方向上；第二分束镜设置在第一分束镜反射光线的相反方向上；
光谱仪设置于第二分束镜的投射光线方向上；
第二翻转架、光电探头依次设置于第二分束镜的反射光线方向上；
面阵CCD设置在第二翻转架的反射光线方向上；
光谱仪用来采集光谱信号；光电探头用来采集时域扫描信号；面阵CCD用来采集空间条纹信号；
控制器用来实现对光谱仪、光电探头、面阵CCD的控制；
控制器还实现对光谱信号、时域扫描信号、CCD信号的处理以及对信号处理结果的显示。


2.根据权利要求1所述一种时域和光谱同时测量的低相干光源干涉实验教学演示装置，其特征在于，所述光源系统包括LD光源和宽谱低相干光源；LD光源和宽谱低相干光源相互切换使用。


3.根据权利要求2所述一种时域和光谱同时测量的低相干光源干涉实验教学演示装置，其特征在于，所述光源系统还包括第一翻转架；LD光源和宽谱低相干光源通过第一翻转架进行切换...

【专利技术属性】
技术研发人员：王福娟，蔡志岗，赵伟鸿，李佼洋，董君行，黄柱源，邓梓彬，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44