近代物理实验傅里叶变换.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2013/4/2,#,傅里叶变换光谱,目录,一、背景知识；,二、实验目的；,三、实验原理；,四、实验装置；,五、实验内容。,背景知识,傅里叶变换,光谱技术是一项已获得了广泛的应用并且今天仍在飞速发展的技术，它是光谱学中三种主要的分光手段之一，具有高精确度、多通道、高质量、宽光谱范围以及结构紧凑等优势，不仅在光源较弱的红外光谱区占据了统治地位，同时在其他光波段，如紫外、真空紫外波段，高精度、高分辨率、小型化的傅里叶变换光谱仪较之体积和重量庞大的光栅光谱仪在应用上更为便利，效率更高，在今天仍是人们研究的热点,。傅里叶变换,光谱仪是综合运用机械学、光学、电子学、计算机学、数学等多个学科知识的一个良好范例，是一个很好的训练学生综合运用所学知识解决实际问题能力的实验。这个实验内容丰富，容量大，有一定的难度，但所涉及的知识技能并不复杂，通过努力绝大多数学生都可以获得另人满意的实验结果,。傅里叶变换,光谱实验是一个很有特色的实验，其实验结果的获得不是直接测量出来的，而是通过傅里叶变换，从空间域变换到频率域通过数学计算的方法得到的，这种方法在当今的信息处理技术中具有广泛的应用,。,实验目的,一、熟悉傅里叶变换在光谱测量中的原理应用；,二、复习迈克尔干涉仪的原理及使用；,三、理解本实验中发现问题、分析问题和解决,问题的科学思路，了解现代智能控制技术,的应用。,实验原理,多数,傅里叶变换光谱仪是基于迈克尔逊干涉仪结构的。我们知道，在迈克尔逊干涉一中，借助于连续的移动其中的一个反射镜（称之为动镜），干涉仪产生的两束相干光的光程差发生连续改变，干涉光强就会相应发生改变。若在改变光程差的同时，记录下光强接收器输出中的变化部分，就得到了干涉光强随光程差的变化曲线，称为干涉图函数。这样，在获得干涉图之后，只要算出干涉图的傅里叶余弦变换，即可得到光源的光谱分布，如此得到的光谱称为傅里叶变换光谱，这样的光谱计数称为傅里叶变换光谱技术。,根据,光波叠加原理，若有两束单色光，它们的波束都是,，传播方向和偏振方向相同，光强都是,I,，两光束之间光程差为，这两束光相互叠加产生干涉，得到的光强为：,若,光源发出的不是单色光，而是含有多种光谱成分的混合光，光强随波长的分布是,I(,),在光谱间隔,d,内光强是,I(,)d,。将此光源发出的光分成强度相同的两束，相互干涉后光强是,在,整个光谱范围内的干涉总光强为：,其中,c,为常数。上式右方第一项为常数项，与光程差无关；右方第二项则是光程差的函数，将第二项单独写出，以,I(,),表示，则,上,式表明，两束光干涉所得光强,I(,),是光束光谱分布,I(,),的傅里叶余弦变换。由于傅里叶余弦变换是可逆的，则有,因此,，只要我们测出相干光束光强随光程差变化的干涉图函数曲线,I(,),进行傅里叶变换计算，就可以得到相干光束的光谱分布。,在,实际测量中，光程差的测量范围不可能到无穷远，只能是光程差为零的附近有限的一段距离，理论分析表明，光程差测量范围大小决定了傅里叶变换光谱的光谱分辨率,。,傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率是由最大光程差决定的。理论上，要想提高傅里叶变换光谱的光谱分辨率，只要增加测量的光程差的距离,X,就可以了。但,X,是不能无限增大的，因为随着,X,的增加，对光程差的测量精度和计算机硬件的要求会成倍增加，测量时间也会成倍增加,。,如何,实现高精确度的等光程差，采用间隔的选取是傅里叶变换光谱的仪的核心技术，也是本实验的关键。显然，如此高精度的长度量是无法直接测量的，只能用间接测量的方法进行。最基本的思路是，用一个精密电机带动迈克尔逊干涉仪的细条手轮，让其动镜匀速移动，从而以恒定速度改变光程差。用光电接收器接收光强信号，得到干涉光强随时间变化的曲线,。,再用一只波长的单色光测出动镜移动的速度，就可以得到干涉光强随时间变化的曲线。再用已知波长的单色光测出动镜移动的速度，就可以得到干涉光强随光程差变化的,曲线,。,实验,证明，在实验室条件下要想达到满足实验要求的恒定移动速度是很困难的。由于电机的稳定性不好以及传动机构的精度不够等原因，动镜移动的速度会在一定范围内波动，从而大大降低傅里叶变换光谱仪的精度。在精密的傅里叶变换光谱中，需要实时测量动镜的移动速度，根据动镜的移动速度调整采用的实际间隔大小，使得采样的光程差间隔是相同的。为此，需要在主光路在旁边引入一条或几条平行的辅助定标光路。在主干涉仪之外引入一个以已知波长单色光作光源的辅助干涉仪，这个辅助干涉仪和主干涉仪公用一套静镜、动镜、分束板、补偿板。通过比较单色干涉图函数曲线的疏密分布，就可以推算出光程差改变的速度随时间变化的曲线。,实验装置,实验装置（如图,4-2-1,所示）由迈克尔逊干涉仪、钨丝灯、氦氖激光器、光电倍增管、光电二极管、力矩电机、测量控制单元和计算机等组成。,其,核心是一台经过改装的迈克尔逊干涉仪（虚线框内部分），干涉仪的动,镜,（,7,）可以在精密力矩电机（,8,）的驱动下匀速缓慢移动，被测光源（,1,）发出的光经过干涉仪形成干涉光，其干涉光强由光电倍增管（,10,）接收。用来给光程差定标的参考激光（,2,）由反射镜（,3,）从光路的一侧照射到分数镜（,4,）上。经同一组分束镜（,4,）、补偿镜（,5,）、反射镜（,6/,、,7,）形成分光、干涉，然后再经过反射镜（,3,）反射到光电二极管（,11,）。光电倍增管（,10,）和光电二极管（,11,）的输出信号，都经过测量控制单元（,12,）的双路精密模数转换器转换成数字信号，二者的采样式同步且等时间间隔的。测量数据经串行通信口送入计算机（,13,），由专门开发的傅里叶变换光谱数据处理软件进行控制处理。数据处理软件首先根据参考光的干涉光强随时间的变化对被测光干涉图进行修正，得到等光程差间隔采样的干涉图,I(,),，然后对,I(,),进行快速傅里叶变换，最终得到傅里叶变换光谱。,实验内容,实验,的基本过程为：首先利用激光调整迈克尔逊干涉仪，调出光的干涉条纹；然后利用钨丝灯调出白光的干涉条纹，目的是找出光程差为零的位置；去掉白光灯，放入被测光源，调整干涉条纹的方向和宽度；调整参考激光光路，尽量减少两光路之间的相互影响；调整电机转速，连接计算机，开始采集数据；进行数据处理和傅里叶变换，,输出光谱。,（,一）迈克尔逊干涉仪的,调整,迈克尔逊,干涉仪的调整思路是，首先利用激光调整干涉仪得到干涉条纹，并找到光程差减少的方向，然后利用白光条纹找到光程差为零的较准确的位置。,首先,在透镜,9,的前面放置一个白屏，用激光束直接照射迈克尔逊干涉仪的分束镜，在白屏上可看到两串亮光点，调,、,背面的三个调节螺丝使一串光点与另一串光点重合，这时可看到因干涉而产生的光点亮度的变化。激光器,2,和反射镜,3,之间接入扩束经，则可在白屏上看到干涉条纹。利用干涉仪的细条手轮和,下方,的两个细条螺旋，调出圆环形或弧形的等倾干涉条纹。旋动细条手轮，找到干涉条纹向环心收缩的方向，这个方向也就是光程差减少的方向，小心转动细条手轮，并注意观察白屏上光斑，当手轮选到一个位置时，在白屏上可看到彩色的白光干涉条纹。撤掉白屏，调整微调螺旋使干涉条纹与探测器的狭缝平行，且每个条纹,23mm,宽。然后细心地逆时针旋转细条,=,手轮，将白光条纹全部调出视野之外，再顺时针旋转细条手轮，让白光条纹能够刚刚在光斑的边缘出现。这一步操作时为了消除干涉仪和电机机械机构上的缺点回程查对于实验的影响。,（二）光谱测量,去掉,白光灯，放入被测光源；调整参考激光光路，尽量较少两光路之间的相互影响；连接计算机，打开数据采集软件，进行干涉图样曲线采集；采集完成后，进行数据处理和快速傅里叶变换，最后打印光谱图。,