5-6 空间单点光学相干层析技术 实验报告

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1、空间单点光学相干层析技术6近代物理实验报告指导教师：得分：实验时间：2010年04月07日，第六周，周三，第5-8节实验者：班级材料0705学号200767025姓名童凌炜同组者：班级材料0705学号200767007姓名车宏龙实验地点：综合楼502实验条件：室内温度℃，相对湿度%，室内气压实验题目：空间单点光学相干层析技术实验仪器：（注明规格和型号）步进电机（1.25μm步-1）；计算机，高速数据采集卡；光功率计；示波器；光纤耦合器及光路校准器；光纤熔接机；光源及探测器；光学平台、光学支架、烧杯、正十四烷

2、。实验目的：1.熟悉光波在折射率不连续断面的反射性质，以及多色光场迈克尔孙干涉的特点；2.了解基于光学低相干性测量水面油膜的厚度，并确定油/水界面实际物理位置的方向。实验原理简述：实验装置图如下：其原理是，由宽带光源发生的光经单模光纤耦合器重，经该耦合器光波被分成光纤1和光纤2两束光，且分光光强比是50：50。空间单点光学相干层析技术6光纤1的光经聚焦透射镜变为平行光，该平行光入射到可移动的反射镜M上，反射光再次被聚焦，按50：50的比列分别入射到3号和4号光纤中，4号光纤中的光由PD探测器变为电信号。光纤

3、2的光经过聚焦透射后，入射到待测液体上。该折射率变化的液体是由纯水表面上铺展豆油而形成的，射光由豆油表面反射光S和油水界面处折射率突变反射回来的光I组成。他们以50：50分别射入3号、4号单模光纤中，4号光转为电信号。当1号光纤经反射镜M的反射光强I1和2号光纤经液体表面的反射光S及界面反射回来的光I的光强I2，正好满足迈克尔孙干涉仪的等光程相干条件时，两束光形成干涉。根据波长为λ的单色光源，在迈克尔干涉仪中所得的干涉光强输出为ID（λ）式中，是PD探测到的电场强度的振幅；k1、k2为实验数（1、2光纤臂的

4、损耗系数）；τ为1号光路和2号光路的光程差所决定的两路光的相位延迟。实验中通常可以近似地认为两臂的损耗接近，即。经过一系列推导，我们可以得到式中，τ=2x/c；x为迈克尔孙干涉仪两臂光程差；c是光速；其输出条纹为一系列的正弦振荡曲线，该曲线受到的一个缓变的包络调制。通过步进电机读取空气/油界面反射（S）和油/水界面反射（I）分别与参考镜面反射形成干涉包络的位置，再根据已知油的折射率就可以确定油/水界面的实际物理位置。实验步骤简述：1.实验内容根据油面反射和油/水界面反射分别与镜面反射形成的干涉包络，计算油/

5、水界面的实际物理位置。2.实验步骤2.1在烧杯中加入一定量的纯水，然后调节迈克尔孙干涉仪的1号臂和2号臂，用步进电机测出纯水表面的位置。2.2用注射器在水面加入2~3滴豆油，等5min2.3根据油面反射和油/水界面反射分别与镜面反射形成的干涉包络的距离，计算油/水界面的实际物理位置。3.实验建议：3.1注射器在水面加入豆油的量为2~3滴，且加于水面中心。3.2测纯水表面位置和加入豆油的位置使用同一次步进电机的调零，以便注意对比加油前、后水面位置的变化。空间单点光学相干层析技术6原始数据、数据处理及误差计算：

6、测量原始水面及油面高度的实验共反复进行了三次,以下为实验数据:N0、N1、N2分别表示原始水面、油面和滴油后水面的测距步数N06133N160366034602059926023N260416101607861036074N160266036603860376043N260766088609460946098N06693N166146587660566196604N267496729665366656649N166056612661266226614N266506658665766666657N04413N

7、143054293428643014292N244194376435343604345N14297429442974293N24355435143544353以上灰色的格子表示这些数据代表着此时油膜已经铺展完毕，液面是稳定的。对每一组数据进行处理，以分别测得的原始水面测距步数为参考点（因为实验中未提供光线探头距离桌面的距离，以及水面距离桌面的实际距离等参考数据），计算各次测量的步数差，如下表所示：n123N0613366934413N1avg6039.33366154294.667N2avg6095.333

8、6659.54352.667N1-N0-93.6667-78-118.333N2-N0-37.6667-33.5-60.3333负值只是表现了计算中的大小关系，对最终计算没有影响，取绝对值即可。根据关系d=N*L/n，且L=1.25μm/step，n=1.47；将上表中的步数值转换为实际的长度：空气/油界面与原始水面的高度差（μm）79.6485366.32653100.6236油/水界面与原始水面的高度差（μm