近代物理实验傅里叶变换.pptx

傅里叶变换光谱;目录;背景知识;实验目的;实验原理; 根据光波叠加原理，若有两束单色光，它们的波束都是σ，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Δ，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(σ),在光谱间隔dσ内光强是I(σ)dσ。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Δ无关；右方第二项则是光程差Δ的函数，将第二项单独写出，以I(σ)表示，则 上式表明，两束光干涉所得光强I(Δ)是光束光谱分布I(σ)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(Δ)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; 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(Δ)，然后对I(Δ)进行快速傅里叶变换，最终得到傅里叶变换光谱。 ;实验内容; 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2~3mm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???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