阿贝成像原理和空间滤波实验

"阿贝成像原理和空间滤波"是北京大学"普通物理实验"课程的传统实验,其目的是引导学生通过实验学习光学傅里叶变换以及空间频率、空间频谱和空间滤波等相关概念,探究光学成像和光学信息处理的基本原理、实验技术与方法.此实验涉及丰富的实验现象和物理与数学的综合知识,教学上颇具挑战性.本文利用显微成像的波动光学理论阐述阿贝成像原理,并配置相应的实验内容、技术方法和可以扩展的实际应用,希望从深度和广度上综合把握该实验的教学,以便引导学生的自主性实验探究.     

杨氏双缝干涉实验与飞机安全着陆系统

杨氏双缝干涉实验是第一个证实光的波动性的著名实验,利用它可测量光的波长,在波动光学的发展中起着重要的作用.在通信领域中,杨氏双缝干涉实验原理构成了飞机安全着陆导航系统的理论基础之一,尤其是能见度不高的天气情况下,尽管实际的安全着陆系统比本文描述的复杂得多,但它们基于相同的原理.本文通过对美国大学物理教材中一道波动光学习题的赏析,简述杨氏双缝干涉实验原理在飞机安全着陆系统中的应用.     

平面镜演示实验仪器的研制和成像分析

阐述了平面镜演示实验仪器的设计与制作、使用方法及观察到的实验现象,并从光学成像的角度分析和探讨了相应的物理原理.     

Matlab可视化在大学物理实验中的应用

利用Matlab的图形处理和科学计算能力,设计了物理实验数据处理程序,并对一些光学现象进行了仿真。结果表明,数据处理程序使用简单。光学仿真实验非常生动,能够完成实际光学实验难以实现的操作。     

便携式双波长同步对比波动光学课堂演示的实现

本文设计自制了便携式波动光学演示仪.该演示仪采用红、绿双色半导体激光器作为光源,配备多种规格的干涉、衍射和偏振组件,可以演示杨氏双缝干涉、多缝干涉、单缝衍射、小孔衍射、一维和二维光栅衍射、偏振等波动光学的主要内容.仪器体积小巧,激光功率大,采用电池供电,这些优点使之便于携带,无需暗室而可在普通教室演示,双色平行光源可以同步对比不同波长的干涉、衍射效果,实现了波动光学理论内容与实验现象的同步课堂演示.     

He-Ne激光器模式分析

He-Ne激光器模式分析是了解激光器光学谐振腔作用的重要实验,本文结合北京师范大学物理系课程中的教学实践,梳理了该实验主要物理图像和实验方法.实验过程中也会出现一些重要但常常被忽略的实验现象,教学中引导学生观察分析这些现象,可帮助他们更好地理解相关物理图像.本文详细介绍了这些现象,结合激光产生的原理对其进行分析讨论,并给出了相应的教学建议.     

基于MATLAB GUI的波动光学仿真平台

利用MATLAB GUI构建了一个波动光学仿真平台,实现了不同条件下波动光学实验的仿真,并设计了人机友好的图形用户界面,最后由mcc编译生成可脱离MATLAB环境运行的可执行文件。该平台具有可移植性、可拓展性强、且具有交互性的优点,能实现传真基本波动光学实验现象的条纹及光强分布等功能,并且能灵活设置实验参数以及实验结果的对比分析。     

光学式低浓度甲烷气体传感器的研究

针对0.5%VOL以下的低浓度甲烷气体,设计了一种基于近红外可调谐半导体激光吸收光谱的光学式甲烷气体传感器.调谐激光器扫描甲烷气体位于1 653.72 nm处的吸收谱线,采用一次谐波"峰-平比"对气体浓度进行测量.该方案能够有效地消除激光器光强波动和其它同类光功率波动所带来的影响,通过标定后的测试实验表明传感器测量准确...     

量子力学本科教学演示仪之量子真空场测量

“真空不空”是量子力学区别于经典物理的一个重要内容.这主要是因为真空场的能量小到无法直接测量,通常需要基于平衡零拍探测的量子实验装置进行测量.然而现阶段的大学物理实验教学中缺乏该实验装置,导致学生无法直观理解这一量子力学的基本概念.针对这一问题,本文设计并搭建了基于平衡零拍探测的真空场测量仪,通过光学放大的过程实现真空场起伏的测量.该实验教学仪原理简单,现象直观,操作容易且便于维护,弥补了大学物理中量子力学实验的空白,实现前沿物理在大学物理教学中的拓展.     

液体表面波及其谐波的光衍射效应

为了探究液体表面波的波动规律,提出了一种基于激光衍射的探测方法.未扩束的激光束直接斜入射到波动液面,液面波动的强度由电磁式激发器控制、频率由信号发生器控制,用CCD采集光衍射图样并传送到计算机中实时处理.根据波动光学理论,给出了衍射光场和液体表面波之间的解析关系,发现实验现象和理论分析吻合.实验结果表明:该方法具有实时、准确、无损的特点.     

基于波动与扩散物理系统的机器学习

物理学在机器学习中的应用以及两者的交叉融合正引起广泛关注,尤其是在波动系统和扩散系统中.本文重点关注波动与扩散物理系统和机器学习之间的内在联系以及对机器学习算法和物理实现的推进作用,综述了波动系统和扩散系统中的机器学习研究,介绍了部分最新研究成果.文中首先讨论了监督学习的波动系统实现,包括神经网络的波动光学实现、量子搜索的波动实现、基于波动系统的递归神经网络以及神经形态的非线性波动计算.接着,文中继续讨论了受扩散系统启发的机器学习算法,如基于扩散动力学的分类算法,基于热扩散的数据挖掘和信息过滤,以及基于群体扩散的搜索优化等.波动系统以其天然的并行性、高效、低能耗等优势,通过丰富的波动力学和波动物理现象进行计算或算法模拟,正成为机器学习的新型物理载体.扩散系统中的物理机制可以启发构建高效的机器学习算法,用于复杂系统和物理学研究中的分类、优化等问题.期望通过对波动、扩散物理系统与机器学习内在联系的讨论,能够为开发物理启发的新算法和硬件实现甚至软硬一体化带来抛砖引玉的启示.     

基于STEM的水质光学综合测量虚拟仿真实验

基于STEM理念,根据光学方法对水质折射率、浊度、表面张力、含氧量的物理测量原理,研发了水质光学综合测量虚拟仿真实验软件,运用Unity编程创立虚拟仿真场景,C#语言模拟实验操作与数据分析,LabVIEW展示实验采集.该软件可以自主选择光学元件搭建实验装置,动态展示实验现象,并快速采集、拟合、分析实验数据,最终完成对水...     

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.     

热超构材料的研究进展

由于光波、声波、地震波和水波都遵循波动方程,所以,2006年光学隐身衣(optical cloak)原理在Science杂志上发表后,光学隐身衣的设想很快就从最初的光波推广到了声波、地震波和水波,至今方兴未艾.由于热传导满足的是扩散方程,并且波动方程与扩散方程在物理机制上迥异,这就使得把光学隐身衣推广到热学隐身衣的尝试不得不面临来自原理上的挑战,可能也正因为如此,国际上对热超构材料的研究非常缓慢:早在2008年,就有学者在光学隐身衣的启发下,通过有限元模拟,揭示了热学隐身衣和热流反转等反常热功能或热现象,从而提出热超构材料(thermal metamaterial)的概念,但是,直到2012年,这个概念才被实验验证.由于其中蕴含着巨大的潜在应用价值,该实验工作发表后,热超构材料开始得到国际同行的广泛关注.文章的主要目的就是向读者介绍这一类新型功能材料——热超构材料的物理原理、发展历程及其理论和实验研究进展.     

综合研究性实验试题:类切伦科夫辐射综合实验

类比粒子物理中的切伦科夫辐射效应,设计了光学的类切伦科夫辐射综合实验.实验样品为特制的拉细裸单模光纤,拉细光纤放置于高折射率的PDMS溶液中,可观察到激光从光纤泄漏到溶液中的类似于切伦科夫辐射的光锥现象.实验要求学生结合背景介绍推导相关公式,并且搭建实验装置观察光学切伦科夫辐射,通过测量辐射角推算不同体积配比溶液的折射率和探测灵敏度.试题包含了基本理论推导、实验装置搭建、数据测量和处理分析,可以全面考察大学生的综合物理水平.     

基于彩虹光学原理测量介质材料折射率的新方法

基于彩虹的光学原理,获得测量介质材料折射率的一种新方法,且在此基础上设计了一套适应该方法的实验测量装置.通过该装置,可以在实验室中简便地模拟彩虹中的光学现象,深刻地理解彩虹现象的光学本质,同时能够测量介质材料的折射率.     

白光光学信息处理及其彩色摄影术

本文阐述了白光光学信息处理的物理基础,给出了近十年来应用所研制的仪器和设备在实际应用中取得的结果。提出了一种新型数码相机的方案和彩色档案存储的新技术并为大学高等物理提供了一个现代光学和数字图像的实验素材。     

振动与被动式隔振物理教学实验研究

振动噪声是影响精密测量精度的主要因素之一。了解隔振的相应原理,从而设计高效的隔振系统,能够有效提高测量的精准度。该文基于被动隔振相关原理,设计了简易的被动隔振系统,测量了系统的传递函数。并基于所设计的隔振系统,分别使用加速度计和激光干涉仪测量了隔振后的振动加速度情况,评估了两种测量方式的灵敏度差异及系统的隔振效果。作为本科生创新性物理实验教学内容,有助于培养学生实践动手能力,同时加深对实验中涉及的力学、运动学、振动与波动、波动光学等相关大学物理课程知识点的理解。     

分光计设计性实验研究

基于分光计的实验是大学物理光学中比较重要的实验,依据光的折射原理,对分光计测量液体折射率的实验原理和方法进行研究,提出了新的实验方案,在实际应用中具有参考价值.实验内容和测量结果符合设计性实验要求,有助于启发学生的创新意识.     

矩阵光学与单双光栅成象研究

本文首次用矩阵光学理论结合光栅衍射相干条件,推出双光栅成象的几何光学表示式,用象位移叠加的观点解释了双光栅成象系统Talbot自成象以及双光栅成象现象,首次将双光栅成象现象分为1)基于光栅和透镜组成系统对第一块光栅进行成象的双光栅成象和2)基于编码光源成象原理的双光栅成象,指出这是两种截然不同的双光栅成象,扩展了双光栅成象的物理意义。最后给出了实验结果。