基于DMD的光学衍射实验教学

研究各种形状衍射屏的衍射特性,有利于加强学生对光学衍射基本理论的理解.为此,开发了基于数字微镜阵列器件(Digital micromirror device, DMD)空间光调制器的新型光学衍射实验系统.采用DMD替代传统的加工衍射元件,用Paint, AutoCAD和Matlab等绘图软件生成单缝、多缝以及复杂形状的图形,并加载到DMD,以作为可擦写的数字化衍射屏.当准直激光均匀照射数字衍射屏并通过透镜,CMOS相机可在透镜后焦面实时观察各衍射屏的远场衍射图像,进而对夫琅禾费衍射特性进行观测和分析.该新型实验系统能够完成单缝、多缝衍射实验,并拓展至任意形状衍射屏的衍射实验.     

简单实用的光的衍射、干涉演示仪

1 制作原理 光的衍射、干涉演示仪是根据光的波动性制作而成的.激光通过单缝发生衍射,通过双缝后形成两束相干光波,在空间相遇叠加,在屏幕上产生明暗相间的干涉条纹.     

由多边形小孔的远场衍射解释灯光的星芒

用光的衍射理论证实了相机感光元件记录的图样为光圈的远场衍射图样,揭示了灯光星芒的成因.由数值计算可得:当多边形衍射孔的边数n为奇数时,星芒有2n条;n为偶数时,星芒有n条.若光圈的边为直线,则衍射图样为光刺;若光圈的边为圆弧,则衍射图样为光柱.实验观察了正三、四、五、六、八边形孔的远场衍射图样,并对比了正六边形孔衍射条纹到中心的距离、各级衍射条纹的相对亮度的实验和理论结果,两者符合说明了理论分析的正确性和数值算法的有效性.     

基于夫琅禾费衍射的星芒现象探究

对拍摄光源时产生的星芒现象做出了理论解释和实验探究。基于夫琅禾费衍射理论,推导了光线通过正多边形孔后的复振幅分布,并用MATLAB对光场做傅里叶变换,得到了不同频率的光通过不同形状,不同大小的小孔后的衍射图样。并且开展了对应的实验,给出了不同频率的光线通过不同形状和大小的光圈后产生星芒的条件和规律,验证了理论分析的正确性。     

六角孔的夫琅禾费衍射场的实验演示

采用一维光栅叠加和傅里叶变换对二维矩形光栅构成的矩孔衍射屏进行了分析计算,给出了衍射场光强分布的解析解和数值模拟结果.将内部具有3个不同取向的光栅的六角孔衍射屏看作是由3个不同方向一维光栅的叠加,对构造出的衍射屏进行快速傅里叶变换,得到该衍射屏的夫琅禾费衍射场分布.结果表明,单个六角孔的衍射场仅在衍射场中心处有一亮斑,衍射光强在3个受限方向有展开,演示观察效果不明显;内部具有光栅结构的六角孔的衍射场能明显地反映出六角孔的形状和衍射光强在3个受限方向的展开,演示效果明显.     

计算机模拟任意形状衍射屏的衍射

把菲涅耳衍射积分化为含快速傅里叶变换的积分,对任意形状衍射屏的衍射进行模拟,其特点是直接用含快速傅里叶变换的积分求解出不同传播距离观察屏上的光场分布,得出菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射的衍射花样.通过计算机对常见的缝孔的衍射的模拟,有助于理解衍射光在传播方向上近场衍射和远场衍射的不同和衍射花样的分布特征.     

狭缝宽度对双缝后光场分布的影响

双缝光叠加的内容是波动光学中的重要组成部分,其后场是单缝菲涅耳衍射与双缝干涉综合作用的结果,难以得到精确的解析表达。本文基于波动光学中的惠更斯-菲涅耳原理,通过Matlab数值计算获得了不同双缝之后的光场分布。结果表明狭缝的宽度对其后叠加光场分布的影响很大。对于不透光部分为5.0mm的等宽双缝,当缝宽与入射光波长数量级相同时,其后轴线附近的光场可近似为杨氏双缝干涉结果;当缝宽比入射光波长大1～2个数量级时,其后场可近似为单缝夫琅禾费衍射修正的杨氏双缝干涉结果;而当缝宽比入射光波长大3个数量级以上时,后场表现为明显的直线传播特性。只有在宽度适当的双缝之后才出现典型的光栅衍射图谱,而且两缝宽度之间的差异将使得反衬度γ降低,导致条纹模糊。     

“光的衍射”实验改进

1 原教材中的实验 原教材中的2521型学生实验仪的单缝是采用真空镀铬工艺镀铬在玻璃片上.镀铬的部分像镜子一样反光,不能透光;不镀铬的部分(即单缝所在位置)则透光.将此单缝与激光器、光屏依次安装在光具座上.调整三者的高度(使之在同一水平线上)和距离,使激光照射单缝,在光屏上投下的衍射条纹. 在实际教学过程中,教师除了要让学生观察到单缝衍射的图样外,还希望通过实验让学生观察产生明显衍射的条件及不同缝宽的衍射图样的不同,而原器材中只是配有两种不同缝宽的单缝,这是此仪器的不足之一;其次,我们知道光不仅遇到狭缝会出现衍射现象,在遇到障碍物时一样会出现衍射现象,而该仪器就无法做到这点,这是此仪器的不足之二.     

光学一题

在通常的三缝夫琅和费衍射装置里, a是每一缝的宽度,d是相邻两缝中心的间距,今作如下两种修饰后,试画出远方屏幕上的光强分布.(1)将透明的π相移薄膜片复盖中缝.(2)将π相移片复盖下缝.光学一题解答潘维济　南开大学 (1)每一个缓的各自衍射结果都是一样的　光强分布,我们可暂不考虑衍射,单计算三缝干涉,计算中不计常数,则在θ方向上的合振幅为相干光强为　.再考虑单缝衍射调制作用,中缝经π膜片修饰后的三缝夫琅和费衍射光强分布如解图(a)所示,图中还画出了时元振幅失量叠加成零的示意. (2)π膜片修饰下缝时,θ方向上的相干叠加合复振幅Aθ…     

夫琅禾费缝衍射的计算机模拟

在大学物理的教学中, 夫琅禾费衍射是波动光学的教学重点之一. 以夫琅禾费衍射的光学模型为基 础, 根据傅里叶光学理论给出夫琅禾费衍射光强分布的一般公式, 利用 MAT LA B软件对单缝、 双缝、 多缝以及十字 缝和＝ ‖字缝等缝衍射屏的夫琅禾费衍射进行模拟, 并对计算机模拟结果作出分析. 缝衍射实验的计算机模拟结果 显示快速且清晰, 衍射条纹分布符合衍射规律, 实现了对实际光波衍射的模拟     

夫琅禾费衍射的计算机仿真

提出了利用MATLAB软件并通过计算机仿真夫琅禾费衍射实验的两种方法：直接计算法和傅里叶变换法,前者适用于形状简单、能精确得到相应衍射强度公式的孔径的仿真;后者适用于获取复杂形状衍射屏的夫琅禾费衍射图样的仿真文中给出各种孔缝的衍射屏的仿真衍射实验结果事实表明,采用这种仿真方法可以得到任意形状衍射屏的夫琅禾费衍射图样和强度分布曲线。     

基于4F系统光学逻辑编码的实验

设计了用4F系统进行光学逻辑编码的方法.根据4F系统的工作原理,通过分析光栅衍射屏横向位移量与衍射光相位改变量之间的关系,约定两衍射级光强相加时为“1”,两衍射级光强相消时为“0”的光学逻辑编码规则.实验结果表明:输出信号线性好,符合编码要求.     

光发生明显衍射的实验探究与分析

用市售激光笔发出的红色激光和蓝色激光作为照射光,对不同尺寸的圆屏、圆孔及单缝的衍射现象进行分析,给出光发生明显衍射的条件,并由此指出过去和现行不同版本的高中物理教材对光发生明显衍射条件表述的不恰当之处.     

光通过单缝衍射实验的简易做法

光通过狭缝，随着缝的宽度变窄，光将偏离直线传播的规律，在光屏上形成明暗相间的条纹，这就是光的衍射现象．该实验通常做法是用现存的缝宽固定的单缝进行实验，虽然在屏上很容易观察到衍射条纹，但单缝宽度却不好或者不易连续改变．采用下面的简易方法进行实验，就能随意改变缝的宽度，从而清楚地观察到随着缝宽的变化屏上形成的光斑及衍射条纹的动态变化情况，在此基础上进行分析就很容易得出产生明显衍射现象的条件及单缝衍射图样的情况．     

基于胶片输出仪的干涉衍射屏制作研究

探讨了用胶片输出仪制作干涉衍射屏的方法和实验过程,结果表明制作的干涉衍射屏能有效地用于光的干涉衍射现象的演示。     

近场拉盖尔-高斯光束传输参数的双缝干涉测量实验

拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian,LG)光束具有轨道角动量,分析近场条件下LG光束通过含光阑光学系统传输的解析公式,对不同阶LG光束通过双缝时双缝间的相位差变化进行了计算。利用计算机生成叉形衍射光栅显示在空间光调制器上,基模高斯光束产生衍射,得到不同阶次LG涡旋光束,通过CCD采集LG空心光束的光斑及双缝干涉后的图样,实现对LG光束传输轨道角动量特性的实验测量。在确定光束束径下,分析了叉形衍射光栅密度、空心光束宽度半径比、双缝宽度等参数对双缝干涉条纹的影响,在距离激光器1m处的SLM上显示4mm×5mm叉形衍射光栅,光栅密度约为16lines/mm,可产生暗斑尺寸在0.5mm~0.9mm之间、宽度半径比为0.2的LG空心光束。LG光束通过双缝宽度0.2mm,双缝间距0.5mm的光栅,可以得到清晰的干涉条纹。研究结果为近场光通信中利用光学涡旋轨道角动量编码信息提供了理论依据。     

菲涅耳-基尔霍夫积分与半波带法分析衍射光谱

惠更斯菲 涅耳原理指出光的衍射本质是无穷多次波的相干叠加.在研究衍射光谱的强度时可使用菲涅耳-基尔霍夫衍射积分进行计算,但该积分的计算较为复杂.为了简化计算而引入菲涅耳半波带的概念,把积分运算简化为振幅矢量的叠加,从而在研究衍射时由菲涅耳-基尔霍夫衍射积分过渡到菲涅耳半波带法.在菲涅耳半波带法中波前上相邻两个半波带到达叠加点的光程差为半个波长,从而导致相位差π.因此相邻两个半波带引起的振动在叠加点发生相消,最终叠加点的光强由发出次波的半波带数目的奇偶性决定.奇数个半波带在叠加点的光强得到加强,偶数个半波带在叠加点的光强发生相消.     

太赫兹波衍射特性的研究

利用不同宽度的衍射屏对太赫兹波的衍射特性做了分析与探究.根据太赫兹波衍射特性,将衍射屏的宽度变化划分为三个阶段.由太赫兹时域波形的时间延迟和峰值振幅参数可直观地反映出每一阶段中太赫兹波直边衍射后光程变化和光强分布规律.本实验既可作为课堂内关于光的衍射知识的延伸,又可作为衍射理论与实际相结合的例子在物理教学中应用.     

微小型傅里叶变换光谱仪光场分析与衍射抑制

为了进一步实现傅里叶变换红外光谱仪的微小型化,在基于多级微反射镜的傅里叶变换红外光谱仪结构中引入空间光调制器与点探测器。利用多级微反射镜对入射光场进行相位调制,同时利用空间光调制器对各干涉级次进行分布式测量。将两个多级微反射镜作为两个相位衍射屏并将空间光调制器作为振幅衍射屏,分析光波与每一个衍射屏的作用,发现干涉光场受到空间光调制器和多级微反射镜边缘衍射光场的调制。多级微反射镜边缘对入射光的截止产生了衍射效应,为了抑制该衍射效应对系统的影响,提出了一种扩展多级微反射镜阶梯级数的方法。该方法通过扩大干涉区域,避免了边缘衍射效应对内部有效干涉级次的影响。计算表明,该方法可以消除干涉图序列的失真,有效实现信号光谱复原。     

旋转双光楔折射特性与二维扫描轨迹的分析

 为实现旋转双光楔二维扫描的可控操作,利用几何光学和光的标量衍射理论,对双光楔的折光特性进行了数学分析。研究发现：绕固定轴以不同角速度旋转的双光楔可等效为一个折射棱角和主截面都变化的单光楔。以该双光楔系统作为衍射屏,对通过双光楔的光束在观察面的衍射光场分布作了理论分析,得到了夫琅和费衍射下,光束经转动双光楔在像平面上的衍射光斑随转角变化的规律：光斑的横坐标与两光楔转角正弦值的差成正比,纵坐标与两光楔转角余弦值的和成正比。