电子散斑干涉术测空气折射率.doc

电子散斑干涉术测空气折射率
一、实验目的：
1.了解电子散斑干涉原理、掌握干涉光路及图像处理软件。
2.通过观察“散斑对”产生的杨氏干涉条纹，加深对双孔杨氏干涉理论的理解，了解散斑干涉计量的基本原理。
二、实验原理：
全息散斑干涉过程中信息的载体是作为电磁波的光,测量的对象是光学粗糙表面及其有关物理量,如 面形、应变、流场等。当用激光束投射到一光学粗糙表面（即表面平均起伏大于光波波长量级）上时，即呈现出用普通光见不到的斑点状的图样。其中的每一个斑点称为散斑(speckle),整个图样称为散斑图样，这种散斑现象是使用高相干光时所固有的。
散斑的物理起因可以简单地说明为：当激光照射到物体表面时，其上的每一个点（面元）都可视为子波源，产生散射光。由于激光的高相干性，则由每一个物点散射的光将和每一个其他物点散射的光发生干涉。又因为物体表面各面元是随机分布的（这种随机性由表面粗糙度引起），则由它们散射的各子波的振幅和位相都不相同，而且也是无规则分布的。所以由各面元散射的子波相干叠加的结果，形成的反射光场具有随机的空间光强分布。当把探测器或眼睛置于光场中时，将记录或观察到哦一种杂乱无章的干涉图样，呈现颗粒状结构，此即“散斑”。
散斑干涉术的记录和再现在本质上与全息干涉计量相同，它以干涉方法实现光学粗糙表面的检测，它在形式上更加灵活，不仅可以用光学方法实现，还可以用电子学方法实现，在电子散斑干涉计量（ESPI）中,原始的散斑干涉场由光电器件转换成电信号记录下来。用模拟电子技术方法实现信息的提取，形成的散斑干涉场可直接显示在监视器上，也可以存入电子计算机。与光学滤波方法相比，ESPI操作简单、实用性强、自动化程度高，可进行动态和静态测试，具有许多优点。下面的实验是用电子学方法实现的。
BS

显示器
电子
计算机
Reflection
mirror

He-Ne Laser
Imaging lens
Beamsplitter prism

Reflection
mirror
CCD camera

beamsplitter

airfiow

Collimating lens Ground glass

Fig.2 Light path of ESPI method

上图是常用的均匀参考光光路图，BS为分光镜，分得的一束光经一系列的反射作为参考光，另一束光经反射、扩束、准直后，再经过毛玻璃片，作为物光，参考光与物光成像到CCD摄像机摄像管接收面上,再经过电子计算机的软件运算处理后,就可以将成像显示在显示器上。

三、实验步骤：
1. 摆好光路；
2. 测量参考光光程与物光光程，如果这两个光程不等，可以适当移动实验物体或相关的光学元件位置，使这两个光程大致相等；
3. 屏蔽住参考光，调节镜头焦距和光圈，使物体能够清晰成像。
4. 比较参考光与物光光强，通常情况下，参考光光强较强，需要调节光衰减器（变密度盘），使参考光与物光光强大致相等。
5. 轻微调整物光的角度，然后通过软件实时观测条纹的产生情况，使其能够清晰成像。
6. 在光路中加入玻璃空气腔，调整使其能够清晰成像，并向腔内充气，记录气压值，然后缓慢放气，记录条纹移动的数目。
7. 根据实验所得数据求得空气折射率。根据以下的公式计算：

其中：D，气室的长度 ：大气压下的空气折射率；N，条纹移动数目； 光波长；P，气室的压强；
，标准大气压。
四、实验结果及数据处理：
1、实验截图：

图1
图1是未加气室前的条纹图。在采集该图时，将ESPI软件置于相减状态，并采集图像，调整物光角度成像，注意应该尽量使其成像于显示器的中间，并使得条纹尽可能平行或垂直于屏幕，这样有助于观察。

图2
图2 是加上气室后的条纹图。采集方法与图1类似。该图采集时由于未调整好物光的入射角度，所以使得成像的条纹没有平行于屏幕。但是一般情况下应该使得条纹平行于屏幕。其次，还应该注意的是条纹的密度不能过大，如果太大，在气室加压放气时条纹变化太快，就不能数清楚条纹变化数目。还应该注意在气室放气时，气阀应缓慢打开，以免条纹变化太快而不能数清条纹。
2、 实验数据：
D/cm
n0
N
λ/nm
P0/kpa
P/kpa

8.2

1.000276
13

632.8

101
140.5
12
138
11
135.5

3、 计算：
将数据代入公式可得:
N
n1
13
1.000257
12
1.000257
11
1.000257

求其平均值得空气的折射率为：
n1=1.000257

五、 实验总结:
1、 从实验结果来看，该实验测得的空气折射率为1.000257，与标准空气折射率1.000276相比，仅相 差0.000019，又由于在测量中，气室长度测量存在误差，且有气室玻璃屏的影响，所以本次实验测 量应该说已经达到了很好的效果。
2、 测量时，一般应使所得条纹平行于显示器屏幕，有助于观察和记录。
3、 所得条纹间距应合适，在气室加压放气时应缓慢。