现代光学实验(II)实验报告

机械工程学院现代光学实验（II）实验报告

_2014_年_ 12_月25 日

题目：现代光学实验（II）

学号：

姓名：

班级：

实验一激光拉曼／荧光光谱实验

【实验目的】

1.了解拉曼光谱的基本原理，理解它的光谱和能级跃迁特性。

2.了解拉曼光谱仪的结构和特点。

3.测量四氯化碳的拉曼光谱，计算其中各谱线的位移值，并估计相应的振动能级的结构。

4.测量其他溶液的的拉曼光谱，并分析其特殊。

【仪器用具】

LRS –III激光拉曼/荧光光谱仪

【实验原理】

一、拉曼光谱原理简介

印度物理学家拉曼（Raman）在1928年研究苯的光散射时发现，在散射光中除了有与入射光频率相同的谱线外，还有与入射光频率发生位移（频率增加或减少）、而且强度极弱的谱线。前者为已知的瑞利（Rayleigh）散射光，后者被命名为拉曼散射光。拉曼光谱与分子的转动和振动状态有关，因此能反映分子内部结构的变化，所以研究分子的拉曼光谱能得到有关分子内部结构的信息，因而它在许多科学领域内都得到了广泛的应用。

1. 拉曼光谱的经典理论

根据电磁辐射的经典理论，单色入射光辐射到物质上时，能使其中的分子产生振荡形成感生电偶极矩P。当入射光光强不是很大时，在一级近似下，此感生偶极矩P与分子极化率α以及入射光的电场强度E之间的近似关系为：

P= αE (1) 一般情况下，分子极化率是原子座标的函数，而且是各向异性的，因此它可由一个张

量（αij）(i,j=x,y,z)来描述，由此式(1)的各分量表示为：

或者以矩阵形式表示为：

由于分子中的原子总是在作热振动，即它们的原子核总是围绕其平衡位置在作振动，因而分子的极化率也在随之发生着变化。按照一般的方法，将极化率的各分量在平衡位置附近按简正座标展开成泰勒级数形式并只保持到一次项：

其中，(αij)0是分子在平衡位置时的αij 值，通常为常数，Qk，Ql …是分子振动的简正座标。

为简单期间，若只考虑一个（第k个）简正振动，则上式简化为：

式中α′k 也为常数。

设分子的简正振动为简谐振动，即

(6) 入射光电场强度为：

(7) 将式(5)、(6)、(7)代入(1)式（只有一个分量的情况）得

式中，第一项表示感生偶极矩以不变的频率ν0辐射，对应于瑞利散射，第二项和第三项分别表示感生偶极矩以频率ν0－νk和ν0＋νk辐射，分别对应于拉曼散射中，称为斯托克斯（Stokes）线和反斯托克斯线的两条特征谱线。

2. 拉曼光谱的量子理论

按照量子理论，频率为ν0的光子入射到分子上时，可能会发生弹性和非弹性两种散射。在弹性散射过程中，光子与分子间没有能量交换，光子仅仅改变其运动方向，而不改变其频率。这种散射对于应瑞利散射。在非弹性散射过程中，光子与分子存在着能量交换，光子不仅改变了运动方向，同时还可能把一部分能量传递给分子或从分子中得到一定的能量。在这两种过程中，光子的频率都发生了改变。光子失去能量的过程对应于频率减小，称之为斯托克斯拉曼散射；而光子得到能量的过程对应于频率的增加，称之为反斯托克斯拉曼散射。在图1中，其中的虚能级实际上是不存在的。hν为分子的相邻两个振动能级的间隔。可以看出，斯托克斯线和反斯托克斯线与瑞利线之间的能量差分别为h(ν0-ν)-hν0=－hν和h(ν0＋ν)-hν0=hν，其数值相等，符号相反。这说明拉曼谱线对称地分布在瑞利线的两侧。

一般情况下，分子的振动能级远大于分子的热运动能，所以按照玻尔兹曼分布，处于振动激发态E1能级的分子数，要远远少于处于基态E0能级上的分子数。因此，斯托克斯线的强度要大于反斯托克斯线的强度。

拉曼光谱的强度取决于跃迁矩阵元：

（9）式中，ψm和ψn分别为上下两能级的波函数。同时，由公式(4)或(5)可知，要产生拉曼光谱，

还必须有：

（10）满足公式(10)的条件，则称该分子具有拉曼活性的。拉曼光谱的具体性质和现象请参考相关的专业书籍。

二、实验仪器和装置

本实验使用的仪器为：LRS-III型激光拉曼/荧光光谱仪（天津港东科技发展有限公司）。仪器的总体结构如下图所示：

在该装置中，激发光源采用波长为532nm（波数为18797.0cm-1）的偏振半导体激光器，输出功率不小于40mW。偏振方向可以通过一1/2波片调节。单色仪采用1200L/mm、闪耀波长为500nm的光栅，相对孔径比为D/f=1/5.5。光接收器为光电倍增管（日产R6249）。为提高信噪比，光强接收采用单光子计数器。整个装置的主要技术指标有：波长范围：200～800nm（单色仪）；波长准确度：不大于0.4nm；波长重复性：不大于0.2nm；杂散光：不大于10-3；线色散倒数：2.7nm/mm；谱线半宽度：不大于0.2nm（波长在586nm处）。

【实验内容】

1. 测量四氯化碳的拉曼光谱，计算其中各谱线的位移值，并估计相应的振动能级的结构。

2. 观察苯和甲苯的拉曼光谱。观察可知其光谱中心波长大概为530nm。

【实验注意事项】

1. 开机后整个装置预热10分钟。

2. 测量应在暗室内内进行。

3. 禁止用眼睛直接观察激光。

4. 调节好光路以及偏振方向

5. 启动测量软件后，先要测定光子计数器的本底大小，并设置域值电平，一般为21～

22。

实验四傅里叶变换光谱实验

【实验目的】

1、掌握傅里叶变换原理；

2、掌握XGF-1型傅里叶变换实验系统的操作。

3、掌握傅里叶变换方法测定光源的辐射光谱；

4、了解傅里叶变换光学在实际工程中的应用。

【仪器用具】

XGF-1型傅里叶变换光谱实验系统、四维调节架、扩束镜(f = 4.5)、钠灯、汞灯、计算机。

【原理】

1、基本原理：

傅里叶变换过程实际上就是调制与解调的过程，通过调制我们将待测光的高频率调制成我们可以掌控、接收的频率。然后将接收到的信号送到解调器中进行分解，得出待测光中的频率成分及各频率对应的强度值。这样我们就得到了待测光的光谱图。下面介绍两个方程：调制方程：

解调方程：

调制过程：这一步由迈克耳孙干涉仪实现，设一单色光进入干涉仪后，它将被分成两束

后进行干涉，干涉后的光强值为，（其中x为光程差，它随动镜的移动而变化，σ为单色光的波数值）。如果待测光为连续光谱，那么干涉后的光强为

解调过程：我们把从接收器上采集到的数据送入计算机中进行数据处理，这一步就是解调过程。使用的方程就是解调方程，这个方程也是傅里叶变换光谱学中干涉图—光谱图关系的基本方程。对于给定的波数σ，如果已知干涉图与光程差的关系式I（x），就可以用解调方程计算的这波数处的光谱强度I(σ) 。为了获得整个工作波数范围的光谱图，只需对所希望的波段内的每一个波数反复按解调方程进行傅里叶变换运算就行了。

2 、仪器结构：

傅里叶变换光谱实验装置光路图

1-外置光源2-内置光源（溴钨灯）3-可变光栏4-准直镜5-平面反射镜6-精密平移台7-电机8-动镜9-干涉板10-补偿板11-定镜12-平面反射镜13-接收器1 14-参考光源（He-Ne激光器）15-分束器16平面反射镜17-接收器2 18-光源转换镜（物镜）

内置光源选用溴钨灯（12V 30W），待测光过准直镜后变成平行光进入干涉仪，从干涉仪中出射后成为两束相干光，并有一定的相位差。干涉光经平面镜12转向后进入接收器1。当干涉仪的动镜部分做连续移动改变光程差时，干涉图的连续变化将被接收器接收，并被记录系统以一定的数据间隔记录下来。另外在零光程附近，可以通过观察窗在接收器1的端面上看到白光干涉的彩色斑纹。

系统内置的参考光源为He-Ne激光器，利用He-Ne激光器突出的单色性对其它光源的

干涉图进行位移校正，有效的修正了扫描过程中由于电机速度变化造成的位移误差。

【实验内容】

1. 钠灯辐射光谱的测定

(1). 连接傅里叶变换光谱实验系统及其与计算机接口；

(2). 打开实验装置和待测光源的电源，预热15分钟；

(3). 运行实验装置的应用软件；

(4). 进行采集前的参数设置工作；

(5). 执行采集命令，并将采集到的干涉图数据在工作区中绘制成干涉图；

(6). 将采集到的干涉图进行傅立叶变换，得到干涉图变换后的光谱图

2. 汞灯辐射光谱的测定

实验步骤同上。

【实验结果】

待测光源激光器信号采集结果

得到干涉图变换后的光谱图

【思考题】

1.实验中使用的扩展光源需注意哪些要求？为什么？

答：方向性、单色性好，单色性好才能形成干涉

实验五 电子散斑干涉实验

【实验目的】

1、了解电子散斑干涉原理；

2、掌握干涉光路及图像处理软件；

3、学会使用XGS-I 型电子散斑干涉(ESPI)实验系统来测量三维面内和离面位移和振动；

4、运用该系统进行无损检测。

【仪器用具】

激光器、平面镜、扩束镜、分光镜、成像透镜、CCD 摄像机、图象采集卡、计算机。

【原理】

1、基本原理

电子散斑干涉实验原理见下图

电子散斑干涉技术是利用被测物体的粗糙表面所造成的漫反射光与参考光之间的干涉进行测量，当激光照射在被测物体表面时，其漫反射在探测器件CCD 表面的光场分布为：

)](ex p[)(r U 000r r u Φ=）

（ 其中，）（r u 0是光的振幅，）

（r 0Φ是被测物体反射后的光波相位。 电子散斑干涉技术与全息技术类似需要一束参考光。参考光的探测器表面的光场分布可

以表示为：

)](ex p[)(u U R r r R R Φ=

这两束物光与参考光在CCD 表面上形成光强I(r)为：

]cos[2r I 002

20R R R u u u u Φ-Φ++=）（

当被测物体发生形变后，表面各点的散斑场振幅）（r u 0基本不变，而相位0Φ将改变为)(r 0r ?Φ-Φ）

（即)]()(exp[)()(U 00/

0r r r u r ?Φ-Φ= 而变形前后的参考光波维持不变。这样一来，变形后的合成光强I (r)为：

)](cos[2r I 00220/r u u u u R R R ?Φ-Φ-Φ++=）（

对于全息干涉，它是把两个不同时刻的光强记录在同一干版，即产生叠加效应，而电子散斑则是对两个光强进行相减处理。

]2/)()sin[(4)

(I I 00r u u r I r R R ?Φ+Φ-Φ=-'=）（

可见，处理后的光强是一个含有高频载波项[ ( r 0-ΦΦ )+ Δφ(r)/2 ]的低频条纹sin(Δφ(r)/2)。该低频条纹取决于物体形变引起的光波相位改变。这个光波相位变化与物体 形变关系不难从光波传播的理论推导出来，即有

]sin )cos 1([/221θθλπd d ++=?Φ

其中λ是所用的激光波长，θ是激光与物体表面法线的夹角，d1是物体形变的离面位 移，d2 是物体形变的面内位移。

在一般情况下，照明角度较小，即cos θ≈1，sin θ≈0，所以这种单光术照明的电子散斑干涉对离面位移比较敏感，而对面内位移不敏感，这和全息干涉技术相类似。因为光程差是产生相位变化的主要原因，而光程差又主要和物体形变有关。

设物体的离面形变为d(x,y)，相应的相位改变为Δφ=2π/λ2d(x,y),如果Δφ=2n π时，变化前后的散斑图象完全相同。于是有d(x,y) = n λ/2 其中，n 是干涉条纹的级数，当n(x,y)=0,1,2...时，观察到暗条纹。

2、系统的结构

XGS-I 型电子散斑干涉(ESPI)实验系统的总体结构如下图

（1）被测物体

被测物体有两个，一是通电加热的被测物体1，一是手动调节的被测物体2，二者都是 为了产生一定量的形变。

被测物体1主体是60mm ×60mm ×15mm 的金属铝块，上部有三根电阻丝，接通电源后，电阻丝发热，铝块受热膨胀，使得被测物体表面产生形变，上面较高，下面较低，呈梯

形.附带变压器，可调范围为0伏-110伏.调节的电压越高，物体形变越快，注意防止物体形变过快，以至妨碍实验效果.注意，在开始新的实验之前，要确定被测物体是经过冷却的。

在测试阶段得到的一次实例数据如下，相应示意曲线见下图(电压为最大，即110V，环境温度为22℃)：

被测物体2是靠手动调节产生形变的，正面上部的金属片接受激光的照射，背面上部的螺丝用来粗调，下面的螺旋测微器旋钮用来细调。

（2）激光器

采用He-Ne激光器，功率为1.5mW，波长632.8 nm,附有专用电源.

（3）外部光路

由透镜、反射镜等组成透镜组，完成分光、反射、成象、产生光斑等功能. 光路图见上面的“电子散斑结构图”.

（4）探测系统

采用黑白CCD摄像机，有效象素数不低于752(H)×582(V).

（5）数据处理

数据收集采用黑白图象采集卡，NTSC制信号，分辨率设定为640 ×480 ×16位.图象的实时显示、过程控制、数据的分析及处理由配套软件完成.计算机的分辨率推荐调整为1024 ×768 ×16位.此时效果最好.打印机推荐为彩色打印机.

【实验内容】

(1) 连接好实验系统电缆和黑白摄像机与图象采集卡之间的视频电缆；

(2) 打开激光器的电源；

(3) 调整各个光学器件的位置及角度，直到在白屏上清楚的看到迈克尔孙（Michelson）干涉条纹后，固定各个器件的位置，将白屏撤掉，在它的位置上摆放黑白摄像机；

(4) 打开其它仪器的电源，注意把被测物体的可调电源的电压调到0；

(5) 启动计算机，将显示器的分辨率设置为1024×768×16位,运行控制程序；

(6) 首先设置采图方式为手动，点击“控制”菜单里“开始”菜单，或者点击工具条上的“开始”按钮，或者直接按F1键，调整黑白摄像机的位置，直到在主工作区看到实时显示的清晰的迈克尔孙（Michelson）干涉条纹；

(7) 设置显示模式、采集方式、保存路径、采图速度等参数；

(8) 将被测物体的可调电源的电压调到适当值，(电压值视具体情况而定，以便控制被测物体形变的速度，进而控制实验的速度)；

(9) 点击“控制”菜单里“开始”菜单，或者点击工具条上的“开始”按钮，或者直接按F1键，开始采集图象。若采集方式为手动，可以随时点击“控制”菜单里“抓图并保存”菜单，或者点击工具条上的“抓图”按钮，或者直接按F4键来采集一幅图象到设置好的保存路径中，也会将此图加入到左侧的图象列表中，同时主工作区右侧会给出一些信息提示；若采集方式为自动，则控制程序按照用户设置好的参数，每间隔一定时间，采集一幅图象到设置好的保存路径中，也会将此图加入到左侧的图象列表中，同时主工作区右侧会给出一些信息提示；

(10) 处理采集到的数据；

(11) 退出控制程序；

(12) 关闭各个仪器的电源；

(13) 整理仪器。

【实验结果】

【思考题】

1.试讨论引起引起测试过程中误差的因素，并如何克服？

答：测量形变过程中如果物体有少量位移可能造成误差，克服方法缩短记录时间。

2. 试讨论使用电子散斑法测量三维面内和离面位移以及振动之间需要注意的差别，为什么？

答：测量离面位移抓取图片为发生位移前后的图片，测量震动时抓取图片的时间间隔应该较短，因为震动测量是测量位移与时间的关系。

实验六数字式光学传递函数测量和透镜像质评价实验

【实验目的】

1、了解光学镜头传递函数测量的基本原理；

2、掌握传递函数测量和成像品质评价的近似方法；

3、学习抽样、平均和统计算法。

【仪器用具】

导轨、多用途LED面光源、双胶合透镜、分光镜、波形发生器、CCD摄像机、CCD光阑、图象采集卡、计算机。

【原理】

光学传递函数（Optical transfer function, OTF）表征光学系统对不同空间频率的目标的传递性能，广泛用于对系统成像质量的评价。

傅里叶光学证明了光学成像过程可以近似作为线形空间中的不变系统来处理，从而可以在频域中讨论光学系统的响应特性。任何二维物体ψo(x, y)都可以分解成一系列x方向和y 方向的不同空间频率(νx,νy)简谐函数(物理上表示正弦光栅)的线性叠加：

(1) 式中Ψo(νx,νy)为ψo(x, y)的傅里叶谱，它正是物体所包含的空间频率(νx,νy)的成分含量，其中低频成分表示缓慢变化的背景和大的物体轮廓，高频成分则表征物体的细节。

当该物体经过光学系统后，各个不同频率的正弦信号发生两个变化：首先是调制度（或反差度）下降，其次是相位发生变化，这一综合过程可表为

(2) 式中Ψi(νx,νy)表示像的傅里叶谱。H(νx,νy)称为光学传递函数，是一个复函数，它的模为调制度传递函数（modulation transfer function, MTF），相位部分则为相位传递函数（phase transfer function, PTF）。显然，当H=1时，表示像和物完全一致，即成像过程完全保真，像包含了物的全部信息，没有失真,光学系统成完善像。

由于光波在光学系统孔径光栏上的衍射以及像差（包括设计中的余留像差及加工、装调中的误差），信息在传递过程中不可避免要出现失真，总的来讲，空间频率越高，传递性能

越差。

对像的傅里叶谱Ψi(νx,νy)再作一次逆变换，就得到象的复振幅分布：

调制度m定义为

(4) 式中Amax和Amin分别表示光强的极大值和极小值。光学系统的调制传递函数可表为给定空间频率下像和物的调制度之比：

(5)

除零频以外，MTF的值永远小于1。MTF(νx,νy)表示在传递过程中调制度的变化，一般说MTF越高，系统的像越清晰。平时所说的光学传递函数往往是指调制度传递函数MTF。图1给出一个光学镜头的设计MTF曲线，不同视场的MTF不相同。

在生产检验中，为了提高效率，通常采用如下近似处理：

（1）使用某几个甚至某一个空间频率ν0下的MTF来评价像质。

（2）由于正弦光栅较难制作，常常用矩形光栅作为目标物。

本实验用CCD对矩形光栅的象进行抽样处理，测定象的归一化的调制度，并观察离焦对MTF的影响。该装置实际上是数字式MTF仪的模型。

一个给定空间频率下的满幅调制(调制度m=1)的矩形光栅目标物如图2(a)所示。如果光学系统生成完善像，则抽样的结果只有0和1两个数据，像仍为矩形光栅。在软件中对像进行抽样统计，其直方图为一对δ函数，位于0和1。见图2(b)及2(c)

如上所述，由于衍射及光学系统像差的共同效应，实际光学系统的像不再是矩形光栅，如图3(a)所示，波形的最大值Amax和最小值Amin的差代表像的调制度。对图3(a)所示图形实施抽样处理，其直方图见图3(b)。

找出直方图高端的极大值mH和低端极大值mL，它们的差mH- mL近似代表在该空间频率下的调制传递函数MTF的值。为了比较全面地评价像质，不但要测量出高、中、低不同频率下的MTF，从而大体给出MTF曲线，还应测定不同视场下的MTF曲线。

【实验内容】

1. 将实验系统中光学及机械调整部件安装好，固定到导轨上，CCD与图像卡相连。

2. 调节各光学元件，中心等高对正。适当调节待测透镜和CCD的相对位置，通过物距和像距的控制，使波形发生器的像清晰地成在CCD的靶面上。打开图像采集软件，以屏幕中得到最清晰的像为准（像的清晰程度受待测透镜的成像质量影响，找到相对最清晰的位置即可）。

3. 波形发生器只使用有水平条纹和竖直条纹的单元的部分，将该部分在光路中对正。该部分由多个不同空间频率的条纹单元组成，选择想要测量的空间频率的条纹单元，移动波形发生器使该单元至屏幕中心。

4. 点击界面左侧的“局部存储”快捷按钮，或点击界面上方的“图像处理”，选择下拉菜单中的“局部存储”，此时整个图像静止（左侧大恒标识中的红圈停止转动），屏幕上会出现一红色方框（沿对角线拖动大小可变，敲击空格键红框消失，界面解除静止，再次敲击空格键，界面又将静止）。将该方框平拖至水平条纹部分，双击方框内部分，将所采集图像的文件存至Mcad文件夹中。如此再将竖直条纹部分、全白部分、全黑部分采集图像的文件也存至Mcad文件夹中。

5. 运行Mcad文件夹中的MTF-new.MCD文件，打开MTF数据处理程序。将先前保存在Mcad文件夹中的四个文件的文件名分别复制入相应位置的引号内，该程序会将处理结果展示在下面，并在最后给出水平方向和竖直方向的MTF值。

6. 局部存储时的红色方框应包含三条以上的亮条纹或黑条纹。

7. 光源可以分别发出红、绿、蓝三色光，可以用来分别测出三种波长光照明下的MTF值。【实验结果】

红光

绿光

蓝光

【思考题】

1. 评价光学系统成像质量的方法有哪些？

答：瑞利判断与波前图、中心点亮度与能量包容图、分辨率与点扩散函数、星点检测法与点列图、光学传递函数评价成像质量等。

2. 分析传递函数与其他像质评价方法之间的关系。

答：其他评价方法都是把物体看成发光点的集合，观察其中有代表性的的几个点成像时时的波相差和像点弥散情况，二传递函数是把物体看成有各种频率谱形成。

实验八激光光束分析实验

【实验目的】

1、熟悉激光光束分析仪的使用

2、测量He-Ne激光器二维/三维显示光束横模（光束轮廓和能量分布）

3、峰值功率及峰值位置和光斑大小及光斑椭圆度?

4、光束发射稳定性和均匀性和光束发散角测量

【仪器用具】

He-Ne激光器、光衰减器、衰减片五片、CCD摄像机、图象采集卡、计算机。

采用CCD测量连续或脉冲激光光束的光强分布，并用二截距法测量，通过计算机求得M2因子，并以立体图象显示

【原理】

由CCD面阵摄像仪精确记录待测激光束的光学特性，由测量软件进行数据处理和计算,并实现结果显示和输出。因为入射在CCD上的光束能量不能太强，否则产品过饱和。所以在光束入射CCD摄像仪之前，先由光束滤波元件和光束采样元件等对光束进行处理，以便得到最佳测量结果。

待测的激光束经过光束滤波元件和光束采样元件先期处理后，入射到CCD摄像仪上，由CCD接收并精确记录下光束外形轮廓、能量分布等信息，并经图像采集板卡采集处理后,传到电脑。由电脑上安装好的光束测量软件采集测量数据并进行处理。最终实现光束测量结果的实时显示、保存和输出。

【实验内容】

1.将实验系统中光学及机械调整部件安装好，CCD与图像卡相连。

2. 打开激光器，调节各光学元件，中心等高对正。

3. 插入衰减片，调整光束强度。

4. 调节CCD相机的位置，使激光束照射在探测器的适当位置。

5. 打开软件，熟悉软件环境。

6.对光束参数进行测量