實(shí)驗(yàn) 傅立葉變換光譜

實(shí)驗(yàn)傅立葉變換光譜第1頁，共15頁，2023年，2月20日，星期六提綱實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容思考題參考文獻(xiàn)第2頁，共15頁，2023年，2月20日，星期六自組傅立葉變換光譜儀，測(cè)量常用光源的光譜分布第3頁，共15頁，2023年，2月20日，星期六傅里葉變換光譜是一個(gè)很有特色的實(shí)驗(yàn)，傅里葉變換光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果的獲得不是直接測(cè)量出來的，而是通過傅里葉變換，從空間域變換到頻率域通過數(shù)學(xué)計(jì)算的方法得到的，這種方法在當(dāng)今的信息處理技術(shù)中具有廣泛的應(yīng)用。第4頁，共15頁，2023年，2月20日，星期六多數(shù)傅里葉變換光譜儀是基于邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)的。我們知道在邁克爾遜干涉儀中，藉助于連續(xù)地移動(dòng)其中的一個(gè)反射鏡（稱之為動(dòng)鏡），干涉儀產(chǎn)生的兩束相干光的光程差發(fā)生連續(xù)改變，干涉光強(qiáng)就會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變，若在改變光程差的同時(shí)，同時(shí)記錄下光強(qiáng)接收器輸出中的變化部分，就得到了干涉光強(qiáng)隨光程差的變化曲線，稱為干涉圖函數(shù)。這樣，在獲得干涉圖之后，只要算出干涉圖的傅里葉余弦變換，即可得到光源的光譜分布，如此得到的光譜稱為傅里葉變換光譜，這樣的光譜技術(shù)稱為傅立葉變換光譜技術(shù)。第5頁，共15頁，2023年，2月20日，星期六根據(jù)光波疊加原理，若有兩束單色光，他們的波數(shù)都是σ，傳播方向和偏振方向相同，光強(qiáng)都是I’，兩光束之間光程差為△，這兩束光相互疊加產(chǎn)生干涉，得到的光強(qiáng)為 （1）從上式我們看到，單色光的干涉圖函數(shù)包含一個(gè)直流分量和一個(gè)余弦函數(shù)分量。經(jīng)過仔細(xì)分析不難看出，余弦函數(shù)分量的周期就是單色光的波長。若光源發(fā)出的不是單色光，而是含有多種光譜成分的混合光，光強(qiáng)隨波長的分布是I(σ)，在光譜間隔dσ內(nèi)光強(qiáng)是I(σ)dσ

。將此光源發(fā)出的光分成強(qiáng)度相同的兩束，相互干涉后光強(qiáng)是 （2）第6頁，共15頁，2023年，2月20日，星期六在整個(gè)光譜范圍內(nèi)的干涉總光強(qiáng)為第7頁，共15頁，2023年，2月20日，星期六第8頁，共15頁，2023年，2月20日，星期六如何實(shí)現(xiàn)高精確度的等光程差采樣間隔是傅立葉變換光譜儀的核心技術(shù)第9頁，共15頁，2023年，2月20日，星期六用一個(gè)精密電機(jī)帶動(dòng)邁克爾遜干涉儀的細(xì)調(diào)手輪，讓其動(dòng)鏡勻速移動(dòng)，從而以恒定速度改變光程差。用光電接收器接收光強(qiáng)信號(hào)，得到干涉光強(qiáng)隨時(shí)間變化的曲線。再用已知波長的單色光測(cè)出動(dòng)鏡移動(dòng)的速度，就可以得到干涉光強(qiáng)隨光程差變化的曲線了。第10頁，共15頁，2023年，2月20日，星期六實(shí)驗(yàn)裝置如圖4-2-1所示，由邁克爾遜干涉儀、鎢絲燈、氦氖激光器、光電倍增管、光電二極管、力矩電機(jī)、測(cè)量控制單元和計(jì)算機(jī)等組成。核心是一臺(tái)經(jīng)過改裝的邁克爾遜干涉儀（虛線框內(nèi)的部分），干涉儀的動(dòng)鏡M2（7）可以在精密力矩電機(jī)（8）的驅(qū)動(dòng)下勻速緩慢移動(dòng)，被測(cè)光源（1）發(fā)出的光經(jīng)過干涉儀形成干涉光，其干涉光強(qiáng)由光電倍增管（10）接收。用來給光程差定標(biāo)的參考激光（2）由反射鏡（3）從主光路的一側(cè)照射到分束鏡（4）上，經(jīng)同一組分束鏡（4）、補(bǔ)償鏡（5）、反射鏡（6、7）形成分光、干涉，然后再經(jīng)過反射鏡（3）反射到光電二極管（11）。光電倍增管（10）和光電二極管（11）的輸出信號(hào)，都經(jīng)過測(cè)量控制單元（12）的雙路精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，二者的采樣是同步且等時(shí)間間隔的。測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)串行通訊口送入計(jì)算機(jī)（13），由專門開發(fā)的傅里葉變換光譜數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行控制處理。數(shù)據(jù)處理軟件首先根據(jù)參考光的干涉光強(qiáng)隨時(shí)間的變化對(duì)被測(cè)光干涉圖進(jìn)行修正，得到等光程差間隔采樣的干涉圖，然后對(duì)進(jìn)行快速傅立葉變換，最終得到傅立葉變換光譜。第11頁，共15頁，2023年，2月20日，星期六8213615491011337高精度ADC高精度ADC電機(jī)反饋控制單片機(jī)121被測(cè)光源2氦氖激光器3反射鏡4分束鏡5補(bǔ)償鏡6反射鏡M17反射鏡M28力矩電機(jī)9聚光鏡10光電倍增管11光電二極管12測(cè)量控制單元13計(jì)算機(jī)傅立葉變換光譜實(shí)驗(yàn)裝置示意圖第12頁，共15頁，2023年，2月20日，星期六實(shí)驗(yàn)中傅立葉變換是如何實(shí)現(xiàn)的如何判斷光程差變小的方向第13頁，共15頁，2023年，2月20日，星期六呂斯樺，朱印康主編，近代物理