T wyman-Green干涉实验分析与数据处理
实验人：陈浩08323060 合作人：豆智杰08323028 、叶小天08323076 【实验光路图】
图(1)Twymann-Green干涉实验装置
【实验记录】
以下是主要实验记录摘要：
【实验现象以及分析】
1.实验过程中调节M1M2镜片以获得较粗的条纹(如下图2)，理由是：
CCD摄像头像素具有一定的大小；单位像素尺度假设为a；干涉条纹宽度假设为d；
那么实验至少要求：条纹的亮暗光强对比可以检测，即至少要求d≥a。意义是：如果每条条纹上的像素个数越多，即d≫a那么对这个条纹的描述就越精确，即CCD就相对地越灵敏，从而实验误差就越小。
本着这个思想，如结果图片所示，我们尽量的调节条纹的宽度。但实际上，由于调节条纹宽度越大，条纹亮暗变化对比度就不明显，条纹位置的不确定度就增大了。详细分析如下：(a)CCD像素对于光强具有一定的测量范围，低于阈值无法识别；
干涉条纹的光强是近似按sinc函数分布的，并非仅仅亮暗的两种绝对变化；
倘若条纹十分宽大，致使在亮区暗区条纹交界的地方分布不止一个像素；
那么实际上这些地方的真实亮暗情况CCD是无法识别的。因而条纹图像易受干扰而失真，表现为条纹边缘不齐整(干扰所致的误差)、不够清晰。对比图(2)。
(b)调节条纹加粗需要两块镜片俯仰角度进行较大的调节，从而使得镜片稳定性欠佳，易受振动影响；同时也会使得干涉条纹清晰度下降。这是调节过程中总结得到的。
(c)我们查询了师兄的实验结果，发现实验十分成功的案例，其干涉条纹并不追求十分粗大，而是亮暗变化十分清晰、亮暗区域对比度十分高。而这跟MTF是相关的。
图(2)Twymann-Green干涉条纹示意图(3)师兄做的干涉条纹示意[1]
[1]见杨亿斌(06325107)吴聪(06325096)光信息科学与技术，2009年5月19日
综上所述，我们得出结论：实验调节干涉条纹要考虑到两个方面：一是条纹要够粗，而是对比度亮暗要够大；因此并非是刚开始分析的那样，条纹越粗越好，而是在CCD图像上呈现的条纹越“清晰”(足够大、足够对比度)越好！
2.是否光斑越大越好：光斑越粗，条纹个数不变的情况下，条纹就越粗；调试仪器时曾认为光斑越大越好。实验过程中，未获得加粗的光斑，在不调节镜片的情况下，尝试使用透镜使得光线汇聚，然后在远离焦点处放置CCD就可以获得十分粗的光斑。但我觉得这种方法不行，因为虽然光斑变大了，但是光线经过透镜汇聚后在远离焦点处的相干性(同频、平行、恒相差)变差了：光斑光强的不均匀、傍轴近似的失效等等。所以实验时并未如此操作。
3.干扰条纹的存在：实验中明显观察到在平行的等候干涉条纹中间有几个环状的干涉条纹；但由于对比度的问题可能打印不出来而无法看到。以下分析出现的原因：
光路中，扩束以后没有圆形器件以及小孔光阑的存在，照理说这种情况下的等厚干涉应该不会出现环状的条纹。因此，出现干扰条纹的原因必然是：光路中一定有我们没意识到的圆形器件以及小孔光阑的存在！
我认为可能是：灰尘或者M1M2镜片上某处细小的突起，在平行激光的如设下的反射行为，类似于一个点光源；另外，CCD入口处就明显可以看作是一个小孔光阑。如果光线稍微偏离垂直入射，从而部分投
射在CCD入口的金属壁上造成反射，光程差函数就不止一个，因而条纹就不止一套，会更复杂。
处理方法：利用汇聚透镜去除非平行光的光程差带来的干涉效应。因此，这又涉及到是否一定要在CCD上放置会聚透镜的原因。标准TG干涉仪是有放置的，但指导老师说不必要。我个人认为出于上述原因，会聚透镜是必需的。实验中由于加了透镜后条纹较细，去除了透镜以获得粗条纹，就产生了几个环状的干扰条纹。
4. PZT振动情况下的条纹整体移动：这是因为PZT以一定频率缓慢振动，周期大约为5s；而压电陶瓷带动平面镜子整体周期性平移，从而导致光程差周期性变化，因而干涉条纹的亮暗也就成周期性来回变化。这要求PZT驱动频率不能太高，否则镜平面会有机械振动而非平移，条纹扭曲变化快，既不稳定，又难观察。
【实验数据以及分析】
1.数字干涉测量部分：
(1)光滑镜子的表面不平整度检测
图(4)光滑平面镜表面不平整程度数字干涉测量结果示意图
实验结果如上图(4)所示。现将数据分析如下：
PV=1.913 wave ；Em=1.199wave ；Rms=0.194wave
PV=x max−x min；RMS=√∑∆x2
；Em=x max−RMS
N−1
(a)PV是表面形貌的最大峰谷值。所测得的PV=1.913wave值较大，结合等高图可知，绝大部分是十分光滑的(由等高线图的一大片纯粹黄区域可证)，仅仅是口径表面边缘有零星明显的凹凸(破损引起)，明显是表面有灰尘等不干净杂质或局部凹坑；考虑到边缘的尘灰引起的高度误差，结果应该是合理的。
(b)RMS是对表面粗糙度的描述。所测得的RMS=0.194 wave，即大约为120nm。体现该平面镜整体的粗糙度较小，即总体上还是平整的。
(c)Em是判定整体上平面上各点是是否接近所测量的最大值，即是整体偏高还是偏低。所测平面镜Em=1.199wave，对比RMS=0.194wave，并结合等高图，可见平面各点整体较低，也即是说，平面镜上的杂质比较大。(体现为凸顶较高，因而Em值较大)。
实验的另外一个结论：
对比干涉图与等高图可以发现，凡是干涉条纹亮交界的地方，在等高图上无法显示——表现为黑的条
纹。这是因为亮条纹的光强太大，导致两岸条纹的对比度超出了CCD的探测阈值。即整体光强太强。这是本次实验一个普遍特征。因此，所获得的数据只能作为相对平整度的分析。
(2)粗糙镜子的表面不平整度检测：
图(5)粗糙平面镜表面不平整程度数字干涉测量结果示意图
实验结果如上图(5)所示。现将数据与光滑镜对比分析如下：
表格二：光滑镜与粗糙镜表面不平整参数对比数据
同理按照光滑镜的参数物理意义进行对比分析，似乎光滑镜子比粗糙竟还要粗糙，或者说：粗糙镜比光滑镜还要光滑！这是令人十分郁闷的结果。
我认为造成以上结果的原因有两个：
(1)光滑镜子已经破损并污染；而粗糙镜子不排除恰好光斑口径位置是光滑的。
(2)这是主要原因：从光滑镜子等高图中的黑条纹的位置与干涉图进行对比，发现亮条纹的地方恰好是
黑所在地。如称对比度过高为相对光强过亮，则黑部分就是过亮斑！有了这个结论，再根据表格二第五栏过亮斑(即黑点)分布情况分析可知：
(a)其实粗糙镜子上有许多不规则的反射点，其亮度十分高，导致CCD无法探测并表示出来；这说明起码粗糙镜面上存在不规则排布高反射点。而非由亮条纹引起的。
(b)光滑镜上的过亮斑几乎完全按照条纹排布，因此可以认为完全是由亮条纹引起的。
三角函数查询表因此，可以推测，粗糙镜子的确是粗糙的。粗糙点就是等高图上体现出来的过亮斑点即黑点。这还说明：
(1)粗糙镜子只是在光滑的镜片上多出了许多微小的不规则分布的颗粒——即粗糙颗粒很小；从等高图上可以看出，大致是一个条纹宽度的量级。
(2)激光不是严格地垂直地打在被测镜片上：否则不可能会过亮点，因为垂直入射情况下，镜面反射的能量最大了，不会有比镜面的有效反射率(相对于CCD平面法线方向)更大(才能更亮)的颗粒。
2.波差数字干涉测量部分：光学系统的PSF、MTF的测量
实验操作：加入傅里叶透镜，观察前后干涉图像的变化，分析产生变化的原因。测量待测光学的PSF、MTF。
放入待测透镜之前是两列平面波的干涉；放入傅里叶透镜之后，经被测光学系统（傅里叶透镜）会聚在其焦点处的一束光由平行光束变成会聚球面波，但是这不是准确的平球面波，而是有波象差的。这样，球面波与平面波形成环形干涉条纹图，这与被测物镜存在的波象差的性质和大小有关。

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。