CN107798975A - 一种基于反射式空间光调制器的笼式多功能光学实验设备、系统 - Google Patents

一种基于反射式空间光调制器的笼式多功能光学实验设备、系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种基于反射式空间光调制器的笼式多功能光学实验设备、系统，通过设置的光源组件、光反射组件、扩束器组件、起偏器组件、分光组件、光学处理分析组件等，利用空间光调制器、以及检偏器、功率计、拍摄装置、光学狭缝、光学网格、观察屏、聚焦镜、对准板、反射镜和/或衰减片等进行多种光学实验。本申请通过笼式组装件将上述多种组件可拆卸式组装成一体，集成度高、利用整理以及进行教学实验，操作简单且成本较低，设备可靠不易损坏。同时，本申请能够较大限度地提高光学实验设备的使用性能，可简单方便地进行各种实验，能很好的锻炼学生的动手能力，学生可以自由改变各种光学元件。

Description

一种基于反射式空间光调制器的笼式多功能光学实验设备、 系统
技术领域
本申请涉及光学实验技术领域，具体涉及一种基于反射式空间光调制器的笼式多功能光学实验设备，还涉及一种基于反射式空间光调制器的笼式多功能光学实验系统。
背景技术
传统的光学实验都是通过独立的系统完成，许多实验所用的器件都是很多年前的，缺乏实时调节性及智能性。一些现代化的光学设备价格昂贵，且自动化程度太高，供学生操作的空间不够，并不适合于学生的训练，而且大多设备都只支持完成一种实验，要想让学生掌握光学方面的综合知识，学校必须采购大量的设备，这也使得学校采购设备成本大幅增加。总而言之，现有技术中光学实验设备落后、器具杂散、而且综合性能不高。
为了深化教学改革，培养适应新世纪需要的高素质人才，使学生毕业后能带头运用高新技术，参与国际竞争，普物实验内容的现代化改革势在必行。因此，有必要提供一种新的实验系统。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种基于反射式空间光调制器的笼式多功能光学实验设备、系统，以解决现有技术中光学实验设备落后、器具杂散、综合性能不高等问题，能够较大限度地提高光学实验设备的使用性能，而且集成度高、利用整理以及进行教学实验，操作简单且成本较低。
一种基于反射式空间光调制器的笼式多功能光学实验设备，所述光学实验设备包括:
光源组件，用于设置光源；
光反射组件，与所述光源组件对应间隔设置，用于设置反射镜并通过所述反射镜对来自光源的光进行反射传输；
扩束器组件，与所述光反射组件间隔设置、并位于所述光反射组件对光进行反射传输的路径上，用于设置扩束器并通过扩束器对反射镜反射传输的光进行扩束、滤波处理；
起偏器组件，与所述扩束器组件间隔设置，用于设置起偏器并通过起偏器对经过扩束器扩束、滤波处理的光进行处理以得到偏振光；
分光组件，与所述起偏器组件间隔设置，用于设置分光棱镜并通过分光棱镜对所述偏振光进行分光处理；
光学处理分析组件，与所述分光组件间隔设置，用于设置空间光调制器，以及用于设置检偏器、功率计、拍摄装置、光学狭缝、光学网格、观察屏、聚焦镜、对准板、反射镜和衰减片的至少其中之一；
笼式组装件，用于将所述光源组件、光反射组件、扩束器组件、起偏器组件、分光组件和光学处理分析组件进行可拆卸式组装成一体。
一种笼式多功能光学实验系统，其包括上述的光学实验设备，所述光学实验设备用于配置不同的光学元件，以进行结构测量、振幅调制、偏振态的调制、实时图像变换、Talbot影像、像素大小的测量、空间滤波器、空间滤波实验、成像与投影、双缝干涉、衍射、双缝干涉法研究SLM的相位调制特性、迈克尔逊干涉、数字全息再现、移相式数字全息、菲涅尔透镜、中空光束、光束变换、平面波与其他波形的干涉或色散的多种光学实验。
上述笼式多功能光学实验设备、系统，通过设置的光源组件、光反射组件、扩束器组件、起偏器组件、分光组件、光学处理分析组件等，利用空间光调制器、以及检偏器、功率计、拍摄装置、光学狭缝、光学网格、观察屏、聚焦镜、对准板、反射镜和/或衰减片等进行多种光学实验。本申请通过笼式组装件将上述多种组件可拆卸式组装成一体，集成度高、操作简单且成本较低，设备可靠不易损坏。同时，本申请能够较大限度地提高光学实验设备的使用性能，可简单方便地进行各种实验，能很好的锻炼学生的动手能力，学生可以自由改变各种光学元件。
附图说明
图1为一实施例中笼式多功能光学实验设备的结构示意图，其中，还显示了多种光学元件。
具体实施方式
请参阅图1，图1为一实施例中笼式多功能光学实验设备的结构示意图，本实施例的笼式多功能光学实验设备，包括但不限于光源组件10、光反射组件(未标示)、扩束器组件(未标示)、起偏器组件40、分光组件50、光学处理分析组件、笼式组装件以及笼板组件41。
需要说明的是，以某一使用光源100的实验为例，本实施例的多功能光学实验设备的工作原理包括如下。
所述光源组件10用于设置光源100；
所述光反射组件与所述光源组件10对应间隔设置，用于设置反射镜并通过所述反射镜对来自光源100的光进行反射传输；
所述扩束器组件与所述光反射组件间隔设置、并位于所述光反射组件对光进行反射传输的路径上，用于设置扩束器并通过扩束器对反射镜反射传输的光进行扩束、滤波处理；
所述起偏器组件40与所述扩束器组件间隔设置，用于设置起偏器并通过起偏器对经过扩束器扩束、滤波处理的光进行处理以得到偏振光；
所述笼板组件41，与所述扩束器组件中的用于设置小孔滤波器的X-Y平移调整架间隔设置，用于在必要时增减光学元件，包括透镜，光学网格等。
所述分光组件50与所述起偏器组件40间隔设置，用于设置分光棱镜并通过分光棱镜对所述偏振光进行分光处理；
所述光学处理分析组件与所述分光组件50间隔设置，用于设置空间光调制器(SLM，spatial light modulator)61，以及用于设置检偏器、功率计、拍摄装置、光学狭缝、光学网格、观察屏、聚焦镜、对准板、反射镜和衰减片的至少其中之一；
在本实施例中，所述笼式组装件用于将所述光源组件10、光反射组件、扩束器组件、笼板组件41、起偏器组件40、分光组件50和光学处理分析组件进行可拆卸式组装成一体。
在本实施例中，所述光源组件10可以为L型固定架的方式，光源100可以采用激光光源。
如图1所示，本实施例所述光反射组件采用了两次反射的方式，而使得光的传输途径发生了180°的改变，当然，在其他实施例中，也可以只采用一次发射的方式。
具体而言，所述第一光学调整架21为直角光学调整架，其上可以设置第一反射镜210，并通过所述第一反射镜210改变来自光源100的光的传输路径。
同理，所述第二光学调整架22也可以为直角光学调整架，与所述第一光学调整架21连接设置并邻接所述扩束器组件，用于设置第二反射镜220并通过第二反射镜220对来自所述第一光学调整架21的第一反射镜210的光进行二次反射。
在所述光反射组件的具体连接过程中，所述笼式组装件包括多根第一笼杆91，第一笼杆91的一端连接所述第一光学调整架21，第一笼杆91的另一端连接所述第二光学调整架22。在优选的实施例中，所述笼式组装件还包括多个柱状接杆套件910，嵌设于所述第一光学调整架21的多个几何边角位置，用于实现所述第一笼杆91的一端与所述第一光学调整架21的紧固连接、并通过顶丝固定。
需要说明的是，本实施例所述笼式组装件还包括多根第二笼杆92，用于依序将所述第二光学调整架22、所述扩束器组件、所述笼板组件41、所述起偏器组件40和所述分光组件50依次连接。
其中，所述扩束器组件包括依序设置的第一笼板31、第二笼板32和第三笼板33，所述第一笼板31与所述第二光学调整架22邻接，用于设置扩束器的第一透镜；所述第二笼板32与所述第一笼板31邻接，用于设置扩束器的小孔滤波器；所述第三笼板33与所述第二笼板32邻接，用于设置扩束器的第二透镜。
需要说明的是，本申请优选地采用开普勒式扩束器，在其他实施例中也可以采用伽利略式扩束器，在此不作细述。
在优选的实施例中，所述多根第二笼杆92依序依次连接所述第一笼板31、第二笼板32和第三笼板33调节好位置后用顶丝固定，以实现位置的可调、固定。
为了实现实验的误差调整、或者实验校准，本实施例所述笼式组装件还包括二维调整架320，设置于所述第二笼板32上，用于调节小孔滤波器的位置。
所述起偏器组件40可以采用螺纹笼板或者笼式旋转安装座的方式，其上设置起偏器400并通过起偏器400对经过扩束器扩束、滤波处理的光进行处理以得到偏振光。
在本实施例中，如图1所示，所述光学处理分析组件至少包括四维调整架62、第三光学调整架63和多块笼板64。所述四维调整架62与所述分光组件50邻近设置，用于设置所述空间光调制器61，并可调整所述空间光调制器61的四维方向；所述第三光学调整架63与所述分光组件50连接设置，用于设置反射镜；所述多块笼板64，与所述分光组件50连接设置，用于设置检偏器、功率计、拍摄装置、光学狭缝、光学网格、观察屏、聚焦镜、对准板和衰减片的至少其中之一。需要说明的是，检偏器、功率计、拍摄装置、光学狭缝和观察屏可以单独设置，在此不作限定。
举例而言，在搭建实验过程中，譬如搭建检偏器640、用于设置检偏器640的笼式旋转安装座641、第三反射镜630以及观察屏642等。
在本实施例中，所述笼式组装件还可以包括多根第三笼杆93、多根第四笼杆94和多根第五笼杆95。所述多根第三笼杆93用于实现所述第三光学调整架63与所述分光组件50的连接；所述多根第四笼杆94，用于依次连接所述多块笼板64并实现所述多块笼板64与所述分光组件50的连接；所述多根第五笼杆95，与所述第一光学调整架21顶丝连接，用于设置并固定所述光源组件10，当然，在其他实施方式中也可以用于增减设置其他光学元件。
需要说明的是，所述多根第三笼杆93与所述第三光学调整架63之间可以通过柱状接杆套件930或者螺纹实现固定连接，所述多根第四笼杆94与所述多块笼板64之间依次连接，所述多根第四笼杆94与所述分光组件50之间通过顶丝固定连接。
在本实施例中，所述笼式组装件还可以包括支撑架96，用于支撑所述光学实验设备并调整其高度位置。
具体而言，所述支撑架96可以包括多个固定安装架960和多个插入式压块961，以分别支撑不同的组件。其中，固定安装架960可以为笼式安装架，其可以采用30厘米、20厘米或者40厘米的高度不等。
需要说明的是，本实施例可以在第二笼杆92上设置更多的笼板组件41进行备用，以进行不同的实验。
此外，本实施例的第一笼杆91、第二笼杆92、第三笼杆93、第四笼杆94和第五笼杆95的数目均可以为三根、四根、五根或者六根等，优选为四根并围绕呈笼式设置，而将其他组件都形成于笼中。此外，第一笼杆91、第二笼杆92、第三笼杆93、第四笼杆94和第五笼杆95的长度可以根据实际光学实验的需要而设置不同的长度，比如，第一笼杆91可以为10厘米、第二笼杆92可以为30厘米、第三笼杆93为5厘米、第四笼杆94为10厘米而第五笼杆95为5厘米；当然，也可以按照此比例进行分别调整设置，在此不作限定。
本实施例的拍摄装置可以采用CCD图像传感器，CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)。
本申请通过笼式组装件将上述多种组件可拆卸式组装成一体，集成度高、利用整理以及进行教学实验，操作简单且成本较低，设备可靠不易损坏。
本申请还提供一种笼式多功能光学实验系统，其任一上述实施例所述的光学实验设备，所述光学实验设备用于配置不同的光学元件，以进行结构测量、振幅调制、偏振态的调制、实时图像变换、Talbot(泰伯效应)影像、像素大小的测量、空间滤波器、空间滤波实验、成像与投影、双缝干涉、衍射、双缝干涉法研究SLM的相位调制特性、迈克尔逊干涉、数字全息再现、全息记录与再现、移相式数字全息、菲涅尔透镜、中空光束、光束变换、平面波与其他波形的干涉或色散的多种光学实验。
本申请能够较大限度地提高光学实验设备的使用性能，可简单方便地进行各种实验，能很好的锻炼学生的动手能力，学生可以自由改变各种光学元件。
下面将结合其中几个实验以对本申请作具体说明。
首先，进行光路调节：
1、在第一光学调整架21前放置对准板，光打至对准板靶面；用光源组件10连接激光光源，调整激光光源的高度使光斑恰好通过对准板的中心，将光源组件10固定在光学平台上。
2、再将对准板放在第二光学调整架22后(定义此位置为近场)，调整第一光学调整架21后面的手轮，使得光斑恰好通过对准板中心。
3、将第二笼杆92的光学元件全部滑动至分光组件50一侧，再将对准板放置在紧挨着扩束器中第一透镜的右侧(图1所示的右侧为右、左侧为左，并定义此位置为远场)，调节第二光学调整架22后的手轮，使光斑恰好通过对准板。
4、再把对准板放置在近场，调节第一光学调整架21的调节手轮，使光斑通过对准板中心，对准板放置在远场，调节第二光学调整架22的调节手轮，使光斑通过对准板中心，重复这个过程，直到光斑在近场和远场都恰好通过对准板中心。
5、然后再将第二笼杆92的光学元件分开。扩束器中小孔滤波器和第一透镜移到第二笼杆92的右侧，并靠近，使得小孔滤波器处于光斑聚焦的位置，在小孔滤波器后放小纸片，调节小孔滤波器上的x平移和y平移手轮，使得小纸片上光最强，此时通过旋转扩束器中的第一透镜微调透镜的位置，直到小纸片上光最强，微调小孔滤波器上的x平移和y平移，使得通过小孔滤波器的光斑亮度最亮且均匀，并且无衍射。
6、将对准板放在分光组件50前，微调第二光学调整架22和二维调整架320，使得光斑正好处于对准板中央，移动扩束器中第二透镜的位置，通过观察观察屏642上光斑的大小将光斑调成平行光束，使其既不发散也不汇聚。
至此，完成光路调节。
几个实验的操作过程如下，其中，为方便描述，SLM即为空间光调制器61。
(实验一)结构测量：
1、搭建光路，借助对准板将激光光源的出射光调至光路的中心。方法为微调激光光源的俯仰，使得激光在激光光源后及SLM前都能够正好通过对准板的中心。微调SLM的俯仰，将对准板放置在第四笼杆上，使得光束正好通过对准板中心。功率计设置在第四笼杆之后。
2、SLM不通电。
3、激光光源出射的光斑直接打在SLM上，用观察屏642接收反射光斑。用卷尺测量SLM到分光棱镜的距离，分光棱镜到观察屏642的距离，0级和1级衍射光之间的距离b，计算像素大小。
4、用功率计测量0级和1级衍射光的功率，计算开口率的大小。
(实验二)振幅调制(一)：
1、光路包括激光光源、光反射组件、扩束器(包括小孔滤波器)、起偏器400、在多块笼板64上只设置检偏器和功率计，本实验不需要第三光学调整架63，因此拿小纸板挡掉这一路光。
2、第一步寻找配向角。SLM启动，去掉检偏器，选择相位调制菜单下的迈克尔逊干涉实验，调节灰度1，直到在观察屏642上观察到的反射光斑中间有一条清晰的分界线，旋转起偏器400，直到中间分界线看不清楚，此时调节灰度1和灰度2会发现观察屏642上光斑的左右两部分亮度都不变化，此时记录起偏器的角度即为配向角，配向角大约在45度附近。
3、接下来光路中加入检偏器，注意检偏器的方向(零刻度线在左侧)，光从可旋转面入射，将起偏器400角度旋转为配向角减去45°，检偏器角度旋转为配向角加上45°，此时SLM处于振幅调制状态。
4、选择振幅调制菜单下的振幅调制(一)实验，改变灰度值，在观察屏642上观察光斑的亮度，微调起偏器400和检偏器角度使得出射光在灰度为0和255时最暗，此时灰度从0到255变化，光斑强度会以最暗到最亮再到最暗的趋势变化，此时表明起偏器400和检偏器角度调整合适。
5、在检偏器后方固定功率计的探头，调节高度使得光斑正好打在功率计探头的中心。灰度值每隔10改变一次，用功率计测量出射光的功率变化(值稳定后再读数)，并记录，并绘制功率随灰度的变化曲线。记录光强最强和最弱时对应的灰度值，为以后做其他振幅调制实验做准备。
(实验三)振幅调制(二)：
1、光路包括激光光源、光反射组件、扩束器(包括小孔滤波器)、起偏器400、在多块笼板64上设置检偏器以及拍摄装置(如CCD)，本实验不需要第三光学调整架63，因此拿小纸板挡掉这一路光。
2、启动SLM，旋转起偏器400与检偏器使得SLM工作在振幅调制状态(参考实验二的方法及结果)。
3、在检偏器后方固定CCD，注意光斑的中心打至CCD镜头的中心，连接CCD数据线。
4、选择振幅调制菜单下的振幅调制(二)实验，改变灰度值，调整CCD软件中的曝光时间，使得光强最强时，没有达到饱和状态，灰度值每隔10用CCD拍摄当前的光强度图片，并分别保存，命名方式最好以当前的灰度值命名。
5、将保存的CCD采集的图片导入多功能光学教学系统软件中，计算导入图片的平均灰度值，并记录，绘制输出光灰度随SLM上输入图像灰度的变化曲线。
(实验四)偏振态的调制：
1、光路包括激光光源、光反射组件、扩束器(包括小孔滤波器)、起偏器400、在多块笼板64上设置检偏器以及观察屏642，本实验不需要第三光学调整架63，因此拿小纸板挡掉这一路光。
2、起偏器400角度调至振幅调制时的角度。SLM不通电，旋转检偏器，直到观察屏642上光斑强度最大，记录检偏器角度。
3、启动SLM，选择振幅调制菜单下的偏振态的调制实验，灰度值设置为0，旋转检偏器，至观察屏642上的光斑强度最大，记录此时检偏器的角度。灰度值每增加30，旋转检偏器，至观察屏642上的光斑强度最大，记录检偏器的角度，直到灰度值调至255，测试结束。测试3次，求检偏器角度的平均值，记录数据。
4、测试结束后拿检偏器角度减去起偏器400角度，得出入射光偏振方向的改变量，最后绘制出偏振态随灰度值的变化曲线，值得注意的是如果检偏器角度大于180度，则用读取的数据减去180度记为检偏器的角度。
(实验五)实时图像变换：
1、光路包括激光光源、光反射组件、扩束器(包括小孔滤波器)、起偏器400、在多块笼板64上设置检偏器和观察屏642，本实验不需要第三光学调整架63，因此拿小纸板挡掉这一路光。
2、旋转起偏器400及检偏器使SLM工作在振幅调制状态(参考实验二的方法及结果)。
3、选择振幅调制下的实时图像变换实验，选择图像1，通过操作软件中的大小、xy偏移参数设置图像，调节灰度1和灰度2，使得观察屏上观察到的图像对比度最高，记录检偏器的角度。
4、旋转检偏器，至观察屏642上出现边缘增强的微分图像，记录检偏器的角度。
5、接着旋转角度，至观察屏642上出现对比度相反的图像，也就是负像，记录检偏器的角度。
6、针对图像2可再做一次实验。
7、将两幅图像进行相加或相减，观察图像的变化。
(实验六)Talbot影像：
1、光路包括激光光源、光反射组件、扩束器(包括小孔滤波器)、起偏器400、在多块笼板64上设置检偏器以及拍摄装置(如CCD)，本实验不需要第三光学调整架63，因此拿小纸板挡掉这一路光。
2、调整起偏器400与检偏器角度使得SLM工作在振幅调制状态(参考实验二的方法及结果)。
3、操作软件中选择振幅调制菜单下的Talbot影像实验，调节灰度1和灰度2，使得灰度1处光最强，灰度2对应的光最弱。
4、保持灰度1和灰度2不变，设定缝宽和周期值，连接CCD，开启CCD应用软件，调节CCD的高度使得CCD镜头中心与光斑的中心高度相等，前后移动CCD，分别寻找该光栅的清晰像，对比刚好相反的像以及周期变为一半且对比度降低的影像，保存图片，测量SLM到像之间的距离，并记录在表格中。这个位置包含SLM到分光棱镜中心的距离，分光棱镜中心到CCD镜头的距离，并需要减掉CCD镜头的成像距离。
5、控制缝宽不变，改变周期，多做几组实验，并总结规律。控制周期不变，改变缝宽，观察Talbot影像的位置有无影响。
(实验七)像素大小的测量：
1、光路包括激光光源、光反射组件、扩束器(包括小孔滤波器、并在螺纹笼板41上设置聚焦镜)、起偏器400、在多块笼板64上设置对准板以及拍摄装置(如CCD)，本实验不需要第三光学调整架63，因此拿小纸板挡掉这一路光。
2、小孔滤波器后面的笼板上加焦距为75毫米的聚焦镜。在分光棱镜前设置对准板，移动聚焦镜，使得入射光在分光棱镜前聚焦，且焦点正好通过对准板的中心，如果不能通过，则微调第二光学调整架22的手轮和小孔滤波器上的二维调整架320。
3、SLM无需通电，起偏器400角度随意。测量SLM液晶光阀距离对准板的距离d。
4、调节CCD的位置，直到看到清晰的液晶像素的Talbot图像，保存图像并记录CCD距SLM的距离Z1，此距离应该包含两部分，一部分是SLM液晶光阀距离分光棱镜中心的距离a，一部分是CCD镜头距离分光棱镜中心的距离b，并且需要减掉CCD镜头的成像距离c。
5、向后移动CCD，直到再次看到清晰的Talbot图像，保存图像并记录CCD距SLM的距离Z2。
6、再次移动CCD，直到再出现清晰的Talbot图像，保存图像并记录CCD距SLM的距离Z3。
7、根据记录的几组数据，CCD镜头的成像距离，以及CCD采集到图像中N个液晶像元的大小，计算SLM的像素大小，计算时，可多取几个像素，多算几组，以此减小误差。
(试验八)空间滤波器：
1、光路包括激光光源、光反射组件、扩束器(包括小孔滤波器、并在螺纹笼板41上设置聚焦镜、在小孔滤波器和聚焦镜之间设置十字的光学网格)、起偏器400、在多块笼板64上设置检偏器、聚焦镜以及拍摄装置(如CCD)，本实验不需要第三光学调整架63，因此拿小纸板挡掉这一路光，CCD采集信号。
2、启动SLM，调整起偏器400与检偏器角度使得SLM工作在振幅调制状态。
3、操作软件中选择振幅调制菜单下的空间滤波器实验。空间滤波器后面的笼板上先不加聚焦镜和光学网格，选择光学单缝，调节灰度1和灰度2，使得入射光通过SLM后恰好使得光学单缝处光透过，其他部分光挡掉。加上聚焦镜和光学网格，移动光学网格使得网格的频谱恰好落在液晶面板上，可以通过在CCD中观察，前后微调光学网格位置，CCD中成的像最清晰时频谱就落在液晶面板上了。
4、旋转光学网格，使得CCD中观察到的光学网格保持水平或垂直。调节软件中的缝宽和y平移，直到CCD中观察到清晰的横向滤波后的图像，保存图像，这就是横向滤波。改变角度，配合x平移与y平移，用CCD采集纵向滤波，斜45度滤波后的信号。
5、低通和高通实验类似，低通滤波是在操作软件中选择圆孔，灰度1和灰度2调成与加载光学单缝时相同。将孔大小调大，寻找液晶面板上0级频谱的位置，接着配合二维调整架320，调整孔的大小，使得入射光的0级频谱恰好通过小孔滤波器的中心，用CCD采集滤波后的信号；
6、高通滤波是在操作软件中选择圆斑，灰度1和灰度2调成与加载单缝时相反，即出射光斑变为圆斑处暗，四周亮，将孔大小以及x平移、y平移设置成与低通滤波一样的数值。此时，圆斑恰好挡住入射光的0级频谱，用CCD采集高通滤波后的信号，保存图像。
(实验九)空间滤波实验：
1、光路包括激光光源、光反射组件、扩束器(包括小孔滤波器)、起偏器400、在多块笼板64上设置检偏器、第一个聚焦镜、光学狭缝、第二个聚焦镜以及拍摄装置(如CCD)，本实验不需要第三光学调整架63，因此拿小纸板挡掉这一路光。
2、调整第一个聚焦镜的位置，使得SLM处于第一个聚焦镜的前焦面上，将第二个笼板移动到第一个聚焦镜的后焦面上，调整第二个聚焦镜的位置，使得光学狭缝处于第二个聚焦镜的前焦面上。
3、启动SLM，调整起偏器400与检偏器角度使得SLM工作在振幅调制状态。
4、操作软件中选择空间滤波实验。改变灰度1和灰度2使得产生的网格亮暗对比度最高。
5、小孔滤波器。设置缝宽和周期(周期不能太大)，将对准板放置在第一透镜的后焦面上，微调SLM的俯仰，直至0级光的焦点正好通过对准板的中心，用CCD采集信号。
6、拿掉对准板，加上光学狭缝，微调光学狭缝位置使得光学狭缝处于第一个聚焦镜的后焦面上，旋转光学狭缝，分别用CCD拍摄0°，45度，90°以及负45度滤波的图像并保存，观察各种滤波情况下图样的区别。可以改变缝宽、周期，多做几组实验。
(实验十)成像与投影：
1、光路包括激光光源、光反射组件、扩束器(包括小孔滤波器)、起偏器400、在多块笼板64上设置检偏器、第一个聚焦镜、对准板、第二个聚焦镜以及观察屏642，本实验不需要第三光学调整架63，因此拿小纸板挡掉这一路光。
2、第一聚焦镜为短焦透镜，移动第一聚焦镜使得液晶面板处于这个短焦透镜的前焦面上，微调SLM的俯仰，直至0级光的焦点正好通过对准板的中心，再在对准板后方放置第二个聚焦镜(短焦透镜)，移动第二个聚焦镜使得对准板处于第二个聚焦镜的前焦面上，在第二个聚焦镜的后焦面上放置观察屏642。
3、启动SLM，旋转起偏器400及检偏器使SLM工作在振幅调制状态。
4、在操作软件中选择振幅调制下的成像与投影实验，在操作软件右侧的图像区域点击鼠标左键输入文字或字母，输入完成后点击左键获得图像，可以在软件中调节字的大小及位置，获得文字图像后调节灰度1和灰度2，微调光路使得观察屏642上观察到的图像对比度最好。
5、这样生成的图像较小，为了便于观察，也可以去掉第二个聚焦镜在观察屏642上观察放大的像。
(实验十一)双缝干涉：
1、光路包括激光光源、光反射组件、扩束器(包括小孔滤波器)、起偏器400、在多块笼板64上设置检偏器、聚焦镜以及拍摄装置(如CCD)，本实验不需要第三光学调整架63，因此拿小纸板挡掉这一路光。
2、CCD采集干涉条纹。
3、启动SLM，调整起偏器400与检偏器角度使得SLM工作在振幅调制状态。
4、在操作软件中选择振幅调制菜单下的双缝干涉实验，将缝宽调大，调节灰度1和灰度2使得在观察屏642上观察到双缝的对比度最高，也就是缝最亮，其余地方光最弱。
5、调节双缝间隔，及缝宽，用CCD采集干涉条纹并保存，改变双缝间距多做几组实验。在双缝间距很小的时候用肉眼也可以看到清晰的干涉条纹。
(实验十二)衍射：
1、光路包括激光光源、光反射组件、扩束器(包括小孔滤波器)、起偏器400、在多块笼板64上设置检偏器、聚焦镜以及拍摄装置(如CCD)，本实验不需要第三光学调整架63，因此拿小纸板挡掉这一路光。聚焦镜的焦距为75毫米，CCD用于采集干涉条纹。
2、启动SLM，调整起偏器400与检偏器角度使得SLM工作在振幅调制状态。
3、操作软件中选择振幅调制菜单下的衍射实验，选择单缝，将缝宽调大，调节灰度1和灰度2使得在观察屏642上观察到双缝的对比度最高，也就是缝最亮，其余地方光最弱。
4、保持灰度1和灰度2不变，调节缝宽，用CCD采集衍射条纹并保存，改变缝宽，用CCD采集不同缝宽情况下的衍射条纹。
5、同样的道理完成圆孔、光栅及其他规则图形的衍射实验(保持灰度1和灰度2与单缝衍射时相同)。
(实验十三)双缝干涉法研究SLM的相位调制特性：
1、光路包括激光光源、衰减片、光反射组件、扩束器(包括小孔滤波器)、起偏器400、在多块笼板64上设置检偏器以及拍摄装置(如CCD)，本实验不需要第三光学调整架63，因此拿小纸板挡掉这一路光。
2、启动SLM，调整起偏器400与检偏器角度使得SLM工作在振幅调制状态。
3、操作软件中选择振幅调制菜单下的双缝干涉法研究SLM的相位调制特性实验。将缝宽调大，改变灰度2和灰度3，使得透过单缝的光最亮，其他地方光最暗。
4、将灰度1调至0，改变操作软件中的y平移，直到在CCD中正好采集到灰度变化的地方。设定缝宽和间距(间距尽量设置在10以内)，用CCD拍摄干涉条纹，灰度1从何灰度2一样的值开始改变，用CCD采集干涉条纹，灰度每隔30采集一次干涉条纹，并保存。
(实验十四)迈克尔逊干涉：
1、光路包括激光光源、光反射组件、扩束器(包括小孔滤波器)、起偏器400、在多块笼板64上设置检偏器以及拍摄装置(如CCD)，本实验需要第三光学调整架63及其第三反射镜630。
2、第一步是寻找配向角。SLM正常启动，去掉检偏器400，操作软件中选择相位调制菜单下的迈克尔逊干涉实验，调节灰度1，至在观察屏642观察到的反射光斑中间有一条清晰的分界线，旋转起偏器400，直到中间分界线看不清楚，此时调节操作软件中的灰度1和灰度2会发现观察屏642上光斑的左右两部分亮度都不变化，此时记录起偏器400的角度即为配向角(配向角约在45°附近)。加上检偏器，旋转检偏器至和起偏器400一样的角度。
3、启动SLM，打开软件，选择迈克尔逊干涉实验，在检偏器后面放置对准板，用观察屏642观察，调节SLM和第三反射镜630的调节手轮，使得经SLM和第三反射镜630反射的光在观察屏642上重合，拿掉对准板，此时两光束一般情况就会发生干涉。
4、如干涉条纹太细看不清，可以在检偏器后面的放置焦距为75毫米的透镜，移动观察屏642，观察干涉条纹的放大像。
5、移除透镜和观察屏642，架设CCD，调节第三反射镜630的调节手轮，将干涉条纹调成水平，灰度2保持255不变，灰度1每改变20用CCD采集干涉条纹并保存，注意重点要采集和观察灰度1和灰度2交界的地方。
6、计算干涉条纹偏移量，并计算相位改变量。
7、绘制相位调制曲线。
(实验十五)数字全息再现：
1、光路包括激光光源、光反射组件、扩束器(包括小孔滤波器)、起偏器400、在多块笼板64上设置检偏器、聚焦镜以及观察屏642，本实验不需要第三光学调整架63，因此拿小纸板挡掉这一路光。
2、启动SLM，调节起偏器400和检偏器使SLM工作在相位调制状态。
3、操作软件中选择相位调制菜单下的数字全息再现实验，软件安装包中提供了几幅计算好的全息图，可直接导入观察再现像。微调起偏器400和检偏器的角度使得观察屏642上的再现像最清晰。更换不同焦距的聚焦镜，观察再现像的变化。
4、可以从本地导入其他图形，软件中提供了两种全息算法，将导入的图像转换成全息图，在透镜的焦平面上观察导入图像的再现像。
5、另外，软件提供了绘制图像功能，可以将写上的文字或字符转换完成全息图进行再现。
(实验十六)移相式数字全息：
1、光路包括激光光源、光反射组件、扩束器(包括小孔滤波器)、起偏器400、在多块笼板64上设置检偏器以及拍摄装置(如CCD)，本实验在第三光学调整架63上切换设置第三反射镜630或硬币、并在SLM与分光组件50之间设置衰减片。
2、启动SLM，调整起偏器400与检偏器角度使得SLM工作在相位调制状态。
3、操作软件中选择移相式数字全息实验，在检偏器后面放置对准板，调节SLM和第三反射镜630的调节手轮，使得经SLM和第三反射镜630反射的光都打至对准板小孔的旁边(为了避开中央杂散光)。微调SLM和第三反射镜630的调节手轮，直至在观察屏642观察到经SLM和第三反射镜630反射的光完全重合。
4、拿掉对准板，此时两光束一般情况就会发生干涉，微调SLM和第三反射镜630上的调节手轮使得干涉程度最大，干涉条纹数最少。
5、将硬币放置在第三反射镜630前方，用小纸片挡掉SLM反射的光，在聚焦镜后方前后移动观察屏642，找到硬币最清晰的像，拿掉观察屏642，在聚焦镜后放置CCD，CCD倍率调至最小(0.7)，移动CCD使得CCD的像面处于观察屏642刚处的位置，前后移动CCD找到硬币清晰的像，旋转硬币，使得CCD采集到的图像最清晰。用胶带在边缘固定硬币。
6、拿掉SLM前的纸片，将CCD倍率调至最大(4.5)，用CCD分别采集灰度为0、64、128、192时候的干涉图样，并保存。
7、将保存的四幅图案导入到软件中的移相式数字全息实验中，点击重构可以得到硬币经过移相式数字全息以后的再现图像，调节参数，直到得到清晰的再现像。
(实验十七)菲涅尔透镜：
1、光路包括激光光源、光反射组件、扩束器(包括小孔滤波器)、起偏器400、在多块笼板64上设置检偏器以及观察屏642，本实验不需要第三光学调整架63。
2、启动SLM，调整起偏器400与检偏器角度使得SLM工作在相位调制状态。
3、操作软件中选择菲涅尔透镜实验，选择所用SLM的像元大小，给定焦距，前后移动观察屏642，找到入射光经过SLM后的焦点位置，微调起偏器400和检偏器角度，使得聚焦情况最好。测量SLM到焦点的距离并记录。这个距离包含两部分，SLM液晶面板到分光棱镜中心的距离，以及分光棱镜到观察屏642的距离。
4、实际测量的焦距与软件中的理论焦距进行对比，求误差，通过改变软件中的x平移和y平移参数，观察观察屏642上光斑的变化。
(实验十八)中空光束：
1、光路包括激光光源、光反射组件、扩束器(包括小孔滤波器)、起偏器400、在多块笼板64上设置检偏器以及拍摄装置(如CCD)，本实验不需要第三光学调整架63，CCD采集信号。
2、启动SLM，调整起偏器400与检偏器角度使得SLM工作在相位调制状态。
3、操作软件中选择中空光束，选择所用SLM的像元大小。
4、架设CCD，调节软件中的x平移和y平移，使得CCD能够拍摄到光斑，改变焦距，直到CCD中采集到中空光束，可微调起偏器400和检偏器的角度改善产生的中空光束的质量。
5、记录CCD到SLM的距离。这个距离包含SLM液晶面板到分光棱镜中心的距离，以及分光棱镜到CCD的距离，并减掉CCD镜头的成像距离。
6、前后移动观察屏642，找到入射光经过SLM后的焦点位置，测量SLM到焦点的距离并记录。
7、改变CCD位置多做几次实验。
(实验十九)光束变换：
1、光路包括激光光源、光反射组件、扩束器(包括小孔滤波器)、起偏器400、在多块笼板64上设置检偏器以及观察屏642，本实验不需要第三光学调整架63。
2、启动SLM，调整起偏器400与检偏器角度使得SLM工作在相位调制状态。
3、操作软件中选择光束变换，选择所用SLM的像元大小，给定焦距，分别加载球面波和柱面波图样，前后移动观察屏642，找到焦点位置，微调起偏器400和检偏器角度，使得聚焦情况最好。
4、测量SLM到焦点的距离并记录，这个距离包含两部分，SLM液晶面板到分光棱镜中心的距离，以及分光棱镜到观察屏642的距离。实际测量的焦距与软件中的理论焦距进行对比，求误差，通过改变软件中的x平移和y平移参数以及旋转角度，观察观察屏642上光斑的变化。
5、通过软件加载平面波，改变衍射角度和旋转角度，在观察屏642上观察光斑的变化。
(实验二十)平面波与其他波形的干涉：
1、光路包括激光光源、光反射组件、扩束器(包括小孔滤波器)、起偏器400、在多块笼板64上设置检偏器以及观察屏642，本实验需要第三光学调整架63及其第三反射镜630。
2、启动SLM，调整起偏器400与检偏器角度使得SLM工作在相位调制状态，由第三反射镜630反射的光斑此时可能很弱，可以微调起偏器400的角度。
3、软件中选择迈克尔逊干涉实验，检偏器后面放一个对准板，调节SLM和第三反射镜630的调节手轮，使得经SLM和第三反射镜630反射的光都处于对准板的中心，并且透过对准板中心在观察屏642上重合，拿掉对准板，此时两光束一般情况就会发生干涉。
4、此时干涉条纹一般都会很细，不便于观察，可以在检偏器后面的笼板上放置焦距为75毫米的透镜，在观察屏642上观察干涉条纹的放大像。
5、调出迈克尔逊干涉条纹后软件中选择平面波与其他波形的干涉实验，选择所用SLM的像元大小，调节软件中的参数，观察平面波与其他波形的干涉结果。
(实验二十一)色散：
1、光路包括白光源(可用手电筒)、光反射组件、扩束器(包括小孔滤波器)、起偏器400、在多块笼板64上设置检偏器、聚焦镜以及观察屏642，本实验不需要第三光学调整架63及其第三反射镜630，观察屏642用于观察衍射谱。
2、正常启动SLM，调整起偏器400与检偏器角度使得SLM工作在相位调制状态。
3、软件中选择色散实验，在透镜的焦平面上用观察屏642观察衍射谱。在软件中改变衍射角度和旋转角度，观察衍射谱的变化。
本申请实验采用反射式的SLM，不同的实验是通过软件改变加载在SLM上的图片，且每个实验所需要的光学元件都稍有差距，实验时只需要更换或取掉个别光学元件，用CCD、功率计或观察屏642记录实验结果，并根据记录的结果进行数据处理。本申请实验操作与传统实验相比更加的方便快捷，实时操作，实验效果显著，还可以通过本申请熟悉CCD及功率计的使用，而SLM的特性为学生自行设计实验留有一定的空间。
以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种基于反射式空间光调制器的笼式多功能光学实验设备，其特征在于，所述光学实验设备包括:
光源组件，用于设置光源；
光反射组件，与所述光源组件对应间隔设置，用于设置反射镜并通过所述反射镜对来自光源的光进行反射传输；
扩束器组件，与所述光反射组件间隔设置、并位于所述光反射组件对光进行反射传输的路径上，用于设置扩束器并通过扩束器对反射镜反射传输的光进行扩束、滤波处理；
起偏器组件，与所述扩束器组件间隔设置，用于设置起偏器并通过起偏器对经过扩束器扩束、滤波处理的光进行处理以得到偏振光；
分光组件，与所述起偏器组件间隔设置，用于设置分光棱镜并通过分光棱镜对所述偏振光进行分光处理；
光学处理分析组件，与所述分光组件间隔设置，用于设置空间光调制器，以及用于设置检偏器、功率计、拍摄装置、光学狭缝、光学网格、观察屏、聚焦镜、对准板、反射镜和衰减片的至少其中之一；
笼式组装件，用于将所述光源组件、光反射组件、扩束器组件、起偏器组件、分光组件和光学处理分析组件进行可拆卸式组装成一体。
2.根据权利要求1所述的光学实验设备，其特征在于：
所述光反射组件包括：
第一光学调整架，与所述光源组件邻近设置，用于设置反射镜并通过所述反射镜改变来自光源的光的传输路径；
第二光学调整架，与所述第一光学调整架连接设置并邻接所述扩束器组件，用于设置反射镜并通过反射镜对来自所述第一光学调整架的反射镜的光进行二次反射；
所述笼式组装件包括：
多根第一笼杆，第一笼杆的一端连接所述第一光学调整架，第一笼杆的另一端连接所述第二光学调整架。
3.根据权利要求2所述的光学实验设备，其特征在于，所述笼式组装件还包括：
多个柱状接杆套件，嵌设于所述第一光学调整架的多个几何边角位置，用于实现所述第一笼杆的一端与所述第一光学调整架的紧固连接、并通过顶丝固定。
4.根据权利要求2所述的光学实验设备，其特征在于，所述笼式组装件还包括：
多根第二笼杆，用于依序将所述第二光学调整架、所述扩束器组件、所述起偏器组件和所述分光组件依次连接。
5.根据权利要求4所述的光学实验设备，其特征在于，所述扩束器组件包括依序设置的：
第一笼板，与所述第二光学调整架邻接，用于设置扩束器的第一透镜；
第二笼板，与所述第一笼板邻接，用于设置扩束器的小孔滤波器；
第三笼板，与所述第二笼板邻接，用于设置扩束器的第二透镜。
6.根据权利要求5所述的光学实验设备，其特征在于，所述多根第二笼杆依序串联所述第一笼板、第二笼板和第三笼板，并用顶丝固定。
7.根据权利要求1所述的光学实验设备，其特征在于，所述光学处理分析组件至少包括：
四维调整架，与所述分光组件邻近设置，用于设置所述空间光调制器，并可调整所述空间光调制器的四维方向；
第三光学调整架，与所述分光组件连接设置，用于设置反射镜；
多块笼板，与所述分光组件连接设置，用于设置光学网格、聚焦镜、对准板和衰减片的至少其中之一。
8.根据权利要求7所述的光学实验设备，其特征在于，所述笼式组装件还包括：
多根第三笼杆，用于实现所述第三光学调整架与所述分光组件的连接；
多根第四笼杆，用于依次连接所述多块笼板并实现所述多块笼板与所述分光组件的连接。
9.根据权利要求8所述的光学实验设备，其特征在于，所述多根第三笼杆与所述第三光学调整架之间通过螺纹实现固定连接，所述多根第四笼杆与所述多块笼板之间依次连接，所述多根第四笼杆与所述分光组件之间通过顶丝固定连接。
10.根据权利要求2所述的光学实验设备，其特征在于，所述笼式组装件还包括：
多根第五笼杆，与所述第一光学调整架顶丝连接，用于设置并固定所述光源组件、或用于设置光学元件。
11.根据权利要求1-10任一项所述的光学实验设备，其特征在于，所述笼式组装件还包括：
支撑架，用于支撑所述光学实验设备并调整其高度位置。
12.一种笼式多功能光学实验系统，其特征在于，其包括根据权利要求1-12任一项所述的光学实验设备，所述光学实验设备用于配置不同的光学元件，以进行结构测量、振幅调制、偏振态的调制、实时图像变换、Talbot影像、像素大小的测量、空间滤波器、空间滤波实验、成像与投影、双缝干涉、衍射、双缝干涉法研究SLM的相位调制特性、迈克尔逊干涉、数字全息再现、移相式数字全息、菲涅尔透镜、中空光束、光束变换、平面波与其他波形的干涉或色散的多种光学实验。
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