CN112767802A - 一种时域和光谱同时测量的低相干光源干涉实验教学演示装置 - Google Patents

一种时域和光谱同时测量的低相干光源干涉实验教学演示装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种时域和光谱同时测量的低相干光源干涉实验教学演示装置，包括：宽谱LED光源、LD光源、可选滤色片转盘、第一翻转架、两个光阑、准直系统、第一分束镜、第一反射镜、第二反射镜、第二分束镜、光谱仪、第二翻转架、光电探头、面阵CCD、数据采集卡、处理器；第一翻转架首先选通准直LD那一路的光，经过准直光阑和准直系统，调节光路准直、共轴，并接近等光程点。之后第一翻转架选通低相干宽谱LED光源，通过光谱仪辅助判断寻找等光程点。在等光程点附近扫描，观察光谱曲线的变化情况。通过第二翻转架的切换，实现CCD观察干涉条纹的空间分布和时域干涉信号测量模式的切换。本装置可提高低相干光源干涉演示装置和教学的物理性质演示的全面性。

Description

一种时域和光谱同时测量的低相干光源干涉实验教学演示 装置
技术领域
本发明涉及光学测量与光电检测领域，更具体地，涉及一种时域和光谱同时测量的低相干光源干涉实验教学演示装置。
背景技术
低相干干涉测量技术已被广泛的应用于各种场合，例如OCT医学成像系统，傅里叶光谱仪，这些都已发展出了成熟的商用系统，然而这些仪器一方面非常昂贵，另一方面系统集成度高，不利于教学演示。理解宽带光源的低相干性，包括时间相干性和空间相干性，因为其概念的抽象性，一直都是教学上的一个难点。低相干干涉测量技术在物理实验教学中通常用于测量透明介质的厚度和折射率，这些实验尽管具有一定的实用性，然而很难通过这些参数的测量而让实验者对光源的低相干特性有更加深入的理解。
2009年8月19日公开的中国专利CN101509828A公开了一种差动共焦－低相干干涉组合折射率及厚度测量方法与装置。该方法首先通过差动共焦定焦原理和低相干干涉原理分别确定被测样品的前表面位置和后表面位置对应的测量物镜和参考部分的位置，然后测量测量物镜的移动距离和参考部分的移动距离，代入公式计算被测样品的折射率和厚度。该装置仅能实现低相干干涉组合折射率及厚度测量，应用于教学显然是不能够全面演示低相干光源干涉的物理性质的。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的低相干光源干涉演示装置和教学的物理性质演示不够全面的缺陷，提供一种时域和光谱同时测量的低相干光源干涉实验教学演示装置。
所述装置包括：光源系统、两个光阑、准直系统、第一分束镜、第一反射镜、第二反射镜、第二分束镜、光谱仪、第二翻转架、光电探头、面阵CCD、数据采集卡、控制器；
所述两个光阑、准直系统、第一分束镜沿光源系统的出射光线方向依次设置；
第二反射镜设置在第一分束镜的透射光线方向上；第一反射镜设置在第一分束镜反射光线方向上；第二分束镜设置在第一分束镜反射光线的相反方向上；
光谱仪设置于第二分束镜的投射光线方向上；
第二翻转架、光电探头依次设置于第二分束镜的反射光线方向上；
面阵CCD设置在第二翻转架的反射光线方向上；
光谱仪用来采集光谱信号；光电探头用来采集时域扫描信号；面阵CCD用来采集空间条纹信号；
控制器用来实现对光谱仪、光电探头、面阵CCD的控制；
控制器还实现对光谱信号、时域扫描信号、CCD信号的处理以及对信号处理结果的显示。
优选地，所述光源系统包括LD光源和宽谱低相干光源；LD光源和宽谱低相干光源相互切换使用。
优选地，所述光源系统还包括第一翻转架；LD光源和宽谱低相干光源通过第一翻转架进行切换。
优选地，所述光源系统还包括可选滤色片转盘，可选滤色片沿宽谱低相干光源的出射光线方向设置于宽谱低相干光源和第一翻转架之间。可选滤色片转盘具有选择宽谱光源不同波段的作用，实现同一光源下的不同光谱范围的相干特性的测量。
优选地，所述两个光阑等高同轴设置。
优选地，所述准直系统由透镜组组成。用于光谱低相干光源的光线准直。
优选地，所述第一反射镜和第二反射镜中的其中一个反射镜带导轨，另一个反射镜带平移系统；所述平移系统通过控制器进行控制。
优选地，第一反光镜带平移系统，第二反光镜带导轨。
优选地，所述平移系统通过压电陶瓷驱动，所述压电陶瓷通过控制器进行控制。
优选地，所述平移系统通过步进电机驱动，所述步进电机通过控制器进行控制。
本发明所述低相干光源干涉实验的原理叙述如下：
光源的低相干性：
1.时间相干性：
为了研究光场的时间相干性，需要考察从光源发出的光波在空间同一点不同时间的相干性，通常是将光源发出的同一束光波分为两束，让它们经历不同的路程后再相遇。迈克尔逊干涉仪中，对于宽带点光源，两路光干涉的基本条件是频率相同，偏振相同，具有恒定的相位差。假设参与干涉的两路光除光程差以外其他条件都相同，即满足干涉条件。由光学知识可知其复相干函数，其归一化形式称为复相干度(更常用)：
Γ(τ)＝<u(t)u*(t+τ)>
Figure BDA0002858475600000031
复相干度反映的是参与干涉的两束波列在不同时间延迟下的相关程度，它与归一化的单边功率谱密度互为傅立叶变换，可以将复相干度实部的半高宽定义为相干时间或相干长度，在本专利描述中用Mandel定义形式的公式(7)表示。可见，光源的相干性与光源的谱线形状和宽度紧密相关。根据傅里叶变换的不确定性原理，通常光源的谱宽越宽，复相干度下降得也越快，相干时间或相干长度就越小，光源的时间相干性就越低。常见的谱线形状有矩形线型、高斯线型和洛伦兹线型三种，考虑高斯线型，其归一化的功率谱密度：
Figure BDA0002858475600000032
代入(2-1)，求其反傅里叶变换，得到高斯线型的复相干度，以及其实部：
Figure BDA0002858475600000033
对于两路只有光程差不同的宽带光干涉，其复相干度实部的形状即为改变光程差时干涉光信号的形状。图6和图7分别为模拟的高斯线型的功率谱密度和复相干度的实部。图6和图7即光谱、时域具有傅里叶变换的关系。
设两路光的光程差为Δs，对应的时间差为τ，则τ＝Δs/c，入射光的复振幅为u(t)，分光后参加干涉的两路光的复振幅分别为u1(t)＝K1*u1，u2(t)＝K2*u2(t+τ)，若样品没有吸收，则K1＝K2＝1。探测器上的叠加信号：
uD＝u1(t)+u2(t)＝K1u(t)+K2u(t+τ) (4)
由于探测器相对于光强是慢响应，探测器只能探测到光强，将复振幅带入光强的计算公式，得到：
ID＝<uD(t)·uD *(t)>＝<(K1u(t)+K2u(t+τ))·(K1u*(t)+K2u*(t+τ))>
＝K1 2<|u(t)|2>+K2 2<|u(t+τ)|2>+K1K2<u(t)u*(t+τ)>+K1K2<u*(t)u(t+τ)>
＝(K1 2+K2 2)I0+2K1K2Re[<u(t)u*(t+，τ)>] (5)
＝(K1 2+K2 2)I0+2K1K2Re[Γ(τ)]
＝2I0+2I0Re[γ(τ)]
干涉条纹对比度，即可见度：
Figure BDA0002858475600000041
相干时间：
Figure BDA0002858475600000042
干涉条纹对比度直接决定了信号强度的大小，对比度为1时则两束光完全相干，此时信号强度最大，脉冲峰值最大。对比度为0则完全不相干，此时没有信号。
2.空间相干性
实际采用的光源一般是扩展面光源，单点扫描的OCT系统利用的是等倾干涉，扩展光源会造成干涉条纹对比度的下降，因此必须保持高的空间相干性，通常的方法是限制光源的有效面积。扩展光源的空间相干性可以用空间复相干函数Γ12(0)和空间复相干度γ12(0)来描述，表达式如(8)：
Γ12(0)＝<u1(P1，t)u2 *(P2，t)>
Figure BDA0002858475600000043
空间上任意两点的空间相干性可以用杨氏双缝实验来描述，在等光程附近的干涉范围内的条纹对比度就反映了双缝所在位置的空间相干性。研究空间复相干函数在空间上的传播，由于时间相干和空间相干的问题同时存在，需同时考虑光的传播、衍射、干涉等性质，研究对象十分复杂。为了简化问题，假设光源满足准单色光条件。用互强度J12＝Γ12(0)和复相干因子μ12＝γ12(0)来表示准单色光情况下的空间相干性。实际上的宽带光源不一定满足准单色光条件，但是研究简化问题的假设下所得出的结论和现象是相似的，可以用于不严格的定性分析。
描述准单色光的互强度和复相干因子在空间上的传播可以用范西泰特-策尼克定理，如图8所示：
Figure BDA0002858475600000051
其中，
Δxi＝xi2-xi1
Δyi＝yi2-yi1
Figure BDA0002858475600000052
Figure BDA0002858475600000053
与相干长度类似，可以定义相干面积：
Ac＝∫∫|μ(Δxi，Δyi)|2dΔxiΔyi (11)
可以证明，对于形状任意、面积为As的均匀非相干准单色光源，在离光源d处的相干面积为：
Figure BDA0002858475600000054
由(12)可知，某个波长下描述空间相干性的相干面积主要的决定因素是光源面积和观察屏离光源的距离。对于宽带光源，若其他条件良好的情况下，光程差小于相干长度范围时将出现清晰的干涉条纹，若在等光程点条纹仍然不清晰，则是由于光源面积太大造成的，可以通过光阑限制光源面积或者增大距离的方法来增强条纹对比度。在OCT系统中，时间相干性是作为信号随扫描距离的变量，而空间相干性必须时时保持到最高的相干状态，否则就会导致条纹对比度显著降低，导致信号的损失。
3.光谱的干涉条纹
等光程点在OCT测量中是一个很重要和关键的位置。在等光程点附近，利用带反射镜的高精度平移装置进行扫描，采用光强探测器测量，可得到时域OCT测量，实质就是测量复相干度的实部。一般在时域OCT方式都采用快扫描，得到的是复相干度实部的包络，其实OCT测量是这个包络的光强随不同位置的变化来反映被测物体对光的不同回波响应。
如果采用光谱仪测量，在等光程点附近，由于不同波长的光在被测物体中经历不同的吸收、散射和折射等过程，在谱域OCT测量中，不同波长呈现不同的经历而引起不同的干涉响应，光谱仪测量得到的是干涉条纹形式的光谱。
4.OCT的时域理论
时域OCT技术通过测量样品后向散射回波的时间延迟来获取样品微观结构信息，对于非均匀的弱散射物体，需要用到Born和Wolf在1969年提出的散射近似理论来分析。本文研究的样品对象主要是结构简单的分层非生物均匀样品，回波的分析主要采用基础光学中的菲涅耳反射定律。
根据(5)，干涉信号可以表示为：
Figure BDA0002858475600000061
其中，Δs是样品反射界面和参考镜的光程差。若这两路光的初始延时为τ0，则：
Figure BDA0002858475600000062
假设样品有M层，每层样品的反射率为Rn，厚度为Δxn样品臂反射信号的电场可以表示为：
Figure BDA0002858475600000063
到达探测器的光强为：
Figure BDA0002858475600000064
其中，前两项为直流项，第三项为互相关项，第四项为自相关项。直流项的存在会减小测量的动态范围，在实验中应尽可能地减小直流项。第三项为互相关项，与光程差有关，是样品断层信号的来源。第四项是自相关项，对于我们的装置，由于样品不同层之间的光程差固定，而且通常样品层与层之间较厚，远超过了相干长度，因此并不会在扫描的时候引入干扰，可视为直流。
以样品为反射镜为例，则Rn＝1，M＝1。此时探测器接收到的光强为：
Figure BDA0002858475600000071
实际OCT时域测量曲线如图4所示。该扫描曲线具有一定的直流成分，含有光谱信息的交流成分则对应复相干度的实部。
5.OCT的频域理论
时域OCT和频域OCT的基本原理可以用傅里叶变换联系起来。在实验装置上实现从时域OCT转变到最简单的频域OCT也非常容易，只需要将单点测量的光电探测器换成光纤光谱仪就能实现，尽管在技术上有些差异，但是物理原理是相通的。本专利研究OCT的频域理论的目的是它可以应用于时域OCT系统的搭建过程，使寻找等光程点这一步骤变的更加容易。
考虑进入光纤光谱仪的光场：
Figure BDA0002858475600000072
复色光可以分解为不同频率的单色光的线型叠加，将(18)作傅里叶变换：
Figure BDA0002858475600000073
即：
Figure BDA0002858475600000074
Rn为样品每一层的反射率，Δxn为每一层距离样品臂的距离，G0(v)为参考臂的功率谱。考虑式(20)，前两项为光源的功率谱，第三项为样品光与参考光的互相关项，第四项为样品多层界面之间的自相关项。
考虑样品为反射镜，样品臂和参考臂的光程差为Δs，则(20)简化为：
Figure BDA0002858475600000075
观察(21)的特征，如图9所示，这是一个被余弦函数调制的光源功率谱，并且随着光程差的增大，调制频率就越大。根据这一特点，即使两臂光程差在相干长度范围以外，无法观测到干涉条纹，也能通过光谱仪的调制特性来寻找信号，寻找等光程信号的灵敏度取决于光谱仪的分辨率。通过观察光谱仪上的调制信号，不仅大大加快了寻找到等光程点的过程，还可以对光源干涉条纹的时、空相干性做出定性的判断，从而简化调试装置的过程。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本装置采用了光谱测量、时域扫描测量、空间条纹观察的三个通道，实现对光源的光谱、时域、条纹空间特性的同时演示。这些物理特性具有很强的关联性，不同特性之间是紧密联系的，放在同一个系统中进行演示，可以很大程度上地加深实验者对于光源的低相干特性的理解，从而弥补国内高校物理实验教学在这一领域的不足。
附图说明
图1：实施例1所述时域和光谱同时测量的低相干光源干涉实验教学演示装置示意图。
图2：LD光源(相干长度较长)干涉条纹的实测空间分布。
图3：宽谱LED光源的(相干长度较短)干涉条纹的实测空间分布。
图4：宽谱LED光源等光程点附近的实测时域扫描。
图5：宽谱LED光源距离等光程点-0.01mm处的实测干涉光谱
图6：高斯线型光谱(理论)。
图7：高斯线性光谱复相干度的实部(理论)。
图8：复相干度的空间传播示意图。
图9：实测的余弦调制的光源功率谱。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供一种时域和光谱同时测量的低相干光源干涉实验教学演示装置。
所述装置包括有宽谱光源、LD光源、可选滤色片转盘、第一翻转架(第一Flipper，带反射镜的翻转架，用于光路的切换)、两个光阑、准直系统、第一分束镜、带压电陶瓷或伺服电机的第一反射镜、第二反射镜、第二分束镜、光谱仪、第二翻转架、光电探头、面阵CCD、数据采集卡、控制器。第一翻转架首先选通准直LD那一路的光，经过准直两个光阑和准直系统，调节光路准直、共轴，并接近等光程点。之后第一翻转架选通低相干宽谱光源，通过光谱仪辅助判断寻找等光程点。之后在等光程点附近扫描，观察光谱曲线的变化情况。通过第二翻转架的切换，实现CCD观察干涉条纹和时域干涉信号测量模式的切换。光谱信号、时域扫描信号、CCD信号及压电陶瓷等控制，都在信号处理和控制及控制、显示系统中完成。本装置以实验教学为目的，具有调节简单、物理现象及实验现象丰富、易操作、成本低、灵活性好等优点，尤其适合于高校的物理实验教学推广。
具体而言，如图1所示，所述装置包括：光源系统、两个光阑、准直系统、第一分束镜、第一反射镜、第二反射镜、第二分束镜、光谱仪、第二翻转架、光电探头、面阵CCD、数据采集卡、控制器；
所述两个光阑、准直系统、第一分束镜沿光源系统的出射光线方向依次设置；
第二反射镜设置在第一分束镜的透射光线方向上；第一反射镜设置在第一分束镜反射光线方向上；第二分束镜设置在第一分束镜反射光线的相反方向上；
光谱仪设置于第二分束镜的投射光线方向上；
第二翻转架、光电探头依次设置于第二分束镜的反射光线方向上；
面阵CCD设置在第二翻转架的反射光线方向上；
光谱仪用来采集光谱信号；光电探头用来采集时域扫描信号；面阵CCD用来采集空间条纹信号；
控制器用来实现对光谱仪、光电探头、面阵CCD的控制；
控制器还实现对光谱信号、时域扫描信号、CCD信号的处理以及对信号处理结果的显示。
所述光源系统包括LD光源和宽谱低相干光源；LD光源和宽谱低相干光源相互切换使用。
所述光源系统还包括第一翻转架；LD光源和宽谱低相干光源通过第一翻转架进行切换。
所述光源系统还包括可选滤色片转盘，可选滤色片沿宽谱低相干光源的出射光线方向设置于宽谱低相干光源和第一翻转架之间。可选滤色片转盘具有选择宽谱光源不同波段的作用，实现同一光源下的不同光谱范围的相干特性的测量。
所述光源采用具有低相干的宽谱光源和用于光路准直及初步寻找等光程点的LD光源，通过Flipper1实现两个光源的切换。
第一反射镜和第二反射镜其中之一带导轨，另一面反射镜带高精度的平移系统，如压电陶瓷或伺服电机，实现时域扫描及等光程点的寻找。
所述光谱仪用于干涉光谱的测量。
第二翻转架用于光电探头和CCD光路的切换，光电探头用于采集干涉条纹时域扫描信号，CCD用于显示屏上观察空间分布的干涉条纹。
控制器用于光谱仪、数据采集卡、面阵CCD和反射镜平移系统(如压电陶瓷)的控制和同步，控制器为PC端+LabVIEW应用程序的组合，也可为嵌入式系统等。
下面结合附图对本实施例进行进一步说明。
所述装置的光源采用了两种光源，一种是LD光源，另一种是宽带光源。LD光源的相干长度较长，它有两个作用，第一是用于光路准直，配合两个等高共轴的光阑先后实现第二反射镜，第一分束镜，第一反射镜的等高共轴。然后通过导轨粗调+平移台细调的方式，使得LD干涉条纹不断收缩，直到接近等光程点时由圆条纹变成一整片、难以辨认条纹级数的状态，此时认为接近等光程点。
通过第一翻转架切换到宽带光源的光路，并观察光谱仪的光谱形状。此时应该观察到如图5所示的具有周期性的干涉谱，继续微调直到干涉谱的条纹只剩0～1个余弦调制周期，此时可在CCD上观察到如图3所示干涉条纹。
移动连接反射镜1的平移系统，首先从等光程点出发，往任一方向移动足够远的距离，然后往反方向进行两倍距离的扫描。这一过程中必须使得扫描距离大于光源相干的范围，从而捕捉到整个时域的干涉信号，如图4所示。同时观察光谱仪的情况，可以观察到干涉谱随光程变化的一系列变化行为。实现时域、谱域的同时观察。也可切换Flipper2，用CCD记录干涉条纹的空间分布情况，如图2和图3所示；其中，图2为单色光源的干涉条纹，图3为宽谱彩色光源的干涉条纹。
根据实验需求和配置，可以通过编程灵活设置时域测量系统，光谱测量系统，CCD拍摄系统，反射镜平移系统的同步，扫描速度，采样率等不同实验需求下的不同配置，光路中也可加入衰减器、色散材料等用于其它特性的研究。
本实施例采用了宽带光源具有低相干的特性，因此相干长度非常小。通过本实施例所述装置对干涉条纹的时域、谱域的测量，可以计算出光源和光路的许多特性，例如相干长度，相干面积，信号自相关和互相关，傅里叶变换光谱，色散情况等。这套系统因为其灵活性和全面性，非常适合用于实验教学演示，加深学生对光的相干性的理解和实验体验。
本实施例采用了光谱测量、时域扫描测量、空间条纹观察的三个通道，实现对光源的光谱、时域、条纹空间特性的同时演示；通过切换滤色片选择不同带宽的宽谱光源，在同一光源下实现不同光谱范围的时间相干特性的测量；利用光谱仪观察干涉信号的调制特性，辅助快速搜寻干涉等光程点和低相干干涉条纹。物理性质演示全面，实验现象丰富多彩，易于加深对抽象物理概念的理解，实验装置灵活，容易拓展成厚度测量、折射率测量、色散测量的装置。此外，还具有低成本、调节简单和操作简单等特点。
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种时域和光谱同时测量的低相干光源干涉实验教学演示装置，其特征在于，所述装置包括：光源系统、两个光阑、准直系统、第一分束镜、第一反射镜、第二反射镜、第二分束镜、光谱仪、第二翻转架、光电探头、面阵CCD、数据采集卡、控制器；
所述两个光阑、准直系统、第一分束镜沿光源系统的出射光线方向依次设置；
第二反射镜设置在第一分束镜的透射光线方向上；第一反射镜设置在第一分束镜反射光线方向上；第二分束镜设置在第一分束镜反射光线的相反方向上；
光谱仪设置于第二分束镜的投射光线方向上；
第二翻转架、光电探头依次设置于第二分束镜的反射光线方向上；
面阵CCD设置在第二翻转架的反射光线方向上；
光谱仪用来采集光谱信号；光电探头用来采集时域扫描信号；面阵CCD用来采集空间条纹信号；
控制器用来实现对光谱仪、光电探头、面阵CCD的控制；
控制器还实现对光谱信号、时域扫描信号、CCD信号的处理以及对信号处理结果的显示。
2.根据权利要求1所述一种时域和光谱同时测量的低相干光源干涉实验教学演示装置，其特征在于，所述光源系统包括LD光源和宽谱低相干光源；LD光源和宽谱低相干光源相互切换使用。
3.根据权利要求2所述一种时域和光谱同时测量的低相干光源干涉实验教学演示装置，其特征在于，所述光源系统还包括第一翻转架；LD光源和宽谱低相干光源通过第一翻转架进行切换。
4.根据权利要求3所述一种时域和光谱同时测量的低相干光源干涉实验教学演示装置，其特征在于，所述光源系统还包括可选滤色片转盘，可选滤色片沿宽谱低相干光源的出射光线方向设置于宽谱低相干光源和第一翻转架之间。
5.根据权利要求4所述一种时域和光谱同时测量的低相干光源干涉实验教学演示装置，其特征在于，所述两个光阑等高同轴设置。
6.根据权利要求5所述一种时域和光谱同时测量的低相干光源干涉实验教学演示装置，其特征在于，所述准直系统由透镜组组成。
7.根据权利要求6所述一种时域和光谱同时测量的低相干光源干涉实验教学演示装置，其特征在于，所述第一反射镜和第二反射镜中的其中一个反射镜带导轨，另一个反射镜带平移系统；所述平移系统通过控制器进行控制。
8.根据权利要求7所述一种时域和光谱同时测量的低相干光源干涉实验教学演示装置，其特征在于，第一反光镜带平移系统，第二反光镜带导轨。
9.根据权利要求8所述一种时域和光谱同时测量的低相干光源干涉实验教学演示装置，其特征在于，所述平移系统通过压电陶瓷驱动，所述压电陶瓷通过控制器进行控制。
10.根据权利要求8所述一种时域和光谱同时测量的低相干光源干涉实验教学演示装置，其特征在于，所述平移系统通过步进电机驱动，所述步进电机通过控制器进行控制。
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