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1、实验三十九 CCD 技术在双棱镜实验中的应用【实验目的】1掌握菲涅耳双棱镜获得双光束干涉的方法。2掌握用双棱镜测定光波的波长的方法。3了解 CCD 的工作原理及其应用。【实验原理】1菲涅耳双棱镜实验光的干涉现象是光的波动说的基础，而有两束相干光是干涉的必要条件。在实验中，通常是把由同一光源发出的光分成两个相干光束。产生相干光的方式可以分为两种：分振幅法和分波阵面法。双棱镜实验获得相干光的方法是分波阵面法。图 1 所示为经典的杨氏双缝干涉实验，是英国科学家托马斯杨在 1801 年设计的。线光源 S 发光，其波阵面经 S1、S 2 双狭缝分为两束，当符合相干条件时，在两个子波阵面交会的区域干涉，形
2、成明暗相间的平行直条纹。正是该实验，给始于牛顿和惠更斯的关于光的本质的争论中的波动说增加了重要的砝码。然而，微粒说的拥护者对该实验提出质疑，认为明暗相间的条纹并非真正的干涉图样而是光经过狭缝时发生的复杂变化。对此非议，在接下来的数年间，菲涅耳设计了几个撇开狭缝的干涉实验，为杨的实验提供了强有力的支持，下面就介绍其中之一的双棱镜干涉实验。双棱镜的结构如图 2 所示，将一块平玻璃板的上表面加工成两楔形，两端面与棱脊垂直，楔角较小（一般小于 1 度） 。当单色光源照射在双棱镜表面时，经其折射后形成两束好像由两个光源发出的光，即两列光波的频率相同，振动方向相同，相位差不随时间变化，那么，在两列光波相交
3、的区域内，光强的分布是不均匀的，满足光的相干条件，称这种棱镜为双棱镜。图 3 所示就是菲涅尔 1818 年设计的双棱镜干涉实验示意图。杨氏双缝干涉实验中的双端 面 楔 角楔 脊端 面 楔 角楔 脊图 2图 1图 3狭缝被一个双棱镜所取代。光源 S 发出的光经双棱镜折射而形成两束相干光，可视为分别从虚光源 S1、S 2 发出。在两光束相交的区域放置观察屏，在 P1、P 2 区间就可以观察到干涉条纹。也就是说，虚光源等效于双狭缝形成了光波的分波阵面干涉。如图 4 所示，设两虚光源的间距为 d ，它们到观察屏的距离为 L ，观察点 Px 的光强为：，)sin(co20I式中 为入射光的波长， 为两虚
4、光源的中点和 Px 点连线与光轴的夹角。当 时， ，即干涉光强极大。当 时，kdsin04I 2)1(sinkd，即干涉光强极小。因此在观察屏上可以看到明暗相间的干涉条纹。0I因为 ， 角很小，有 ，故L Lxsin对于明条纹，有 ，即： kxddk对于暗条纹，有 即： 2)1(L2)1(Lx因此，相邻两明条纹（或暗条纹）的条纹间距为： dx所以，在实验中只要测得条纹间距 ，就可以计算出干涉光源的波长：xLdx2CCD 技术CCD（Charge-Coupled Device，电荷耦合器件）是 20 世纪 60 年代中期开始出现的新型半导体光电转换器件。自问世以来，在钢铁、冶金、机械、石油化工、
5、航空、环保等支柱产业中得到了广泛的应用，并解决了许多技术难题。2009 年诺贝尔物理学奖之一授予了美国的 2 名科学家维拉博伊尔（Willard S. Boyle ） 和乔治史密斯（George E. Smith） ，即因为他们发明了“成像半导体电路电荷耦合器件图像传感器 CCD”。CCD 是由光敏单元、转移结构和输出结构组成的一种集光电转换、电荷储存和电荷转移为一体的光电传感器件。典型线阵 CCD 结构如图 5 所示。其中，光敏单元是 CCD 中注LS1S2d OxxIxPx图 4入信号电荷（光生电子）和存储信号电荷的部分；转移结构的基本单元是 MOS（Metal-Oxide-Semicon
6、ductor，金属氧化物半导体) 结构，它的作用是转移存储的信号电荷；输出结构是将信号电荷以电压或者电流的形式输出的部分。CCD 的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。工作时，需要在金属栅极上加一定的偏压，形成势阱以容纳信号电荷，电荷的多少与光强呈线性关系。电荷读出时，采用了一种电荷耦合（相邻两个势阱相互耦合）的方法。在一定相位关系的移位脉冲电压作用下，从一个位置移动到下一个位置，直到移至输出电极，经过电荷电压变换，转换为模拟信号。由于在 CCD 中每个像元的势阱所容纳电荷的能力是有一定限制的，所以如果光照太强，一旦电荷填满势阱，电子将产生“溢出”现象。CCD 图像传感器具有体积小、噪声低、分辨
7、率高、灵敏度高、功耗小、寿命长、抗震性及抗冲击性好、不受电磁干扰、可靠性高、便于数字化处理和便于与计算机接口等诸多优点。与 CMOS 图像传感器相比，亦有灵敏度高、分辨率高、噪声小、技术成熟等优势。在图像传感和非接触式精密测量技术中应用广泛，例如在摄像机、数码相机和扫描仪中，以及各类物体的尺寸、距离、三维特性测量等方面。随着 CCD 技术和理论的不断发展，CCD 技术应用的广度与深度必将越来越大。本实验中的光强测量系统，是利用线阵 CCD 器件接收光谱图形和光强分布，并利用示波器对采集到的数据进行显示处理（或利用计算机的强大数据处理能力对采集到的数据进行分析处理） ，通过直观的方式得到我们需要
8、的结果。【实验仪器】半导体激光器，扩束镜（已旋至激光器光源前） ，双棱镜，透镜，LM601S 型 CCD 光强分布测量仪，示波器，2 根 Q9Q9（BNCBNC）接口连接线，二维调节架，LM05 型光具座，3 个二维马鞍座，1 个三维马鞍座等。CCD 光强分布测量仪的核心是线阵 CCD 器件。CCD 器件是一种可以电扫描的光电二极管列阵，有面阵（二维）和线阵（一维）之分。LM601S 型 CCD 光强仪所用的是线阵CCD 器件，性能参数如下表。机壳尺寸为 150mm100mm50mm，CCD 器件的光敏面至光强仪前面板距离为 4.5mm。光敏元素 光敏元尺寸 光敏元中心距 光敏元线阵 有效长度
9、 光谱响应范围 光谱响应峰值2700 个 1111m 11m 29.7mm 0.30.9m 0.56mLM601S 型 CCD 光强仪后面板各插孔标记含义如下：“同步”：Q9 头，示波器型用。启动 CCD 器件扫描的触发脉冲，主要供示波器触发用。 “同步”的含意是“同步扫描” ，与示波器的触发端口相连。“信号”：Q9 头，示波器型用。 CCD 器件接受的空间光强分布信号的模拟电压输出端，与示波器的某一路 Y 信号端口相连。【实验内容】整套实验系统的安装如图 6 所示，具体调节步骤如下：1如图 6 所示，将半导体激光器，双棱镜（二维调节架上有两个簧片，保持双棱镜棱脊竖直将其放上二维调节架，并用这
10、两个簧片夹紧固定） ，CCD 光强分布测量仪放置在光图 5 典型线阵 CCD 结构示意图具座上，先不放置透镜。用目视法调整它们的中心等高，并使它们在平行于光具座的同一直线上，而且双棱镜底边应垂直于此直线。双棱镜与 CCD 光强仪之间的距离应尽可能满足远场条件（Ld，d 为两虚光源的间距） 。用 1 根双 Q9 头的信号线连接示波器的信号输入端和 CCD 光强仪后面板上的“信号”插口；用另 1 根双 Q9 头的信号线连接示波器的同步触发端（外触发方式）和 CCD 光强仪后面板上的“同步”插口。2打开半导体激光器，调节其电源盒上的旋钮使光源亮度适中。旋转半导体激光器光阑前的扩束镜，使出射的光沿水平
11、方向散开。精确调节激光器、二维调节架和 CCD 光强仪的高度，使激光束能够通过双棱镜中心，并入射到 CCD 光强仪前端的采光窗口（从而射到 CCD 线阵上） 。在调节过程中可以先在 CCD 光强分布测量仪前放置一白屏（白纸） ，用来观察干涉图样。调节激光器和二维调节架的水平调节手轮，使得白屏上的干涉条纹位于 CCD 光强仪中部。若条纹不清晰或倾斜，可以微调二维调节架的俯仰调节手轮。若条纹数目过少，可增加双棱镜与光源的距离；若条纹太细密，可减少双棱镜与光源的距离。综合以上各个因素，直至能观察到 10 条左右的条纹，且每条条纹宽度适当，条纹清晰可数为止。3移去白屏，用 CCD 光强分布测量仪测量干
12、涉条纹的间距x。图 7 为用 CCD 光强仪测量的干涉曲线图。为了提高测量精度，可以测出 n 条（例如 6 条）干涉条纹的间距，再除以 n - 1，即得x。57mm27.5mm 3.5mmA半导体激光器；B二维调节架+双棱镜；C成像透镜； DCCD 光强分布测量仪；E扩束镜图 6使用示波器测量条纹间距x，先要解决“定标”的问题，即示波器 X 方向上的 1 大格等于 CCD 器件上多少像元（或者等于 CCD 器件位置的多少距离） 。方法是调节示波器的“扫描时间”和“微调”旋钮，使信号波形的一帧正好对应于示波器上的某个刻度数。如果波形一帧正好对应于示波器上的满屏 10 大格，则每大格对应的实际空间
13、距离为：2700个像元10 格11m = 2970m = 2.970 mm，每小格对应的实际空间距离为：2.970mm5 = 0.594 mm。因不同型号的 CCD 光强分布测量仪采用的像元数不同，所以实验中以具体选用的 CCD 的型号来定标。注意：在实验中有时干涉条纹的强度不一，即在为了 CCD 接收图样时不至于饱和，减小激光器功率时，有时一些条纹会不能被 CCD 辨别，所以在实验中也可以在干涉区边缘选取连续的相邻两个条纹，计算其间距，多选取这样的几个值，去掉相差比较大的，再计算其平均值，也可得精度较高的干涉条纹间距x。4测 L 的值，即光源到 CCD 光敏面的距离。可以用米尺直接测量，也可
14、以通过参考图 6 从光具座读数后推算得出。若用米尺直接测量，要加上 CCD 光强仪前面板至光敏面的距离 4.5mm。5保持以上光源、双棱镜、CCD 光强分布测量仪原状（实验未完，切勿变动它们之间的间距） ，在双棱镜和 CCD 光强分布测量仪之间放上成像凸透镜，如图 6、图 9（俯视图）所示。移动凸透镜，寻找二虚光源 S1，S 2 经透镜后生成的像（必要时可以调节光源和二维调节架高度和水平调节手轮， ，但不可变动它们之间的间距，以使二像位于 CCD 光强A半导体激光器，B双棱镜， C透镜，D CCD 光强分布测量仪图 9图 8 虚光源经透镜后的成像曲线图（本实验中采用的 CCD 的分辨率为11m
15、）图 7 双棱镜干涉曲线图（本实验中采用的 CCD 的分辨率为11m）仪中部） 。细心观察二像的亮度和宽度的变化，注意辨认二虚光源的真实像（图 8 为虚光源经透镜后的成像曲线图） ，利用 CCD 测量像的间距 t。测量图 9（俯视图）中所示的a（光源到成像透镜的距离）和 b（成像透镜到 CCD 光敏面的距离）之值。由透镜成像放大公式得：两虚光源之间的间距 batd则可算出干涉光源的波长： Lx仪器使用和调节中有几点需要注意：（1）LM601S 型 CCD 光强分布测量仪有很高的光电灵敏度，在一般室内光照条件下已趋饱和，在示波器上显示出的采集曲线为全高。在没有暗室的情况下，可以在 CCD 光强仪
16、和二维调节架之间架设一个遮光筒（例如两端开口的封闭纸盒） 。 （2）如果采集到的曲线出现了“削顶” ，则有可能是 CCD 器件饱和，说明信号光过强（注意：不是环境光过强） ，这时可以减小激光器的功率。（3）调节干涉条纹中心与 CCD 中心一致。实验中为了使 CCD 发挥最佳效率，减小实验误差，需仔细调节干涉条纹中心与 CCD 光敏元中心一致，应尽量使干涉条纹集中到CCD 光敏区的中央位置；当 CCD 饱和了再降低激光器的功率，仔细调节使得激光器的功率小但 CCD 的相对光强为最大，即此时干涉条纹中心与 CCD 光敏元的中心基本吻合。（4）一般的干涉条纹是一种对称图形。但有时采集到的图形左右不对称，这主要是各光学元件的几何关系没有调好引起的。（5）如果光强曲线幅值涨落或突跳，是激光器输出功率不稳造成的，常发生在用 He-Ne 激光器时（ He-
