用光学干涉测微位移的教学演示仪，本文主要内容关键词为：位移论文,用光论文,演示论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
光的干涉是物理学中的一个重要现象[1]。鉴于高中阶段学生的认知水平，人教版《高中物理》将这一部分内容编为选修内容。然而作为一个教学的难点，光的干涉对于学生拓宽知识面，加深对物理学的认识具有重要意义。这部分内容抽象，复杂，而大多数课堂教学限于教学资源和技术，只是通过理论公式和图片来解释光学干涉现象而非实验演示，导致学生难以系统地理解干涉现象。随着信息时代的到来及科学技术的进步，许多原本在课堂中只能通过画图公式讲解的物理现象，却可以通过信息技术的诠释得以形象化和可视化[2]，利于学生掌握。 光的干涉中，主要的干涉结构有Sagnac干涉、Michelson干涉、Mach-Zehnder干涉[3]、Fabry-Perot干涉，以及这几种干涉结构的相互组合干涉结构。光纤作为光传播介质具有体积小、成本低、与光电子器件结合性好，且能实现光的“弯曲”传输，利用光纤制作各种干涉仪具有抗干扰性强，携带方便的优点。其中，光纤Fabry-Perot干涉更是具有结构简单，制作方便，原理简单等特点[4]。为了提高学生对光学干涉现象的理解和掌握，本文设计了一种基于光纤光学Fabry-Perot干涉的微位移测量教学演示仪，微位移的产生通过给压电陶瓷（PZT）供电不同的电压来实现[5]。该干涉仪用于教学演示具有简单方便，现象简明，效果明显，易于操作等特点。 一、干涉测位移原理 在中学物理中介绍了一种等厚干涉，并分别以牛顿环和空气劈尖的干涉图样来说明光学干涉。图1就是空气劈尖干涉条纹图，一种单色平行光照射到劈尖上，在光程差成半波长偶数倍的劈尖位置形成一个亮条纹，在半波长奇数倍位置处成暗条纹。
当劈尖的上下两反射面距离变化时，干涉条纹也跟随变化，干涉条纹向劈尖顶端移动。但此干涉条纹需要通过传统的显微镜才能观察到，在教学过程中用作演示只能单人观看，效果不好。本文根据等厚干涉的原理，设计了只有一种厚度的干涉结构，即光纤Fabry-Perot干涉，产生干涉的一束光从光纤端面反射，另一束光先透过光纤端面，再从光纤端面下方的一个光学反射面反射进光纤。这两束光频率相等，只要光纤端面与光学反射面距离一定，两束光的相位差固定，方向相反，在光纤端面产生干涉。其干涉结构如图2所示，在光纤端面附近同轴放置一个光学反射面，光学反射面固定在PZT上。
为了演示利用光学干涉测量位移原理，本文利用压电陶瓷的压电特性来产生微位移：当PZT上加上一个正电压时，PZT伸长，光学反射面与光纤端面的距离变短，两干涉光束的光程差变小；当PZT上加上一个负电压时，PZT变短，光学反射面与光纤端面的距离变长，两干涉光束的光程差变大。这样，随着光程差的改变，干涉条纹成明暗交替变化。 设光纤端面与光学反射面直接的距离为L，两个端面保持平行，同时因光在两光学反射面的入射角θ很小，近似为零，cosθ≈1，则两束相干光的相位差为：
其中λ为入射光的波长，n为空气中的光学折射率，近似为n≈1，则光纤端面上的干涉条纹强度经光电探测器转换，输出的电流强度为：
为了减少环境的影响，本文把光学谐振腔与PZT微位移发生器封装在一起。这样只需在封装前调整一次光纤端面与光学反射面的位置，在之后的演示过程中直接加电加光源就能实现演示，避免每次演示前的繁琐调整，提高操作性。光信号通过光电探测器变成电信号，再经信号采集处理电路变成数字信号，最后通过通用串行总线（USB）连接到多媒体教学计算机上演示。 二、实验与演示 在本文的干涉测微位移演示结构中，采用的光源的中心波长为1305nm，谱宽为Δλ=0.47μm。光源自身带有光纤跳线FC接头，避免了利用光学调整架耦合光到光纤中的低耦合效率。光纤中的光在光纤端面发生干涉，且干涉信号随PZT产生的微位移的变化而变化。根据PZT的厂家提供的位移与电压的斜率参数为0.297μm/V，通过加载不同的电压就可以算出PZT所产生的位移大小： x=0.297U ③ 本文所采用的加载电压是由型号为EE1412型合成（DDS）函数信号发生器提供的一个三角波电压。干涉信号通过光纤耦合器把一部分光输入到光电探测器，光信号转变为电信号，再经滤波、放大电路进入数字采集器变为能被计算机处理的数字信号，该数字信号利用USB连接到计算机。在计算机上，通过我们自主设计的显示控制软件把干涉信号与PZT加载电压的关系通过图象的形式显示。同时利用干涉信号过零点的次数来计算干涉信号的周期变化次数，并与波长相乘转变为位移。本文设计的演示操作软件界面如图4所示：
由于压电陶瓷具有迟滞和蠕变效应，加电压和减电压产生的微位移不一样，因此我们只测在电压上升过程或下降过程的微位移。当Fabry-Perot干涉腔的腔长不同时，干涉条纹的最大值也不同[6]，因此随着压电陶瓷加电或减电过程中得到的干涉条纹最大值不一样，需要进行归一化，使加不同电压时得到的干涉条纹最大值相同。本文设计的归一化算法对信号归一化结果如图5所示。
通过对压电陶瓷设定不同的加载电压值，再根据每一个三角波电压上升过程中的干涉条纹数与光源的波长，就可以计算出压电陶瓷产生的微位移，得到的结果如表1所示。
根据压电陶瓷的压电位移特性，即位移压电变化斜率为0.297μm/V，把测量结果与压电特性曲线画在同一图中。 在图6中，曲线a是压电陶瓷本身的位移电压特性曲线；曲线b是通过干涉条纹数测得的位移；曲线c是根据测得的位移电压关系通过最小二乘法得到的曲线。从图6中可以看到，曲线a和曲线c两条直线近似平行，数值相差一个固定的偏移量，这主要原因是在得到干涉电信号时，通过滤波电路去掉了直流分量。但这一偏移量不影响测量结果，通过几次测试平均可以得到这一偏移量，然后在测试结果中通过软件修正这一固定偏移量就可实现光学干涉测微位移的实验演示。
本文针对中学物理中的光学干涉现象，设计了一种用于演示光学干涉测微位移的实验结构。该实验结构通过与现代多媒体教学设备相结合，可在课堂中实现可视化。通过对该实验演示仪的实验可以发现，测量得到的压电陶瓷位移电压斜率与压电陶瓷本身的位移电压特性误差小，通过对结果修正可实现对压电陶瓷位移的精确测量，达到演示效果，能够提高学生学习的积极性，激发学生通过发挥自己的想象力，把所学知识用于生产生活中。
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