θ调制实验.doc

θ调制实验一、 相关科目：光栅及光栅衍射，阿贝成像原理，空间频谱与空间滤波，假彩色编码二、 实验原理： θ调制实验是对阿贝的二步成像理论的一个巧妙应用将一个物体用不同的光栅来进行编码，制作成θ片如本实验中的花朵、叶子和背景，分别是由三组取向成120度的光栅构成的将θ片置于白光照明中，在频谱面上进行适当的空间滤波处理，便可在输出面上得到一个假彩色的像我们知道，如果在一个透镜的前面放置一块光栅并用一束单色平行光垂直的照射它，在透镜的后焦面（即频谱面）上就会形成一串的衍射光斑，其方向将垂直于光栅的方向如果有一个二维的图形，其不同部分由取向不同光栅制成（调制），显而易见，他们的衍射光斑也将有不同的取向，即在透镜的后焦平面（频谱面）上，各部分的频谱分布也将有不同，如果我们挡住某一部分的频谱，在频谱面后的这部分图象将会消失，可见，输入图象中各部分的频谱，只存在于调制光栅的频谱点附近如果我们用白光照射θ片，则在频谱上可得到彩色的频谱斑（色散作用），每个彩色斑的颜色分布从外向里按赤、橙、黄、绿青、兰、紫的顺序排列，这是由于光栅的衍射角与光波长有关，波长越长衍射角越大如果我们在频谱面上，放置一个空间滤波器，这种滤波器可以让不同方位的光斑串，不同的颜色有选择地通过，则我们就可以得到一幅彩色的像。

如，在花朵图象的光斑方向上，我们让光斑中绿色的光通过；在背景图象的光斑方向上，让光斑中绿色的光通过；在背景图象的光斑方向上，让光斑中兰色的光通过，这样我们就会得到一幅红花、绿叶、蓝色背景的彩色图像，而实际上物体（θ片）是无色的，这就实现了假彩色编码三、 实验方法：1、 按下图摆放实验装置打开点光源电源仔细调整各元件间距离，使毛玻璃上呈现一个放大的清晰的θ片的像2、 在频谱架上插入一张白纸（或纸板），前后移动频谱架观察θ片的频谱，体会θ片中各方向光栅的作用，使频谱尽量明亮清晰，固定好频谱架3、 根据自己的理解和爱好，用刻刀在白纸上刻出适当大小和形状的孔，使频谱光斑上不同颜色的光通过观察毛玻璃上图像的变化情况，体会频谱面上的孔位置与图像颜色的关系，进行体会空间频谱与空间滤波的物理意义 白光反射全息图一、 基本原理白光反射全息图是利用光学原理在人的视觉上再现物体三维信息的一种技术它利用光的干涉和衍射原理，将物体反射的特定光波一干涉条纹的形式记录下来，并在一定条件下使其再现，形成原物逼真的三维像由于这种方法不仅能记录下物体不同部位的光强信息，而且还能记录下物体前后不同部位的相位信息，因此称之为全息照相术。

制作白光全息图，需要用激光器作为光源，涉及了相干性原理，耦合波理论及bragg条件，Lippman原理等原理二、 显示条件全息图基于衍射理论，重现物体的光波，因此对光源有一定要求图像清晰度与照明光源有如下关系：a) 重现像的最小可分辨尺寸Δδ与光源直径c表示的照明光源空间相干性之间的关系： （式中z1为显示像到全息图的距离，zr为照明光源到全息图的距离）b) 重现像的最小可分辨尺寸Δδ与光源波长宽度Δλ之间的关系为： （式中z1为显示像到全息图的距离，θr是光源发散角，Δλ/λ）为波长宽度相对值白光显示全息图的照明灯光源直径Δr和光源波长宽度Δλ以及全息图像前后深度z1都有一定关系，若要Δδ小，即整个立体图像清晰，就要求zr大θr小一般灯炮由于θr较大，因此需要zr更大一些，即照明要和全息图有一定距离45O光源观察者反射式光源45观察者透射式三、 全息图的种类1、反射全息图 2、透射彩虹全息图 3、360度全息图半导体绿激光器操作方法：1. 将激光器机箱面板上的激光电流调节电位器向左旋转到头；2. 插上220V电源、并合上开关；3. 缓慢地向右调节电位器，同时观察激光头，从有机玻璃窗口看进去，当电流增加到一定值时，808nm的泵浦激光管开始产生暗红色激光；当电流继续增大时，可以在KTP晶体上看到绿色激光；如果有CMOS夜视仪，还可以在钒酸钇晶体中看到1064nm的激光；4. 本激光器可作做光学实验所需的激光光源使用；5. 使用完，关闭时：请先将电位器向左旋转到头,切断面板上的开关,再拔掉220V电源。

二、注意事项1. 激光器对静电极为敏感，因此在安装、操作激光头时，应先放去手上静电2. 由于激光管内部结构决定，激光头金属件带有约2V的电位，因此不要把外壳经电泳绝缘处理后的绝缘层破坏，也不要接地3. 长时间工作时（10分钟以上），应将激光头固定在金属体上以加强散热三、简明工作原理： 本系统用波长为808nm的近红外激光来照射钒酸钇晶体，作为泵浦能量，使该晶体产生波长为1064nm的红外激光这种1064nm激光又经过胶合在钒酸钇晶体后面的KTP非线性晶体倍频，产生波长为532nm的绿色激光 本演示系统装置可以从激光头开窗部位观察到从弱红色的近红外激光经泵浦、倍频，到产生绿色激光的全过程 避雷针操作方法：1.把静电高压电源地线有效接地（最好连到暖气管、水管上或压在地上）；2.将电源的电压旋钮逆时旋至最低；3.将静电高压电源的正极接到避雷针装置的上极板，负极接下级板；上下极板分别代表带电云层和被感应出电荷的大地； 4.把金属球（代表建筑物）放在下极板上，打开静电高压电源，调节电压旋钮使电压逐步升高，注意观察球与上极板之间的放电现象；5.调节电源电压使之降为零，用放电叉连接上下两极板，放电；6.再把“避雷针”放到装置的下极板上，逐步升高电压，注意观察“避雷针”与上极板之间的缓慢放电现象，此时金属球与上极板不再放电；7.实验结束后，将静电高压电源的电压降为零，再关闭电源开关；8.放电叉连接上下两极板再次放电。

注意事项：1.静电高压电源的地线一定要接好（最好接到暖气管或水管上）；2.每一次操作前都要注意把电源电压调到零，并且用放电叉放好电；3.操作时，身体尽量远离操作台，注意不要触及仪器原理提示：避雷针是基于尖端放电原理制成的装置，尖端放电可以这样解释：静电平衡的导体表面的面电荷密度与表面曲率成正比因此金属尖端上电荷面密度s很大，周围的电场很强，所在处空气中散存的带电粒子（电子或离子）在尖端强电场作用下作加速运动时就可能获得足够大的能量，以致它们和空气分子碰撞时，能使后者离解成电子和离子新的电子和离子与其它空气分子相碰，又产生新的带电粒子这样，便有大量的带电粒子产生与尖端所带电荷异号的带电粒子受到吸引，飞向尖端，将尖端上的电荷中和；与尖端所带电荷同号的带电粒子受到排斥而从尖端附近飞离，就好像尖端上的电荷被喷射出来放掉一样，故称做尖端放电在模拟实验中，在未使用避雷针时，顶部呈球状的建筑物模型在板板间高电压的作用下，与上板间形成火花放电放电后，极板间电压消失，复又被电源充电如此周而复始，便形成了断续的火花放电，听到噼啪声并看到闪烁的火花使用避雷针后，避雷针使极板间的电压在尚未达到火花放电的数值时，便缓慢地释放出来，形成持续的电晕，从而避免电荷大量积累后的剧烈放电将建筑物破坏。

玻璃堆起偏操作方法：1.打开电源开关，使玻璃堆平面与刻度盘的0o¾180o 线平行，并使光线垂直入射到玻璃堆表面；2.将毛玻璃屏置于玻璃堆后面，，观察透射光的亮度（旋转偏振片时，有明暗变化，但无消光现象）；3.保持刻度盘不动，将玻璃堆旋转一定角度（如：20o¾40o），将毛玻璃屏分别置于玻璃堆的反射光路和透射光路，观察反射光和透射光的亮度（旋转偏振片时，均有明暗变化，但无消光现象）；4.仍保持刻度盘不动，继续将玻璃堆旋转至约53o，仍将毛玻璃屏分别置于玻璃堆的反射光路和透射光路，观察反射光和透射光的亮度（旋转偏振片时，反射光明暗变化，有消光现象；透射光有明暗变化，但无消光现象）；5.注意观察反射光和透射光在毛玻璃屏上最亮或最暗时，偏振片的偏振化方向旋转的角度注意事项：1.移动毛玻璃屏时要拿起来再放下，不要在仪器底盘上滑动，以免划伤底盘；2.旋转玻璃堆时注意保持刻度盘不动，以免转过的角度不准确；3.不要长时间通电，以免光源过热，损坏光源和变压器原理提示：自然光以任意角度入射到介质表面时，反射光为部分偏振光，透射光也为部分偏振光随着入射角的改变，反射光和透射光的偏振化成分也发生变化由布儒斯特定律：当入射角满足n＝tgio时，反射光为完全偏振光，其偏振化方向垂直于入射面，透射光为部分偏振光，平行于入射面的偏振化成分较强。

本实验中的偏振片用与检偏由马吕斯定律：I=Iocos2a,当入射光的偏振化方向与偏振片的偏振化方向平行时，透射光最强，当入射光的偏振化方向与偏振片的偏振化方向互相垂直时，透射光最弱，如果入射光是完全偏振光，会出现消光现象伯努力悬浮球操作方法：1.打开箱体上的电源开关，用手感觉一下喇叭向外喷出的气流；2.托起气球靠近喇叭中心，至某一位置时气球被吸住；3.关闭电源，气球落下注意事项：提醒学生，高速的气流是滑过气球的边侧的，因气流在中心处被分散开原理提示根据伯努力原理，由喇叭向外喷出的气流，使气球顶部的空气因流速大而压强变小；气球的下部，由于空气流速小，压强大，就是这个压强差造成了对气球向上的推力 超导磁悬浮列车操作方法: （1） 备一个小型液氮容器，最好是模压泡沫容器（如：仪表包装衬套即可）（2） 将小车下面垫上8mm左右的硬纸板放在磁性导轨上；（3）取下小车上盖，将液氮倒入小型液氮容器，再倒入车体容器中（内有超导块）,大约过2——3分钟，使超导块充分冷却，盖上车盖，撤下硬纸板，小车悬浮在导轨上方；(4)接上驱动变压器，将其电压调到4.5伏左右，打开驱动开关（在导轨托板的前方）， (4)用手给车一个驱动力, 使小车顺着驱动器的转动方向运动，使小车受到一个向前的驱动力作用,车就会沿着磁性导轨持续运动起来。

5）实验完毕，断开电源，把小车取下注意事项: （1） 液氮的温度是零下近200摄氏度，操作者及观看者注意不要触及液氮，操作时一定要带手套2） 超导块的冷却要均匀，全面，最好全部浸入液氮中，否则小车的运动将会不稳定3） 切勿将小车掉到地上，以免超导块脱落4） 本装置的轨道磁性极强，对手表、、相机等物品有影响，注意将这些物品与轨道保持距离原理提示： 超导体的磁性与常规磁体的磁性不同，超导体进入超导态后置于外磁场中，它内部产生磁化强度与外磁场完全抵消，磁力线完全被排斥在超导体外面，从而内部的磁感应强度为零，这就是超导体的完全抗磁性，即迈斯纳效应完全抗磁性会产生磁悬浮或倒挂现象实验中，当超导块经冷却达到超导态后靠近磁性导轨时，磁力线进入超导体表面并形成很大的磁通密度梯度，感应出高屏蔽电流，又由于零电阻效应，屏蔽电流几乎不随时间衰减，该电流产生的磁场与外磁场相互作用，从而对轨道产生排斥，排斥力克服超导体重力使其悬浮磁性导轨用铷铁硼磁块铺设在钢板上制成，两边N型轨道起磁约束作用，保证超导块在轨道上运动 。