用OpenUC2在幾分鐘內(nèi)構(gòu)建邁克爾遜干涉儀

探索光學與“樹莓派光學”-顯微鏡和超越的開源模塊化光學工具箱。

介紹

在樹莓派和Arduino的時代，電子項目對每個人來說都是觸手可及的。然而，光學和像干涉測量這樣的高級實驗往往仍然是某種程度上的閉源，主要是因為它們?nèi)狈捎眯浴Ｈ绻憧梢杂媚K化組件和一些簡單的工具來建造一個邁克爾遜干涉儀(這個實驗告訴我們，我們并沒有離開以太，并且測量了光速!!)會怎么樣?這就是OpenUC2的用武之處：一個模塊化的光學工具箱，旨在使光學實驗像用面包板構(gòu)建電路一樣容易。

在本教程中，我們將向您展示如何使用OpenUC2的模塊化立方體系統(tǒng)創(chuàng)建邁克爾遜干涉儀。到最后，您不僅可以可視化干涉圖案，還可以了解該設(shè)置如何以驚人的精度測量微小變化，如表面粗糙度。

什么是邁克爾遜干涉儀?

邁克爾遜干涉儀使用分束器將光束分成兩條路徑。光束從鏡子反射，重新結(jié)合，并根據(jù)路徑差進行建設(shè)性或破壞性干涉。這些干涉圖案揭示了精確到納米級的排列、表面角度或位移的變化。

使用OpenUC2，這種設(shè)置的復(fù)雜性消失了。代替昂貴和笨重的光學工作臺，我們使用3d打印的立方體，運動學鏡子支架和可訪問的電子設(shè)備。

為什么OpenUC2 ?

OpenUC2(“You-See-Too”)是一個受開源原則啟發(fā)的模塊化平臺，很像光學樂高。以下是為什么它是學習和修補的理想選擇：

模塊化：輕松構(gòu)建，調(diào)整和重新配置光學設(shè)置。

經(jīng)濟實惠：利用3d打印和現(xiàn)成的組件。

可擴展：添加攝像頭，電機或led等組件以增強功能。

開源：一切——從CAD文件到軟件——都是公開可用的。

所需材料

我們破例跳過打印零件的步驟，購買即用型OpenUC2發(fā)現(xiàn)干涉儀套件并立即開始。這包括立方體、鏡子支架和分束器支架，最重要的是，520納米激光筆。

可選附件:

平移臺用于精細鏡面調(diào)整

用于捕獲干涉圖案的相機模塊

該工具包包含：

?激光二極管

?Hikrobot攝像機(MV-CE060-10UC)帶USB連接線(Hikrobot攝像機軟件安裝)

?舞臺帶齒輪帶鏡

?三個運動反射鏡(立方體)

?分束器在立方體

?樣品夾(立方體)

?一個空立方體

?16個底板

?屏幕

?立方體針孔

?調(diào)整對齊的螺絲刀(1,5 x60)

圖:

安裝邁克爾遜干涉儀的說明：

第一步：建立一個四基板

如圖所示構(gòu)建一個四基板。這將用于連接激光二極管，針孔，分束器和一個空立方體。加上底板固定。

注意：此時激光二極管應(yīng)一直關(guān)閉。不要直接看激光?？偸怯闷聊粊韺ふ壹す?。

第二步：放置針孔

放置針孔，這樣它是盡可能遠的激光二極管。

步驟3：關(guān)閉隔膜

盡可能關(guān)閉隔膜，最終形成一個小孔。

第四步：放置屏幕，對準激光

將屏幕放在針孔后，打開激光器。對齊很可能是錯誤的。所以要對準激光，你應(yīng)該使用螺絲刀和調(diào)整激光安裝螺絲，使光束在針孔中心。關(guān)掉激光。

第五步：用運動鏡替換針孔

在不接觸激光器螺絲的情況下，從一組立方體中移除針孔，并添加一個運動鏡代替。

第六步：將橫梁與針孔對齊

利用頂?shù)装搴偷椎装澹瑢⑨樋字糜谶B接針孔和運動鏡的分束器后成一條直線。將屏幕置于針孔后，打開激光器，如圖所示將光束對準針孔的中心。關(guān)掉激光。

步驟7：設(shè)置邁克爾遜干涉儀臂

拆下針孔，按圖設(shè)置其他底板。這些是邁克爾遜干涉儀的可變臂和參考臂。放置參考鏡和活動鏡如圖所示。將針孔放置在檢測點上。用底板固定所有東西。

第八步：對準并觀察干涉

將屏幕置于針孔后，打開激光器。你會看到兩個光束點，每個鏡子一個。用螺絲刀調(diào)整活動鏡的角度，這樣你就可以看到其中一個點的亮度有所提高，并尋找最大值。

步驟9：調(diào)整參考鏡像

調(diào)整參考鏡的螺絲，使兩束光束盡可能地重疊。

第十步：觀察干涉圖樣

去掉針孔，只放置篩網(wǎng)。你會看到兩個延伸的光束。調(diào)整參考鏡螺釘，使光束完美重疊。你會看到干涉圖案出現(xiàn)。然后試著把圖案放在屏幕的中間。關(guān)掉激光。

步驟11：設(shè)置相機

放置相機并將其固定在底板上。連接到電腦上，打開MV軟件。

第十二步：調(diào)整相機曝光

調(diào)整相機的曝光時間。你應(yīng)該看到一個流蘇圖案。盡量微調(diào)參考鏡螺絲，使干涉圖案的中心達到相機的中心。

實驗數(shù)據(jù)

這是一個完整組裝的UC2干涉儀，有一個綠色激光二極管，一個代表屏幕的攝像機，一個分束器，一個運動反射鏡和一個可以沿Z方向平移的反射鏡。

如果你把兩束光放在一起，你就能觀察到干涉圖案，如果一束光完全覆蓋在另一束光上，就會出現(xiàn)環(huán)狀圖案。這些環(huán)也被稱為牛頓環(huán)，來自于我們干涉兩個發(fā)散的光束，導(dǎo)致兩個球形帽/波的超位置。

使用ESP32相機，我們可以量化光束的運動，例如測量距離或角度。

結(jié)論

恭喜你!你已經(jīng)成功地建立了一個邁克爾遜干涉儀使用UC2模塊顯微鏡工具箱。這個裝置可以讓你探索光的干涉特性，并進行有趣的實驗。當您移動其中一個手臂時，您將觀察到相機上的建設(shè)性和破壞性干涉圖案，展示光的波狀性質(zhì)。有樂趣的實驗不同的設(shè)置和學習更多關(guān)于光的波粒二象性!

本文編譯自hackster.io