探索光學(xué)與“樹莓派光學(xué)”-顯微鏡和超越的開源模塊化光學(xué)工具箱。

介紹

在樹莓派和Arduino的時(shí)代，電子項(xiàng)目對(duì)每個(gè)人來說都是觸手可及的。然而，光學(xué)和像干涉測(cè)量這樣的高級(jí)實(shí)驗(yàn)往往仍然是某種程度上的閉源，主要是因?yàn)樗鼈內(nèi)狈捎眯?。如果你可以用模塊化組件和一些簡(jiǎn)單的工具來建造一個(gè)邁克爾遜干涉儀(這個(gè)實(shí)驗(yàn)告訴我們，我們并沒有離開以太，并且測(cè)量了光速!!)會(huì)怎么樣?這就是OpenUC2的用武之處：一個(gè)模塊化的光學(xué)工具箱，旨在使光學(xué)實(shí)驗(yàn)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(cè)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(jìn)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(jí)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(xué)工作臺(tái)，我們使用3d打印的立方體，運(yùn)動(dòng)學(xué)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(gè)受開源原則啟發(fā)的模塊化平臺(tái)，很像光學(xué)樂高。以下是為什么它是學(xué)習(xí)和修補(bǔ)的理想選擇：

模塊化：輕松構(gòu)建，調(diào)整和重新配置光學(xué)設(shè)置。

經(jīng)濟(jì)實(shí)惠：利用3d打印和現(xiàn)成的組件。

可擴(kuò)展：添加攝像頭，電機(jī)或led等組件以增強(qiáng)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(gòu)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(tái)用于精細(xì)鏡面調(diào)整

用于捕獲干涉圖案的相機(jī)模塊

該工具包包含：

?激光二極管

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

?舞臺(tái)帶齒輪帶鏡

?三個(gè)運(yùn)動(dòng)反射鏡(立方體)

?分束器在立方體

?樣品夾(立方體)

?一個(gè)空立方體

?16個(gè)底板

?屏幕

?立方體針孔

?調(diào)整對(duì)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(gè)四基板

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

注意：此時(shí)激光二極管應(yīng)一直關(guān)閉。不要直接看激光。總是用屏幕來尋找激光。

第二步：放置針孔

放置針孔，這樣它是盡可能遠(yuǎn)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(gè)小孔。

第四步：放置屏幕，對(duì)準(zhǔn)激光

將屏幕放在針孔后，打開激光器。對(duì)齊很可能是錯(cuò)誤的。所以要對(duì)準(zhǔn)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(yùn)動(dòng)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(gè)運(yùn)動(dòng)鏡代替。

第六步：將橫梁與針孔對(duì)齊

利用頂?shù)装搴偷椎装?，將針孔置于連接針孔和運(yùn)動(dòng)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(duì)準(zhǔn)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(dòng)鏡如圖所示。將針孔放置在檢測(cè)點(diǎn)上。用底板固定所有東西。

第八步：對(duì)準(zhǔn)并觀察干涉

將屏幕置于針孔后，打開激光器。你會(huì)看到兩個(gè)光束點(diǎn)，每個(gè)鏡子一個(gè)。用螺絲刀調(diào)整活動(dòng)鏡的角度，這樣你就可以看到其中一個(gè)點(diǎn)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(huì)看到兩個(gè)延伸的光束。調(diào)整參考鏡螺釘，使光束完美重疊。你會(huì)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(jī)

放置相機(jī)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(jī)曝光

調(diào)整相機(jī)的曝光時(shí)間。你應(yīng)該看到一個(gè)流蘇圖案。盡量微調(diào)參考鏡螺絲，使干涉圖案的中心達(dá)到相機(jī)的中心。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

這是一個(gè)完整組裝的UC2干涉儀，有一個(gè)綠色激光二極管，一個(gè)代表屏幕的攝像機(jī)，一個(gè)分束器，一個(gè)運(yùn)動(dòng)反射鏡和一個(gè)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(huì)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(gè)發(fā)散的光束，導(dǎo)致兩個(gè)球形帽/波的超位置。

使用ESP32相機(jī)，我們可以量化光束的運(yùn)動(dòng)，例如測(cè)量距離或角度。

結(jié)論

恭喜你!你已經(jīng)成功地建立了一個(gè)邁克爾遜干涉儀使用UC2模塊顯微鏡工具箱。這個(gè)裝置可以讓你探索光的干涉特性，并進(jìn)行有趣的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)您移動(dòng)其中一個(gè)手臂時(shí)，您將觀察到相機(jī)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(shí)驗(yàn)不同的設(shè)置和學(xué)習(xí)更多關(guān)于光的波粒二象性!

本文編譯自hackster.io