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的時代，電子項(xiàng)目對每個人來說都是觸手可及的。然而，光學(xué)和像干涉測量這樣的高級實(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單的工具來建造一個邁克爾遜干涉儀(這個實(shí)驗(yàn)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(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，我們使用3d打印的立方體，運(yùn)動學(xué)鏡子支架和可訪問的電子設(shè)備。

為什么OpenUC2 ?

OpenUC2(“You-See-Too”)是一個受開源原則啟發(fā)的模塊化平臺，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(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)

?舞臺帶齒輪帶鏡

?三個運(yùn)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(yuǎn)的激光二極管。

步驟3：關(guān)閉隔膜

盡可能關(guān)閉隔膜，最終形成一個小孔。

第四步：放置屏幕，對準(zhǔn)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(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(yùn)動鏡代替。

第六步：將橫梁與針孔對齊

利用頂?shù)装搴偷椎装?，將針孔置于連接針孔和運(yùn)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(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。放置參考鏡和活動鏡如圖所示。將針孔放置在檢測點(diǎn)上。用底板固定所有東西。

第八步：對準(zhǔn)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(diǎn)，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(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(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(dá)到相機(jī)的中心。

實(shí)驗(yàn)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(jī)，一個分束器，一個運(yùn)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(jī)，我們可以量化光束的運(yùn)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(jìn)行有趣的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)您移動其中一個手臂時，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