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光栅板光点漂移实验
[楼主] 作者:youngler  发表时间:2014/04/20 09:41
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[楼主]  [2楼]  作者:youngler  发表时间: 2014/04/20 14:30 

  光栅干涉的基本知识

 

  光栅衍射干涉现象是,在某个方向,光栅各缝传出的衍射光波相差整数个波长,这个方向的光波获得叠加加强。不满足这一条件的方向,几乎没有光波。光栅衍射干涉现象具有对称的分光作用,和鲜明的方向性。

 

 

  根据干涉加强条件得出,光栅一级衍射扩散角 sin a = λ/ d ,d 为光栅栅距。可以发现,不同波长的光波具有不同的衍射扩散角度,所以白光经过光栅衍射干涉后,会在屏幕上看到彩虹光带。这个作用相当于三棱镜。当然,与三棱镜相比,光栅衍射扩散角度正比于波长,扩散效果更好。所以,光栅常被用于光谱分析。生活中,我们经常看到 DVD 碟片上的彩带,就是光栅衍射现象。

  据推测,光栅由模铸方法批量生产,通常玻璃材质,价格不昂贵,但是栅距参数选择受到很大限制。可见光光栅栅条密度,通常是每 mm 宽度线数 600 或者 1200 ,那么栅距 d = 1.666 或者 0.833 μm 。透射型单价大约 200 元,反射型的需要增加一道镀铝膜工序,单价大约 300 元。光栅面积与价格关系不大。教学用的光栅,每 mm 宽度线数 1000 ,栅距 1 μm ,材料是有机玻璃,不是无机玻璃,价格便宜一些,缺点是栅距随温度变化明显,不能用在有精度要求和有稳定性要求的实验中。

  一级衍射扩散角度计算

  如果实验者考虑波长稳定性好的光源,可以选择 He-Ne 激光器做光源,那么光源波长 0.633 μm ,为了获得更大的一级扩散角度,选择 L1200 型光栅,sin a = λ/ d = 0.633/0.833 = 0.76 ,a = 49.5 deg 。可以注意到,当波长大于半个栅距,2λ/ d > 1 ,所以,二级等高级次衍射并不存在。通常光栅栅距已知,通过一级衍射角度,可以测量光波波长。然后根据光波波长算式,λ= c '/ f ,也可以通过光栅一级衍射角度检测光波单向光速。 

[楼主]  [3楼]  作者:youngler  发表时间: 2014/04/21 20:05 

  衍射扩散角漂移量计算
  地球附近的光波相对于地心参考系有恒定速度 c ,我们需要的地面附近其他参

考系的光速,可以根据简单矢量合成计算,包括地面参考系。向东光速 c - v ,向

西光速 c + v 。当光速 c 与地面自转速度 v 方向不同,地面系的光速,有近似算

式,

c ' = c - v cos a ,

此处 a 为 c 矢量与 v 矢量的夹角。
  由此可以计算,光栅板与地面速度平行状态,两束衍射光束的速度,

c ' = c +- v sin a ,

此处 a 是衍射扩撒角度。根据λ= c '/ f ,有

    λ= ( c +- v sin a )/ f ,

    Δλ= 2 v sin a / f ,

    Δλ= 2 vλλ/ c d 。

由 sin a = λ/ d 求差分,

    cos a Δa  = Δλ / d ,

    Δa = 2 vλλ/ c d d cos a ,

这就是衍射扩散角度漂移量。现在计算衍射线最细处宽度,

    w = λL cos a / D 。

D 为光栅处光束宽度。现在计算衍射线漂移相对量,

α= LΔa / w = 2 vλD / c d d 。

光速 c = 3e8 das ,地面速度 v = 400 das ,
通常,光栅常数 d = 0.833μm ,光栅处光束宽度 D = 10 mm ,
如果选用 He-Ne 激光器λ= 0.633μm ,得到,

α= 0.0243 。

这个相对量漂移,经过图像放大,眼睛直接观察有难度,光电检测很容易。
 [4楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2014/04/21 22:18 

没细看,感觉不好,因为光源与观察者相对静止,这样通常不会观察到波长或频率的变化,因而不会有实验结果。

※※※※※※
空间本无物理性质,具有以太的空间才有了局部静止系、惯性,运动才可以自身测量。
 [5楼]  作者:silin007  发表时间: 2014/04/22 05:10 

这样应该能观察测到这个相对量漂移!努力吧有了实验结果就彻底否定相对论了。

※※※※※※
即别轻信人说的,也别坚信己学的,更别迷信书写的;只信亲眼能见的,而且亲手能算的,关键亲身能验的;科学事实
[楼主]  [6楼]  作者:youngler  发表时间: 2014/04/22 21:24 

     我们知道,曾有有过很多的检测以太方法,后来都发现实验没有成功或者指出存在理论问题,MM 实验思路提高精度又是技术难题。

     杨红新的光点漂移实验失败,事后我们想到,激光束如果存在方向漂移,等于违背了光速直线传播规律。这么简单的规律,为什么我们要等到实验失败以后才明白。

     张操的反射光漂移思路,没有付诸实验。后来,俄罗斯的一本书《没有悖论的世界》 告诉我们,反射镜参考系,反射定律总是成立。这个问题容易忽视,反射定律相对于什么参考系成立,还是无条件成立。

     几个月前,才注意到济南王建华的光速可变实验思路。一开始,觉得这个思路非常简单高效,也想出很多简便的实施方案,又觉得,Lorentz 先生说过,光波介质速度一阶效应不可测。经过一个不眠之夜的思考,终于得出结论,王建华的思路,即便有人付诸实施,也必定没有效果。激光束相当于有限远处点光源,Lorentz 的结论在这里也有效。或者这样解释,地面系的光束,波阵面与传播速度不垂直。地面系分析,激光束的波阵面与反射面不平行。这样的结论,我们过去又何曾想到!

     几个星期前,百度论坛有 黎卡 先生提出,报道了用光栅衍射方法检测以太漂移速度得到的结论,由于实验很简易,实际上是把光源波长变化当做了以太漂移。所以,最近这些日子,我在研究光栅衍射检测光速方面的理论问题。衍射干涉的道理很简单,频率不变的道理也很简单,光速变,波长也变的结论,也很自然。所以也一直没有发现这个思路理论方面存在什么问题。所以,也就一边思考理论方面的问题,一边想着各种改进实验的方案。经过多种方案比较,选出 1 楼的设计方案。

     我渐渐发现,实验设计,不管对的错的,都有欣赏价值,所以设计初步方案图样一画出来,就提供给大家欣赏。希望大家从中找到欣赏的乐趣。 

 [7楼]  作者:silin007  发表时间: 2014/04/23 06:42 

济南王建华的质心说将比日心说还伟大,不知现在怎样了?
[楼主]  [8楼]  作者:youngler  发表时间: 2014/04/23 08:28 

    昨晚发现 3 楼有一处算式笔误 w = λL cos a / D ,应该是 w = λL / D cos a ,

    最后结论 α= 2 vλD / c d d ,是根据草稿的演算,是对的。

    Lorentz 的结论,一阶效应,即 v/c 效应不可观测。那么光栅问题有什么不同,导致 Lorentz 总结的规律失效?想来想去想明白了这个问题。Lorentz 考察的光路中,波阵面一直连接着,从未破碎。光栅衍射中,是波阵面被打碎,然后层层错接,错配出一个完整的波阵面。光栅衍射,同时产生的波峰并不同时到达焦点,焦点处同时到达的波峰并不是同时产生的。

    这让我注意到,光栅衍射干涉,也有一个相干长度问题。光栅尺寸如果大于相干长度,干涉条纹不再变得更细。提高光栅尺寸,不再提高实验灵敏度。当然,He-Ne 激光器的相干长度很长,可以不考虑这个限制。如果选择其他类型的激光器,需要考虑相干长度。 

    关于王建华的质心论,我没有注意过,不过持质心说的人很多,这个观点不惊奇。现代科学很多实际问题也是选择质心参考系处理的。 

 [9楼]  作者:马国梁  发表时间: 2014/04/23 17:09 

对单程光速的测量只有采用如下唯一的方法:
测量光的波长变化,并依此推出光源的绝对运动速度。每种光都有一定的波长。当光源在空间中做绝对运动时,其各个方向的波长都要发生变化。对于一定的观测者来说,只能测到所接收到的光的波长,且测量结果与观测者自身的绝对运动方向无关。当光源和观测者都做低速运动时,“频率变慢”和“尺缩效应”均可忽略不计,故波长测量结果与观测者的运动速度也无关。这样所测出的波长变化即反映了光源的绝对运动速度在观测方向上的分量。即
λ′= T( c - v cosβ)= λ( 1 - v cosβ/ c )
现行的“宇宙大爆炸”理论就是一些人根据遥远星光的波长变长而推测出的。
若想知道观测者自身的绝对运动速度,观测者可通过测量同体光源的波长变化来推知。如在每日的正午都进行日光波长的测定,看一年四季中如何变化;或在地球表面的东西方向安装一朝向固定的激光光源,昼夜不停地测定光的波长变化。此时可在顺光方向的另一端安装一固定屏幕,通过观测光的干涉或衍射条纹的移动情况,就可推算出我们在太空中的绝对运动速度分量
u cosβ/ c = Δλ/ λ。= Δx / x。
过去我们在做此类实验时并没有注意也没有发现条纹位置在一昼夜中有多大变化,所以估计地球的绝对运动速度分量一定远远小于光速。 
当然在同一时刻,如果采用“掉转整个观察系统的朝向”的方法来看干涉或衍射条纹的移动变化情况与昼夜观察的方法异曲同工,也应该同样有效。
 [10楼]  作者:silin007  发表时间: 2014/04/23 18:21 

[7楼] 作者:silin007 发表时间: 2014/04/23 06:42
济南王建华的质心说将比日心说还伟大,不知现在怎样了?

[8楼] 作者:youngler 发表时间: 2014/04/23 08:28 [加为好友][发送消息][个人空间]回复 修改 来源 删除
关于王建华的质心论,我没有注意过,不过持质心说的人很多,这个观点不惊奇。
现代科学很多实际问题也是选择质心参考系处理的。


此说非彼说!.......


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即别轻信人说的,也别坚信己学的,更别迷信书写的;只信亲眼能见的,而且亲手能算的,关键亲身能验的;科学事实
[楼主]  [11楼]  作者:youngler  发表时间: 2014/04/24 17:22 

  我没有期望这个实验能够打败已有的理论,不是我对于实验本身充满希望,对于实验影响充满悲观。因为我知道,只有新的理论导致的惊奇实验,才能够吸引职业科学家转变科学方向。我总觉得这个实验即使成功,也缺少惊奇效果,因为很多人都想到了地面东西方向的光速差异。光栅方法测量光速,也只是偶然的灵感发现。它即使成功,不过是又一个 Sagnac 实验,给已有的理论增添一张反对票,仅此而已。当然,在我看来,这是一个充满希望并很有价值的实验。希望有兴趣的朋友都来动手玩玩这个实验,找到学习光学知识的乐趣,找到玩光学实验的乐趣。我愿与大家共快乐。

  玩这个实验,需要购买光栅,便宜的只有几十元钱。如果不想花钱,可以从物理教师那里借一个光栅,借一个 He-Ne 激光器。如果完全想依靠自己动手不花钱来玩,也不是绝对不可以。1 楼的设计,属于对称设计,具有很好的稳定性。家里的 DVD 碟片也可以作为光栅使用,只是这种光栅光能效率差一些,因为几乎大部分光能量从反射波跑掉,不是从干涉光束出来。聚焦透镜,可以从望远镜那里拆下来用,或者多片老花眼镜片作为透镜组代替。光电管可以从旧电器遥控接收器哪里拆出来用,而且放大电路还是现成的。塑料光栅,光栅栅距随温度变化明显,解决这个问题,可以使用不扩散的光束,也可以选用 VCSEL 激光器,批发价 1~8 元钱 1 个,也可以做一个光栅调整装置,让不同温度下通过调节光栅位置让适量的光束进入光电管,适量的光束在光电管之外。
[楼主]  [12楼]  作者:youngler  发表时间: 2014/04/24 19:21 

  玩光栅衍射实验,如果没有微电流检测条件,最好不要用 DVD 盘片当衍射光栅。小型 He-Ne 激光器光束能量很小,只有 0.1 mW 。VCSEL 激光器也是一种半导体激光器,由于它有相干长度长,波长稳定的优点,且价格便宜,推荐在本课题使用。单模 VCSEL 激光器的光束功率也很小,也只有 0.1 mW ,多模激光器存在光斑漂移问题。一个光栅,如果反射光束就分去 90 % 的光束能量,衍射光束的能量剩下只有 0.01 mW 。光束功率小了,信号电流也将变得更加微小。信号电流可以按下式估计,

    i = P α / 2 = vλP D / c d d 。

由于塑料光栅,栅距稳定性不好,光束直径选择 1 mm ,亮斑宽度 0.2 mm 。那么,有信号电流,

    i = 0.01 * 0.027 / 2 = 0.000,135 ,单位 mA ,也就是 0.135 μA 。

普通万用表无法检测这个信号电流。当然,如果能够借到 nA 表,这个信号电流还是够大的,完全可以检测的。如果有朋友在电力公司,通讯类公司,电子厂,大学等,可以借到 nA 表。
  有一些万有表,有微安级电流测量功能,灵敏度为 0.1 μA 。如果希望信号大到普通万用表可以测量,需要充分利用激光器有限的微小功率。那么,DVD 盘片是不能用了,需要找个学生用的光栅,物理老师那里有。这样,信号电流可以提高到 1.35 μA 。进一步提高精度,需要利用发散光束,提高光栅处光束尺寸,亮斑宽度降低到 20 μm,然后可以得到 13.5 μA 的信号电流。但是,这个是理论文章,实际上由于塑料光栅热胀冷缩,衍射光束漂移,衍射光束会完全离开光电管。解决这个问题,需要 VCSEL 激光器,或者玻璃光栅。

[楼主]  [13楼]  作者:youngler  发表时间: 2014/04/24 20:16 

  实验装置,周围温度变化,塑料光栅会热胀冷缩。如果激光器的波长能够基本同步变化,那么,光栅衍射光束也可以基本保持设计的方向。塑料光栅通常是有机玻璃材料做的,有机玻璃的热膨胀系数是 7e-5 / K ,如果有一种激光器的波长温度系数也基本是 7e-5 / K ,那么,可以通过基本同步的栅距变化和波长变化中,更好地保持光栅衍射方向的稳定。这种激光器就是 VCSEL 激光器和内置光栅型半导体激光器。VCSEL 激光器的波长温度系数 6.6e-5 / K ,内置光栅型半导体激光器波长温度系数是 7.7e-5 K / K 。由于内置光栅型半导体激光器,没有可见光,业余玩不合适。所以,只有 VCSEL 激光器是合适的激光器。
  玻璃由于热膨胀系数比塑料小 10 倍,衍射光束在室内温度范围方向符合要求。也是一种解决思路。相比而言,塑料光栅 + VCSEL 激光器 方案,简单经济。前面关于 VCSEL 激光器的价格,有一点笔误,是,批发单价 1 元,零售单价 5-8 元。现在,很多科技都在进入民用领域,进入家庭。家庭光通信中,可能就有 VCSEL 激光器。轿车内部控制通信,也有 VCSEL 激光器。当然,平时如果我们不接触光学专业,我们不知道这个。
[楼主]  [14楼]  作者:youngler  发表时间: 2014/04/26 05:02 

  用 DVD 盘片做光栅,只是容易获得。容易得到的代用品,不是专门为某项功能设计制作的东西,肯定有它的缺点。DVD 光栅衍射效率低,前面说了。还有它的刻线不是直线,使用扩散光束上受到限制,或者需要设计适应它的光路。所以,使用专门为了衍射干涉效应制作的光栅有好处。
  学生光栅,不是专业光栅,肯定也有很多不足。即使是工业应用光栅,反射型光栅据介绍也只有 50% 的效率,透射型的光栅衍射效率更低,暂时估计我们使用的光栅,它的衍射效率是 25 % 。再考虑学生光栅的栅距稍大,1 μm 。我重新估计了一下,细光束下能够获得的信号电流,大约是 0.23 μA 。依然无法用普通万用表的 μA 功能检测。更换光栅,效率提高不大。但是学生光栅的优点是,尺寸较大,有潜力做出大的光束。如果能够充分利用,可以获得 > 10 μA 的电流。当然,这需要使用 VCSEL 激光器,而不是 He-Ne 激光器。当要求较低时,什么东西都可以组合。当要求较高时,就要考虑零件部件性能之间的合适配合。玻璃光栅,配合 He-Ne 激光器。塑料光栅配合 VCSEL 激光器。
[楼主]  [15楼]  作者:youngler  发表时间: 2014/04/26 11:43 

  上面的实际分析,虽然不是很准确,但是大致能够说明问题。也就是,学校里演示用的光栅在本课题使用,效果提高不明显。而且我也担心,其中 1μm 栅距光栅,学校不一定有。网上的批发价虽然不贵,大面积的光栅大约 45 元 1 个,这是批发价,没有提供零售价格。这种规格,淘宝上没有零售,增加了采购的不方便。还有一个问题,透射型光栅,需要更大的平面空间布置。如果是设计仪器,这也是很大的缺点。淘宝上有栅距 0.83μm 的玻璃光栅。前面说了,玻璃光栅是需要配合 He-Ne 激光器或者其他类型波长稳定的光源使用的。我不想买一个 He-Ne 激光器,借一个暂时用一下也可以,但是最后是要还的。但暂时我还没有其他好的光源。所以只想 塑料光栅 + VCSEL 激光器 来进行初步的试验。

  所以,无奈之下,又将着眼点指向 DVD 光栅。DVD 光栅,也是大尺寸反射型光栅,这是优点。反射型可以导致实验装置结构紧凑,大尺寸可以弥补衍射效率方面的不足。DVD 光栅除了衍射效率低下这个缺点,还有环形栅可能带来的问题,可能也需要解决。我有一种担心,使用 DVD 一个扇面的扇形栅衍射光束聚焦成亮线,可能不是直线。如何解决这个问题,花费掉我很长的时间和很多的精力。想过很多种解决方案。是,解决的思路有很多,比如将圆环形 DVD 切割成很多很细的扇形,然后再重组出一个直线条纹的光栅。也可以将光束水平方向扩散,垂直方向准直,或者聚焦,即光束只在 DVD 一个半径线上聚焦,利用其中一组光栅。这样截取的光栅相当于直线条纹光栅。

  有时候想来想去,也觉得,其实环形栅也可以说不是问题。衍射光束如果不能聚焦成一根直线,总可以聚焦成一个斑点,操作斑点也可以。并且,有一种情况我能够肯定,只要光源位于 DVD 盘片的转轴上,衍射光束也是点发散光束,可以聚焦成一个斑点或者一根直线亮线。也许,弓形条纹还是直线条纹,根本不影响光栅衍射。如果真是这样,当然更好。
[楼主]  [16楼]  作者:youngler  发表时间: 2014/04/26 17:11 

 

  总想得到一种设计方案,能够直观显示光栅板光点漂移现象。

根据衍射线漂移量算式,

α= 2 vλD / c d d ,

光速 c = 3e8 das ,地面速度 v = 400 das ,

通常,光栅常数 d = 0.74μm ,光栅处光束宽度 D = 42 mm ,

如果选用 VCSEL 激光器 λ= 0.64μm ,得到衍射线漂移量,

α= 2 * 400 * 0.64 * 42,000 / 3e8 * 0.74 * 0.74 = 0.13 

根据游标卡尺道理,0.13 个光斑移动量,可以直接观察。上图绿线画的光束就是提供参考比对的亮线。由一个球面镜聚焦,另一个柱面镜扩散成亮线。

 

[楼主]  [17楼]  作者:youngler  发表时间: 2014/04/26 21:43 

  傍晚时候,意识到观察屏转一个直角,去掉中间绿线条画的参考光束,让两个衍射光束自身比较更加好。晚上把光路图做了重画。画好后,发现一个光路设计错误,这个光路存在散光问题。看来,看似简单的光学实验,其实并不简单,很多理论的陷阱和技术的陷阱,稍一粗心就会不知不觉陷进去。明天再改正原理图。
[楼主]  [18楼]  作者:youngler  发表时间: 2014/04/27 10:55 

   花了一个上午的时间将方案图重新画好,克服了环形光栅带来的散光问题。想明白了,环形光栅的衍射光束不是点发撒光源,而是线发散光源。这里还是方案的示意图,透镜像差问题没有考虑,实际制作的光路,需要三个柱面透镜。中间的屏与入射光束有交叉,可做成空间光路,立交桥那样上下分离,所以实际上是可以不干扰的。

 [19楼]  作者:费邦镜  发表时间: 2014/04/29 04:23 

非常有创意的一个实验,youngler 先生千万不要悲观!新的理论和判决性的实验,都不可或缺。类似季灏老师的“加速器输出粒子的能量和轨道异常现象的实验”、Sagnac 实验,等等这一类实验的不断出现,我相信,总有一天,由量变到质变,狭义相对论会被推翻。youngler 先生,加油!!!
[楼主]  [20楼]  作者:youngler  发表时间: 2014/04/29 04:38 

  想到两个问题,1、技术方面,设计方案进步,对于物件的要求已经降低,2、理论

方面,光栅衍射干涉不存在相干长度问题。

  实验探索构思出直接观察光束漂移的实验方案,带来一些技术方便,对称设计下,

光栅栅距的热胀冷缩,光源波长的漂移,都变得几乎不影响实验效果。这有利于实验从

构思走向设计走向实施。但是实验对于光源还是有一点要求的。对于光源带宽即光波色

纯度依然有要求。光波颜色不纯,衍射光束存在色散,光束亮线变粗,影响观测漂移效

果。考虑这一点,普通的半导体激光器或者说激光二极管还是不能满足以上设计的要求

。采购 VCSEL 激光器,查了一下,阿里巴巴和淘宝的,都只有 850 nm 。

  从光谱仪光栅能够把白光生成彩色光谱来看,光栅衍射干涉不存在相干长度问题。

光栅的长度远远大于了白光的相干长度。
 [21楼]  作者:maxceramic  发表时间: 2014/04/29 11:03 

lz, 这个实验结果为零。你可以试着去做。另外,我已经做成功了更合理的漂移实验,将不久公布原理和结果。

黎卡
[楼主]  [22楼]  作者:youngler  发表时间: 2014/04/29 13:15 

  很高兴发现 黎卡 先生来到本论坛本话题。我现在是工作之余爱好空谈光学实验,更看重的是探索过程,不在乎最后结果。正像攀岩,能够得到什么?光秃秃的岩石,不能得到什么,就是挑战的快乐。
  有些东西,我们无法理解,但是必须接受事实。光波的很多奇怪行为,我们无法理解,但是应该接受事实。光栅衍射干涉,事实表明与相干长度无关,我们就只有接受无关的事实。
  当然,这给实验设计带来一个支持。只要解决带宽问题,就可以使用容易采购到的普通激光二极管做本课题的光源。带宽太宽,亮线无法变窄,影响实验分辨度。简易的压缩带宽的方法,是利用玻璃色散,在焦点处放置小孔或者窄缝,能够起到让适当波长的光波通过,其他波长减少通过。这叫选频,或者叫滤色。当然,既然是光栅实验,利用光栅制造色散然后选色,是效果更好的方法。当然,这会增加实验的复杂程度,也大大降低了光束的亮度。计算过,要接近聚焦极限,需要光束带宽大约是 0.003 ,带宽缩窄 1000 倍,光束亮度因此就降低了 1000 倍。由于激光二极管有输出光束功率大的优点,最后,亮线的亮度估计不是问题。退一步,暗室里总可以看到聚光的亮线。
[楼主]  [23楼]  作者:youngler  发表时间: 2014/05/01 14:07 

  对于本课题,直接观察的演示实验,680 nm VCSEL 激光二极管,是最合适的光源。但是,好事也非常不如意。这一号新产品没有进入零售渠道,批量采购,4000 元卖给你 1 万个,这 10000 个都给你,不管你要多少,4000 元钱不能少,没有商量余地。好哈哈啊,想买个小玩意,你当我是大买家啊。查来查去,大概这个小东西,只有塑料光纤收发器用这个东西。找到塑料光纤收发器厂家,厂家说,要么你就买一个塑料光纤收发器吧,单买其中的零件,我们丢下其它配套的零件报废,我们不做这个亏本生意。找到当地电信的熟人,打听本地有没有塑料光纤收发器在推广应用,心想找个不好用的拆机。但是他们都说本公司只用石英光纤的终端机,没听说过塑料光纤。估计,剩下方便的办法,只有借一个 He-Ne 激光器的选择了。也不由得你原本不是很喜欢。
  所谓,VCSEL 型半导体激光器,是在半导体材料层平面出光的激光器。普通半导体激光器是 FP 型,沿材料层平行方向出光。这种普通的半导体激光器为减少衍射光损耗,出光面反射率大约 50 %,透射率也是大约 50 % ,激光谐振次数少,激光单色性不理想。没有光栅选频,波长也容易漂移。为了改进这两个缺点,发展了很多专业的激光器技术,和很多新型的激光器类型。VCSEL 就是新型半导体激光器之一。但是,凡事都有优点和缺点。VCSEL 激光器质优价廉,但也存在功率小,偏振不稳定这两个缺点,限制了它的应用。所以,当我用到想购买一些的时候,没有廉价的购买渠道。
  其实,也不是仅仅是我对于激光器有这样的要求。那么,专业碰到类似的问你题是怎么处理的呢?他们是花钱买高档的激光器。那么高档激光器又是怎么用低档的半导体做出高档的激光器的呢?这就是外腔技术。在普通半导体激光器外设置反射镜和谐振腔,同时将一部分光束返回半导体激光管内部谐振腔。让合适的波长获得更大的受激辐射机会。系统波长主要由外腔谐振决定。
[楼主]  [24楼]  作者:youngler  发表时间: 2014/05/02 05:15 

  由于半导体激光器内腔非常细小,让外面的光束聚焦返回半导体芯片内腔,非常不容易,也不稳定,为了稳定工作需要一些技术措施和代价,比如石英玻璃平台。所以,性能好的激光器,可以买到,各方面的指标也能够让你满意,就是价钱不是业余玩的。很多时候,人们选择古老的相对廉价的 He-Ne 激光器,就是这一个原因。
  先借一个 He-Ne 激光器试验一下,是暂时最好的选择,以后的事情以后再说。有时间精力,可以玩普通半导体激光器带宽压缩。这样可以避免 He-Ne 激光器体积庞大的问题。相比而言,反馈方式压缩普通半导体激光器带宽,效率高。外选择方式,几乎的光束能量是白白浪费掉了。虽然可以选择高功率的激光二极管,但是不管怎么说,这是一个笨办法。曾经粗略估计过,这种做法至少需要选择 200 mw 以上的 FP 型激光二极管。
  使用 He-Ne 激光器,采购焦距 3-4 mm 柱面聚光镜 1 个,用以扩束,焦距 130-150 mm 大柱面透镜 3 个,或者 1 个切分成 3 个,1 个用以恢复平行光,2 个用以衍射光束聚焦。然后裁下 DVD 光盘的一小片,就可以摸索着如何玩光路了。
  本实验如果原理上没有问题,相比而言,是一个技术简单一个光路实验,也适合业余学习光学知识,适合业余玩的光路实验。
[楼主]  [25楼]  作者:youngler  发表时间: 2014/05/04 07:41 

  昨天,想到绿光激光器是一种固体激光器,可能输出的是一种窄光谱的激光。绿光波长短一些,光栅衍射干涉扩散效果会降低一点,不过人眼对于绿光最为敏感,这是绿光的优点。网上卖绿光激光器,价钱不贵,大约 200 元可以买到 60 w 长时间工作的。问题是,绿光激光器的光谱宽度这个数据心里没底,上网查了一下,不怎么容易找到这个数据。可能是一般地方使用激光器,光谱宽度这个指标并不重要。所以很少有介绍。花了很多时间,总算找到个把数据,大概是这样,普通的是 0.1 nm 带宽,单纵模可以小于 0.0001 nm ,但是了解了一下单纵模绿光激光器价格,远远超越心理价位。
  反正有 He-Ne 激光器做保证,光源质量是有保证的,只是想找个体积小一些的,电源简单一些的,以后可以继续找。所以接下来,关心像差的事情。除了光源的谱宽,这里还有两个像差来源,一个是光栅本身的栅距不均匀会导致像散,第二个是透镜像差。采用长焦透镜有利于消除像差,缺点是这样会导致实验装置尺寸增加,当然也可以采用往返光路解决这个矛盾。DVD 光栅,不是光学光栅,估计会存在散光问题。如果确实存在,则需要购买玻璃光栅。
[楼主]  [26楼]  作者:youngler  发表时间: 2014/05/04 13:57 

  是大约 200 元可以买到 60 mw 长时间工作的绿光激光器。带宽 < 0.1 nm 的激光器,价格都贵。相对来说,还是 He-Ne 激光器的价格,接近平民爱好。网上有很多拆机的 He-Ne 激光器管子和电源,更是便宜,也可以是一种选择。这东西,也不是常用,能用一阵子就行了,更多的时间是放在那里。买好的也是浪费。
  我这么详细介绍实验的目的,是希望大家也来动手做实验。一个理论牵出一个实验,胜过地球人 100 年的辩论,这说明 理论+实验 的强大力量。论坛的辩论真的很想苍白,辩得最好也只是科学理应该是这样,仅此而已。所有社会的现实都不是按共产主义的合理理想来运行的。科学界也是如此,不是共产主义的社会,也是,猜的准的是科学,有用的才是科学理论。所以,不能走到实验的理论,结局是很无奈,没有人会关注的。这么多年来,我想大家都深刻体会了这种处境。所以,总结经验,做科学不能老是说理。其实,要是总是说理的说理,也就不是科学。理论应该具有指导实验的功能,应该走向实验。走向实验,从培养实验兴趣开始。实验能力不是天生的。都是逐步学习获得的。有兴趣设计实验,并努力设计实验,会让我们加深对于理论的理解,也逐步积累了实验设计能力。错了没有关系,错了可以改正。错多了,会逐渐找到正确的路。我也本不是学光学专业的。是设计实验需要,学了一些光学专业的知识。实验知识是可以学习和修炼的。先从简单的做起。
[楼主]  [27楼]  作者:youngler  发表时间: 2014/05/26 09:33 


  很高兴获悉有人也参与了这个实验队伍。我希望更多的人能够参与这个简单的实验
。一个人的实验结果出来,是与不是,人们都是将信将疑的。实验,本来就需要很多人
重复。Michelson 实验,也是后来很多人重复都是同样的结果,才获得科学界的认同,
然后理论物理学家寻找理论解释。当然,现在这个实验,是先理论分析清楚,然后进行
试验。是引力场不随地面自转模型指导下的试验。当然,这种模型很多人知道,并不新
奇。因为光纤陀螺能够检测到地球的自转就显示了这种模型。
  我用 He-Ne 激光器 + DVD 光栅,做了一个简单的光栅衍射光路。很快体现到了
DVD 光栅存在 4 个缺点:散光,两衍射光束聚焦不一致,衍射光束暗,调整麻烦。DVD
光栅这些缺点,可以说,几乎都在意料之中。聚焦不一致,事先似乎没有注意。也没有
注意到这个问题会带来一些调整麻烦。以前没有在试验中使用过简易的 He-Ne 激光器
,把 He-Ne 激光器的正负极接反了,弄坏了一个激光管。由于 DVD 光栅散光,暂时无
法进行演示试验,所以转而试图用光电检测。等学生用光栅到货以后,演示试验继续进
行。用光电检测办法,电路制作不难。相对而言,电路更适合业余玩。但是,很快发现
,光电流存在无规则的漂移现象。所以,简单的光路实验,也碰到了一个不大不小的技
术困难。
[楼主]  [28楼]  作者:youngler  发表时间: 2014/05/26 10:38 

  王飞先生与我讨论过很多次,关于光电噪声的问题,我总算体验到了。几年光电专业知识的沉淀,面对严重的光电检测系统自身漂移问题,我也表现得很镇静,我相信我会找到其中的原因和解决的办法。经过分析也经过逐步测试查找其中的原因,笨办法也是最可靠的办法。通过室内其他光源照射下,发现差分光电管电路本身是稳定的,所以可以认定系统自身严重漂移,这是光路问题。这么简单的光路,哪个环节不稳定呢?由于早就知道激光器的光束方向稳定性这一技术指标,所以我马上想到,直接从激光器出来的光束方向也肯定有一个漂移现象。上网查找论文核实,确实有少数论文介绍 He-Ne 激光器的光束方向漂移现象和解决办法。简单有效的处理办法是,通过单模光纤连接然后光纤衍射出光作为二次光源。这种办法,光束方向稳定性可以达到 1/1,000,000 。看来,这个简单的光路实验,也存在一些技术性困难。由于光束的方向稳定性很难再提高,所以,这个实验即使发现效果存在,实验的检测精度也是很低的。
  专业介绍的是如何改进光源方面。既然找到了问题所在,后续光路方面也有了很多提高光路稳定的设计思路,如果能够解决问题,效果也是一样的。比如,让细光束射向光电管的中心,这样即使光束方向漂移,光束在光电管中位置不固定,只要光电管感光区大于光束晕的漂移范围,也能够让完整的光束能量被光电管接收。经过试验,光电流漂移现象没有了。但是,本课题的特点是,光束需要分光进入光电管,光源因素光束方向漂移还是需要想办法解决。当然,可以通过相互抵消办法消除光源光速方向漂移。但是,带来的问题是,温度导致的衍射角漂移也就无法抵消了。当然,哪方面是主要的漂移,首先抵消哪方面的漂移。如果衍射角漂移是次要问题,光路设计应该考虑抵消光源光束方向漂移。这样,光源还是需要 He-Ne 激光器,塑料光栅也不能选择。如果半导体二极管能够做出方向稳定的原始光束,那么光路设计可以按照原来的,不必修改。半导体激光器的问题,光的单色性不好,衍射光束会有光谱分离现象,导致灵敏度低,只能用光电检测。
 [29楼]  作者:王普霖  发表时间: 2014/05/26 14:07 

youngler 先生:
做这种实验需要考虑的问题太多。基座受振动因素、比如地震,每时每刻都在发生、比如空气流动,使空气密度忽大忽小、夏日地面上出现的海市蜃楼现象就是空气密度不均匀产生的。在玻璃窗内,看外面阳光射入房间内,经常会看到有热气流上升造成的流动影子。即使房间内全部封闭起来,由于激光很热,比日光强很多,也会在光速经过的路程上烧出热通道。该通道会使空气产生运动。
减震、稳定的基座是必要的、光通道真空是需要考虑的、材料的热稳定性也需要考虑,比如采用零温度系数的架构材料,采用恒温装置等。高要求就势必带来高投入,个人肯定难负担。
 [30楼]  作者:王普霖  发表时间: 2014/05/26 14:42 

“也会在光速经过的路程上烧出……”应为“也会在光经过的路程上烧出……”

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