光学论文范文

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2实验过程与结果分析

实验在同一测量环境条件下进行：恒温（20℃±1℃），恒湿（50％±3％）。使激光器预热2h，激光波长稳定在632．8334nm，让导轨以某一速度匀速运动，然后对采集的信号加入电子五细分处理。在本实验系统中，由自混合干涉光路细分原理可知，一个条纹对应的运动距离为λ／8，将此波形通过阈值为0的比较器后得到对应的方波信号，再将方波信号n细分，通过计数方波的个数来得到外部物体实际的运动距离。这样处理后，可以得到的分辨率为λ／8n。一个周期内的正弦波通过过零比较器整形成方波信号，五细分后的波形如图7所示。这样通过计数的方法就可以再次提高分辨率。此外，细分处理前对干涉信号进行了整形，可以显著增强对于叠加在自混合干涉信号上的高斯噪声的抗干扰能力，使测量结果更加稳定可靠。在数字域进行细分时，将上面得到的方波信号改写成二进制码（1111100000），然后将其右移9次，将其奇数次和偶数次的右移结果两两异或，则可以得到（1010101010），即对应的五细分信号及其互补信号（0101010101），实现了对原自混合干涉信号的细分。将PD探测到的微弱信号进行电流－电压（I－V）转换后，变成电压信号，经高通电路去直流后，再经放大电路放大，通过NI公司的数据采集卡USB－6251采集，在PC机上编写LabVIEW程序进行细分计数处理。信号经数字域电子细分后，进行计数后就可以重构并显示物体的实时运动距离。测量实验使用PI精密导轨对实时测量数据进行校准。导轨的移动范围设置为0～200mm，每次匀速步进20mm，移动速度设置为5mm／s，步进10次，每次导轨的示数作为标准；该运动过程由电机自动完成，系统对每次的步进长度进行自动测量记录并给出实时误差，连续记录几十组，选择其中的5组实验数据进行分析。通过拟合曲线与误差分析可以看出，实验结果与实际运动距离有良好的线性关系，且重复性非常的好，实现了使用光学细分与电子细分相结合的方法对物体的运动距离进行实时监测，实验结果与理论分析吻合。

3讨论

激光器作为测量光路的一部分而不能成为一个独立的、波长稳定的光源，其稳定性对测量准确度有很大的影响。空气折射率的变化和角锥棱镜的直角误差也会影响系统的测试精度。1）激光器频率稳定性带来的累计误差。实验中的氦氖激光器输出光在空气中传播的中心波长为632．8334nm，短期频率稳定性为1．5×10－6，因此，在没有反馈时，激光器波长稳定性为δλ＝λδν／ν≈0．9492×10－6μm。当自混合效应反馈系数很低时，频率波动极小。理论计算表明，当外腔长度在百毫米量级时，波长稳定度可以达到10－8的测量准确度，测量不确定度小于0．4μm［9－10］。2）空气折射率变化带来的误差。测量环境的初始条件：空气压强101325Pa，室温20℃，湿度1333Pa。测量过程中，由温度、湿度以及压强传感器可知，只有环境温度会有最大不超过1℃的改变。因此得到折射率的变化为δn≈0．929×10－6。当测量长度为200mm时，测距不确定度小于0．3μm［9］。3）角锥棱镜的直角误差。角锥棱镜的直角误差会直接影响其对光路的反射特性。对于Agilent10767A型号的角锥棱镜，其3个直角误差δθ＜5″。玻璃的折射率为1．56，则测量长度为200mm的测距误差小于0．002μm［11］。由于本实验系统存在3个角锥，则测距不确定度应小于0．006μm。由以上讨论可以知道，影响测量精度的最大因素来自于激光的频率的稳定度。理论上实验系统的测量分辨率可达到波长的1／40。而实际上，受制于激光频率的稳定程度，在弱反馈条件下，百毫米量级运动距离的测量只能达到微米级的测量精度。

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力学中把忽略体积和形状，只具有一定质量的理想物体称为质点，而电磁学中把忽略体积和形状，只具有一定电量的理想带电体称为点电荷，在光学中把忽略体积和形状，只具有一定发光能力的理想物体称为点光源，采用类比法讲授点光源概念，要求学生联想到:一是把一个物体看作为一个点光源，实际上就是突出物体能发光和占有位置这两个根本性质，而忽略了物体的体积和形状;二是能否把一个物体看作为一个点光源，具有相对的意义，同一个物体，在有的问题中可以看作为点光源，而在另一些问题中则不能，这决定于该物体的体积和形状在所讨论的问题中，是否处于无关紧要的地位;三是点光源概念的重要性还表现在不能把发光物体看作为一个点光源的问题中，可以把该发光物体分割成很多体元，而每个体元都足够小，以致在所讨论的问题中可以看作为点光源。对于每个这样的体元，我们可以运用点光源的规律，把得到的所有体元的规律叠加起来就可以得出整个发光物体的规律，如面光源的等倾干涉正是应用此法。再如光线可通过已知的波线进行类比，虚物用实物类比，等倾干涉与等厚干涉之间的类比。运用类比法，对较难理解的物理概念进行简化物理教学，提高教学效率，同时可开阔思路，更多的体现对抽象物理概念的形象理解，作为教师要善于运用类比法进行概念教学。

1．2类比法在理论教学中的应用

物理学是自然科学中的一门基础科学，它不仅有一定的知识内容，而且这些内容之间存在着必然的内在联系，并且部分内容是贯穿于物理学的不同学科之间。将不同学科之间的类似知识进行类比，给学生以启示，使学生易于掌握新知识，同时也巩固了旧知识。光波与机械波分属不同的学科领域，其物理实质不同，但由于其间存在着相似性和可类比性，故可用学生熟知的力学中平面简谐波波函数和波的叠加原理导出惠更斯———菲涅耳原理数学表达式。其后根据惠更斯———菲涅耳原理表述:波面S上每个面积元dS都可以看成新的波源，它们均发出次波，波面前方空间某一点P的振动可以由S面上所有面积元所发出的次波在该点叠加后的合振动来表示;最后写出面积元dS发出的次波的表达式，从平面简谐波波函数表达式用类比法让学生想到次波表达式中振幅、初相位、相位滞后，进一步的在具体内容中再作较合理的假设和理解就不难导出次波的表达式，最终用积分写出惠更斯———菲涅耳原理数学表达式。运用类比法进行光学规律教学，可把陌生的知识和熟悉的知识进行对比，这样可使学生能动地认识、理解并掌握知识，让学生在学习知识的同时，提高获取知识的能力，掌握科学的思维方法，发展智力，也能使学生加深对这些物理事物的认识，增强对其的记忆。

2逻辑推理法

逻辑推理就是根据一系列的事实或论据，使用科学的推理方法，最后得到结论的严密的抽象思维过程，也就是在已有的规律的基础上结合一些概念，运用数学知识推证而得出结论的方法。半波带法是指将波面分成环带，使相邻二环带边缘到考察点P光程差为λ2(相位差为π)，此法叫菲涅耳半波带法。通过画振幅矢量图可求得菲涅耳圆孔衍射合振幅为Ak=［a1+(－1)k+1ak］2，在此基础上，运用逻辑推理可求在圆孔内包含的不是整数半波带时，根据问题所需采用四分之一波带法、八分之一波带法、n分之一波带法。平行光照明的衍射屏，其中阴影部分为遮挡，图中标出的是该处到场点的光程，b是中心到场点的光程，用矢量图解法求轴上场点的光强与自由传播时之比。1a、b、e中将露出波面按四分之一波带进行分割，用矢量图解法可求得结果为2I0、2I0、5I0;1d、f中将露出波面按二分之一波带进行分割，考虑到不是完整半波带时振幅按比例减少，用矢量图解法可求得结果为I0、I0/16;在图2．1c中将露出波面按n分之一波带(n较大波带面积小)进行无限分割，用矢量图解法可求得结果为I0。光栅衍射光强的导出中也可用逻辑推理法，在光栅衍射中只打开第一个狭缝，其余狭缝遮蔽，则在接收屏上呈现单缝夫琅和费衍射图样，而后依次打开第二、三、…、N个狭缝，遮蔽其余狭缝，则每一次在接收屏上呈现与第一次完全一样的单缝夫琅和费衍射图样(位置和光强均一样)，N个缝同时打开，在接收屏上的任一位置必是N束光的相干叠加，于是不难得出结论:光栅衍射是单缝衍射与多光束相干的综合结果。根据振幅A相同且相邻两光相位差φ也相等的N束光相干叠加的光强I=A2sin212Nφsin212φ，对光栅衍射而言，其每一束光的振幅为A用逻辑推理的方法进行讲解，由最基本的理论入手，依次深入，这种方法可以大大提高学生解决问题效率，同时易于学生接受新知识，还可培养学生的逻辑思维能力，教学效果事半功倍。

3近似法

任何真理都是绝对性和相对性的统一，光学理论也不例外。因此，在学习物理知识的同时，既要重视知识的系统性和严密性，又要了解物理理论的近似性。在推导光学公式和结论时，如果完全依照实际情形推导，往往是数学处理非常繁且难度大，用近似方法处理，简化推导过程，而结果与实际基本相符。，考虑在近轴远场条件下，即rd和rλ时有r2－r1≈dsinθ≈dtgθ=dyr0，进一步考虑r0d时又有sinθ≈tgθ=yr0，于是建立起光程差r2－r1与位置坐标y之间的关系，为得出杨氏双缝干涉用位置坐标表示强弱和解决有关复杂问题建立起重要的关系式。厚干涉中的光程差Δ=n2(AB+BC)－n1CD－λ2，因薄膜很薄，且两个表面夹角很小，近似认为与等倾干涉时光程差的表达式一样，即Δ=2n2d0cosi2－λ2，据此能做出更多的近似，只要满足薄膜很薄，两个表面夹角很小，对任意形状的薄膜其光程差为Δ=2n2d0cosi2－λ2，这种近似的方法对处理同类问题带来便利，且办法简单适用。菲涅耳衍射中，用半波带法可知菲涅耳圆孔衍射合振动振幅Ak=［a1±ak］2，如果圆孔的半径为无限大，近似认为ak≈0，则A∞≈a12，可说明没有遮蔽的整个波面对P点的作用等于第一个波带在该点作用的一半，也就说明光能的传播几乎是沿直线进行的，从而得出几何光学是波动光学在圆孔的线度趋于无限大时的极限，对于圆屏衍射合振动振幅Ak=ak+12，圆屏的半径为无限大时作近似ak+1≈0，A∞≈0，又一次说明了几何光学是波动光学在圆屏的线度趋于无限大时的极限。又在夫朗和费衍射中，对单缝衍射光强为珋Ip=Iosin2πbsinθλπbsinθ()λ2，在障碍物缝的线度b远大于光的波长λ时，除θ=0°处光强为Io外，其余位置光强珋Ip≈0，再次说明几何光学是波动光学在障碍物单缝的宽度b趋于无限大时的极限，同理在夫朗和费的圆孔、光栅衍射中用障碍物线度趋于无限大时，从近似后的表达式也能得出类似的结论，综上用近似的方法得出几何光学是波动光学在障碍物的线度趋于无限大时的极限的结论。通过近似方法处理光学问题，紧抓问题的关键，合理近似，能达到求解过程简单，学生理解容易，所得结论与实际符合，物理涵义深刻，是一简单实用的好方法。

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2工作原理

行星光学远程着陆模拟器主要由图像模拟生成系统和图像接收处理系统组成(见图1)，其中图像模拟生成系统拟在成熟的商用投影仪基础上，采用重新设计的投影镜头，以数字微镜阵列(DigitalMicro-mirrorDevice，DMD)作为动态景象生成器，将其投影到无穷远处，即模拟无穷远目标(远程着陆)。图像接收系统利用成像镜头对图像模拟生成系统形成的模拟目标进行成像，通过CCD采集和图像采集卡将图像存储在PC机上，并进行解算。

3技术要求及指标分析

3．1技术要求行星光学远程着陆模拟器系统的设计原则实现对行星远程自主着陆过程进行模拟，重点是能够实现对自主着陆导航算法进行验证。根据行星光学远程自主着陆系统的规划，对模拟器系统的主要要求如下:(1)模拟器系统畸变测试优于千分之一;(2)行星着陆远程光学环境成像分辨率不小于1024×1024;(3)探测目标星等优于5等星;(4)远程光学环境图像分辨率不小于1280×768;(5)远程光学环境图像对比度不小于5000∶1;(6)行星远程着陆光学模拟设备通光孔径不小于直径60mm。

3．2指标分析为满足3．1中(4)和(5)的要求，选用优派投影仪7820HD，其标配镜头和DMD参数如下:(1)焦距(实测值):19．2～25．7mm;(2)F数:2～2．57;(3)镜头安装基面距DMD距离(实测):37mm;(4)型号:0．65”LVDSS6001080p;(5)分辨率:1920×1080;(6)像元大小:7．5μm;(7)偏移量:120%。根据3．2中(2)的要求，选择的CCD相机参数如下:(1)像元大小:5．5μm;(2)分辨率:1024×1024;(3)接口类型:C口。根据所选择的投影仪和CCD相关参数，以及3.2中(6)的要求，可以确定投影镜头的主要光学系统参数如下:(1)入瞳直径:60mm;(2)焦距:150mm;(3)视场:像高大于12mm;(4)后工作距BFL:大于40mm。其中视场的确定依据是DMD的大小及偏置放置，如图2所示，由于DMD是偏置放置，同时考虑到投影镜头的安装方便，将投影镜头的视场范围规划为以投影仪标配镜头的中心，即O点为轴上点，投影仪的视场可由式(1)计算得到。此时，可将投影镜头整体倾斜一定角度来实现成像镜头与投影镜头的对接，相应的成像镜头的设计参数如下:(1)入瞳直径:40mm;(2)焦距:110mm;(3)视场:像高大于2．816mm;(4)后工作距BFL:大于17．526mm。

4光学设计结果

4．1投影镜头根据上述投影镜头的主要光学系统参数，选择双高斯为基本结构型式［15-17］，考虑到方便和成像镜头的光学对接，将标准双高斯的光阑位置由中间调整到最前面，这样就破坏了双高斯镜头原有的对称性，为了有利于像差的校正，加入了两个单片，最终的光学结构图如图3所示。图4为投影镜头的像差曲线，球差和轴向色差都不大，1.0视场以内的像散和场曲都很小，全视场基本无畸变。图5为投影镜头的光学传递函数(MTF)曲线，计算的波长为486.1、587.6、656.3nm，权重1∶1∶1，空间频率0～70lp/mm，设计值接近衍射极限。图6为系统的点列图，0.85视场内星点的形状对称性都很好。

4．2成像镜头成像镜头选择与投影镜头类似的结构型式，由于它的视场较投影镜头要小，在双高斯结构的基础上只增加了1个单片就实现了像差的校正，系统结构图如图7所示。图8为成像镜头的像差曲线，球差和轴向色差都不大，1.0视场以内的像散和场曲都很小，全视场基本无畸变。图9为成像镜头的MTF曲线，计算的波长同投影镜头，空间频率0～100lp/mm，MTF值均在0.6以上。图10为系统的点列图，1.0视场内星点的形状对称性都很好。

4．3投影镜头与成像镜头对接根据3．2中的分析，由于DMD的偏置，为了实现成像镜头整体倾斜2.085°，实际上DMD的分辨率大于模拟器系统要求的环境图像分辨率，该倾斜角度可随着实际使用的DMD区域进行微调，从而实现CCD像素点与DMD像素点的一一对应。整个模拟器光学系统图如图11所示。图12为模拟器系统的MTF曲线，计算的波长同投影镜头，空间频率0～100lp/mm，MTF值均在0.5以上。图13为系统的点列图，视场内星点的形状对称性都很好，有利于后续图像处理。并且光线追迹结果表明，由DMD发出的图像成像在CCD上的实际位置与理想位置最大偏离量为3.8μm，小于1个像素，相对畸变小于1%，满足3.1中(1)的要求。

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二、“光纤通信”课程理论教学方法与实践

1.理论教学过程中的理论分析应从简单递进难度。例如，我们在教学实践过程中学习光纤中的光传输理论时，先讨论学生较熟悉的几何光学法的全反射传输理论，再分析光在光纤中遵循的电磁理论，提出麦克斯韦方程组，并进行严格推导和详细讨论。

2.教学中应适当展开课堂讨论。对于一些较简单并有一定重复性的内容，可以采取课堂讨论的教学模式。由于，光纤制造和光缆制作工艺相对简单易懂，制造过程和方法有很多种。因此，对以上内容进行课堂讨论形式教学。预先把学生分成几组，每组选择2~3个题目，之后收集资料、制作PPT、充分备课。课堂上每组选出1~2个学生，上讲台利用15~25分钟的时间对特定题目进行讲解，讲完后其他成员可以提问，相互讨论。通过以上教学环节，本是一些繁杂的内容从不同讲解者的不同风格再现出来，课堂气氛积极活跃，讲授内容丰富多彩。同时讲解者完成了选题目、制作PPT及备课讲课等全过程，这对即将毕业的学生是一个展现自己、锻炼自己的好机会。

3.教学过程中适当展示实际器件或相关案例。光纤通信是一门要求理论与实践相结合的课程。除了规定的实验课外，在理论教学过程中应该注意理论与实际相结合。在理论教学过程中，涉及一些实际光学元件和设备时，比如，连接器、耦合器、光纤光栅和激光器等，课堂上尽量展示实物及说明书，并说明其在通信网络中的具置和作用。不仅可以活跃课堂气氛，还可以巩固教学内容，留下深刻印象。比如，设计光纤分类和工艺等内容时，我们尽量引入许多国内外的著名企业并展示其相关光纤产品。我国已拥有长飞、亨通、烽火、富通、中天、永鼎、通光、汇源等光缆企业及特发、成康、北康、侯马、富春江、天虹、宏安、华伦、华达、华新、港龙、通鼎、西古、法尔胜等一大批骨干企业。2006年，国内市场光缆总量达2000万芯公里，出口光缆470万芯公里，总产销2470万芯公里以上。2000~2012年，我国光纤需求量增加了整整24倍，年增长率达30%。2006年中国光纤需求量仅占全球的25%左右，至2012年，这一市场份额已超过了50%。光缆总体技术水平已达国际先进水平，主要企业的主要产品指标领先国际先进水平，产品种类规格基本齐全（海底越洋光缆尚差）［5］。

4.概念与其背景相联系。每一学科与每一门课程都具有相应的概念和理论。其中一些现象的发现、一些概念的提出有其历史背景和条件。在光通信，特别是光孤子通信属于这一类，孤子这个名词首先是在流体力学中提出的，其概念可以追溯到1844年英国工程师SocttRussel在《波动论》中记录的一段于1834年8月在爱丁堡一戈拉斯高运河上的一次经历。讲授该内容时，我们抓住其独特的历史，回顾一下当年的发现，活跃课堂气氛，形象准确地理解概念。

5.理论分析与科研成果相联系。在教学实践中应用科技论文，可以使学生对教学内容掌握得更好，同时对科技论文的查阅、内容格式和写作等进一步了解，对以后毕业论文，乃至科研工作有一定的引导作用。对科技论文的选取要注意以下几点：文章的主题符合课程相关内容；科技论文的难度要适当；科技论文作者及其单位在行业有一定的影响力；最后，科技论文内容为该领域研究热点［2］。比如，讲授完光纤结构、制造工艺和传输理论之后，组织学生学进延（烽火通信科技有限公司）的《S-C-L三波段传输新型单模光纤的设计和研究》和专利《一种新型低色散光纤》［3］。通过分析科技论文巩固所学知识，进一步理解提出问题、解决问题，并把成果撰写成科技论文或申请专利的整体过程，提升学生的科学素养，培养学生综合能力。

6.实验、课程设计和仿真模拟。在实践教学环节，我们针对性地开设了12个典型实验。除此之外，结合理论与实践，设置了计算机仿真的课程设计内容。仿真是利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验研究存在的或设计中的系统［6］。很多情况下，因受到实验条件限制，光纤通信中经实际操作，用实验结果证实和分析的内容有限。此时，我们可以学习和利用仿真技术，主要是利用一些光纤通信领域功能较强的模拟软件设计光纤通信器件和光纤通信系统。对光纤通信网络的模拟，参数调整和结果分析加深对实际通信网络的了解，分析其存在的问题，提出解决方案。