用OpenUC2在几分钟内构建迈克尔逊干涉仪

探索光学与“树莓派光学”-显微镜和超越的开源模块化光学工具箱。

介绍

在树莓派和Arduino的时代，电子项目对每个人来说都是触手可及的。然而，光学和像干涉测量这样的高级实验往往仍然是某种程度上的闭源，主要是因为它们缺乏可用性。如果你可以用模块化组件和一些简单的工具来建造一个迈克尔逊干涉仪(这个实验告诉我们，我们并没有离开以太，并且测量了光速!!)会怎么样?这就是OpenUC2的用武之处：一个模块化的光学工具箱，旨在使光学实验像用面包板构建电路一样容易。

在本教程中，我们将向您展示如何使用OpenUC2的模块化立方体系统创建迈克尔逊干涉仪。到最后，您不仅可以可视化干涉图案，还可以了解该设置如何以惊人的精度测量微小变化，如表面粗糙度。

什么是迈克尔逊干涉仪?

迈克尔逊干涉仪使用分束器将光束分成两条路径。光束从镜子反射，重新结合，并根据路径差进行建设性或破坏性干涉。这些干涉图案揭示了精确到纳米级的排列、表面角度或位移的变化。

使用OpenUC2，这种设置的复杂性消失了。代替昂贵和笨重的光学工作台，我们使用3d打印的立方体，运动学镜子支架和可访问的电子设备。

为什么OpenUC2 ?

OpenUC2(“You-See-Too”)是一个受开源原则启发的模块化平台，很像光学乐高。以下是为什么它是学习和修补的理想选择：

模块化：轻松构建，调整和重新配置光学设置。

经济实惠：利用3d打印和现成的组件。

可扩展：添加摄像头，电机或led等组件以增强功能。

开源：一切——从CAD文件到软件——都是公开可用的。

所需材料

我们破例跳过打印零件的步骤，购买即用型OpenUC2发现干涉仪套件并立即开始。这包括立方体、镜子支架和分束器支架，最重要的是，520纳米激光笔。

可选附件:

平移台用于精细镜面调整

用于捕获干涉图案的相机模块

该工具包包含：

•激光二极管

•Hikrobot摄像机(MV-CE060-10UC)带USB连接线(Hikrobot摄像机软件安装)

•舞台带齿轮带镜

•三个运动反射镜(立方体)

•分束器在立方体

•样品夹(立方体)

•一个空立方体

•16个底板

•屏幕

•立方体针孔

•调整对齐的螺丝刀(1,5 x60)

图:

安装迈克尔逊干涉仪的说明：

第一步：建立一个四基板

如图所示构建一个四基板。这将用于连接激光二极管，针孔，分束器和一个空立方体。加上底板固定。

注意：此时激光二极管应一直关闭。不要直接看激光。总是用屏幕来寻找激光。

第二步：放置针孔

放置针孔，这样它是尽可能远的激光二极管。

步骤3：关闭隔膜

尽可能关闭隔膜，最终形成一个小孔。

第四步：放置屏幕，对准激光

将屏幕放在针孔后，打开激光器。对齐很可能是错误的。所以要对准激光，你应该使用螺丝刀和调整激光安装螺丝，使光束在针孔中心。关掉激光。

第五步：用运动镜替换针孔

在不接触激光器螺丝的情况下，从一组立方体中移除针孔，并添加一个运动镜代替。

第六步：将横梁与针孔对齐

利用顶底板和底底板，将针孔置于连接针孔和运动镜的分束器后成一条直线。将屏幕置于针孔后，打开激光器，如图所示将光束对准针孔的中心。关掉激光。

步骤7：设置迈克尔逊干涉仪臂

拆下针孔，按图设置其他底板。这些是迈克尔逊干涉仪的可变臂和参考臂。放置参考镜和活动镜如图所示。将针孔放置在检测点上。用底板固定所有东西。

第八步：对准并观察干涉

将屏幕置于针孔后，打开激光器。你会看到两个光束点，每个镜子一个。用螺丝刀调整活动镜的角度，这样你就可以看到其中一个点的亮度有所提高，并寻找最大值。

步骤9：调整参考镜像

调整参考镜的螺丝，使两束光束尽可能地重叠。

第十步：观察干涉图样

去掉针孔，只放置筛网。你会看到两个延伸的光束。调整参考镜螺钉，使光束完美重叠。你会看到干涉图案出现。然后试着把图案放在屏幕的中间。关掉激光。

步骤11：设置相机

放置相机并将其固定在底板上。连接到电脑上，打开MV软件。

第十二步：调整相机曝光

调整相机的曝光时间。你应该看到一个流苏图案。尽量微调参考镜螺丝，使干涉图案的中心达到相机的中心。

实验数据

这是一个完整组装的UC2干涉仪，有一个绿色激光二极管，一个代表屏幕的摄像机，一个分束器，一个运动反射镜和一个可以沿Z方向平移的反射镜。

如果你把两束光放在一起，你就能观察到干涉图案，如果一束光完全覆盖在另一束光上，就会出现环状图案。这些环也被称为牛顿环，来自于我们干涉两个发散的光束，导致两个球形帽/波的超位置。

使用ESP32相机，我们可以量化光束的运动，例如测量距离或角度。

结论

恭喜你!你已经成功地建立了一个迈克尔逊干涉仪使用UC2模块显微镜工具箱。这个装置可以让你探索光的干涉特性，并进行有趣的实验。当您移动其中一个手臂时，您将观察到相机上的建设性和破坏性干涉图案，展示光的波状性质。有乐趣的实验不同的设置和学习更多关于光的波粒二象性!

本文编译自hackster.io