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基于 Unity3D 的全息照相与全息干涉法虚拟仿真平台

2023-06-12 09:265960

另外为了方便平台的使用,提供网页版平台,利用 webGL 技术将项目部署至网页,学生只需在浏览器打开网页即可在线进行实验操作,无需下载任何软件。

3 仿真实验流程

该平台主要支持 3 个实验:反射式全息照相、二次曝光法测定铝板的弹性模量、透射式全息照相[3]。

以二次曝光法测定铝板的弹性模量实验为例,进行一次完整的虚拟仿真实验。

对于场景中的所有仪器设置均与实验室中一致[3],在该实验中使用不到的仪器只需将其摆放在旁边。

首先进行光路调节,如图 10 所示。利用鼠标可以调整平面反射镜的位置、高低、俯仰等角度,同理也可调整扩束镜的位置与角度,将激光通过扩束镜形成的光斑略比干板小一些,同时保证铝板与激光大致垂直。

调节完成后,将激光先挡住,前往干板盒取一块干板,并将干板放上,之后挂上一个砝码,如图 11 所示。

让激光形成的光斑照在干板上,进行第一次曝光,时间为 25 秒(图 12)。

之后将激光挡住,挂上第二个砝码,待稳定后再将挡光板移开,进行第二次曝光,时间为 35 秒(图 13)。

曝光完成后,进行干板的处理:将曝光后的干板用鼠标点击,放在纯净水中浸泡 30 秒取出,滤尽水;将干板依次放入 40%、60%、80%浓度的异丙醇溶液中各脱水 30 秒后取出;最后将干板放入 100%浓度的异丙醇中脱水,直至干板呈现红色或黄绿色为止(图 14)。

最终即可得到实验结果,如图 15 所示,可使用直尺测量条纹间距,并利用一元线性回归法得到铝板的弹性模量。反射式全息图在记录时用波长为 632.8nm 的激光,可以预期,用白光再现,像也应是红的,但实际上,看到的再现像往往是绿色的,其原因是底板在冲洗过程中,乳胶发生收缩,使干涉层间距变小[3]。

对于其他两个实验也可以经过类似操作,下面给出调整光路后的示意图如图 16、图 17 所示。

4 实验结果与讨论

对于二次曝光法测定铝板的弹性模量实验,原始数据见表 1 所示。

由《基础物理实验》课本中两次曝光法测定金属板的弹性模量中可知[2]

在本实验中,α ≈ 0,β ≈ 0,因此我们的式(13)可化简为

令 y = l 2(3L - l ),x = k,设直线方程 y = ax + b,则

,得到如表 2 所示线性回归数据表。

线性回归得到

a = 7275.061×10-9 m

b = 6160.821×10-9 m

r = 0.9994

在实验中 L= 50mm,b = 30mm,h = 0.6mm,λ = 632.8nm,代入式(14)得

铝板弹性模量公认值为 E′ = 72GPa

故相对误差为

因此,便完成了二次曝光法对铝板的弹性模量的测定。其他两个实验也与该实验类似,按照光路图摆放调整好仪器后进行曝光处理,最后对干板进行冲洗处理,即可得到相应实验结果。

下面进行虚拟实验与真实实验的结果对比,如图 18 至图 20 所示。

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