頻率和波長(zhǎng)真的有簡(jiǎn)單？

如今，先進(jìn)的萬(wàn)用表（如 Fluke 287）在伏特模式下可以準(zhǔn)確顯示頻率。高頻顯示在臺(tái)式頻率計(jì)數(shù)器中，可以讀取 100 GHz 以上的讀數(shù)。在更高的頻率下，通過(guò)外差法間接進(jìn)行測(cè)量以對(duì)信號(hào)進(jìn)行下變頻。使用二極管或類似設(shè)備作為混頻器，頻率計(jì)數(shù)器可以測(cè)量結(jié)果，前提是兩個(gè)頻率足夠接近。對(duì)于最高頻率，需要多級(jí)外差。

外差法，意味著不止一個(gè)頻率，也用于一種光學(xué)檢測(cè)方法，其中提取以相位或頻率編碼的信息。兩個(gè)光信號(hào)在光電二極管或其他檢測(cè)器中組合。能量響應(yīng)是線性的，而電磁振幅是二次的。如果原始光頻率足夠接近，檢測(cè)器會(huì)產(chǎn)生可以進(jìn)行電子處理的拍頻。

1960 年第一臺(tái)可用激光器建成后，開(kāi)始進(jìn)行光學(xué)外差檢測(cè)。光學(xué)波段檢測(cè)與射頻外差檢測(cè)不同，因?yàn)楣庹袷幩俣忍?，無(wú)法進(jìn)行電子測(cè)量或處理。因?yàn)橥ㄟ^(guò)吸收光子的能量來(lái)檢測(cè)光子，所以揭示了幅度而不是電場(chǎng)相位。因此使用光學(xué)外差法來(lái)降低頻譜光帶之外的信號(hào)。

當(dāng)然，除了外差法之外，還有其他方法可以確定可見(jiàn)光或紫外線范圍內(nèi)的光頻率。有幾個(gè)簡(jiǎn)單的方法值得一提，它們也是幾個(gè) YouTube 視頻的主題。也許最直接的方法適用于從激光指示器****可見(jiàn)光的激光器。

使用 CD 或 DVD 光柵測(cè)量激光波長(zhǎng)的基本設(shè)置。

確定激光指示器的光頻率的簡(jiǎn)單方法是將激光通過(guò)衍射光柵發(fā)送到平面（例如白板）上。衍射光柵將激光分成三束——一束主光束，一束在兩側(cè)——在白板上可見(jiàn)。測(cè)量主光束和副光束之間的距離，并知道光柵到白板的距離和光柵脊線之間的距離（即光柵間距），就可以計(jì)算出光的波長(zhǎng)。

這基本上是一個(gè)免費(fèi)的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)楣鈻磐ǔＮ挥谝迅淖冇猛镜呐f DVD 或 CD 上。通過(guò)去除反射層（通常使用膠帶）來(lái)改變 CD 的用途。通過(guò)從背襯上分離反射層（通常使用刀片），然后使用膠帶撕下反射層，DVD 可以重新利用。關(guān)于改裝 CD 和 DVD 的關(guān)鍵注意點(diǎn)是它們的軌道間距：CD 為 1.6 μm，DVD 為 0.74 μm。

當(dāng)激光通過(guò)光柵照射時(shí)，白板上的主光束與兩側(cè)光束的距離由光柵軌道間距決定。從光柵到主激光光斑的距離和從主光斑到次要光斑之一的距離形成在光柵表面具有衍射角的直角三角形。仔細(xì)觀察光柵表面，會(huì)形成另一個(gè)直角三角形，斜邊由兩個(gè)光柵開(kāi)口之間的距離和衍射角表示。主光束和側(cè)光束之間的距離也是激光波長(zhǎng)的函數(shù)。原因：一束光束必須比另一束傳播得更遠(yuǎn)才能形成側(cè)光斑；附加距離等于一個(gè)波長(zhǎng)。這種關(guān)系產(chǎn)生了等式 sine θ = λ/d，其中 d 是光柵間距。我們可以計(jì)算出光斑 x 和白板的衍射角 D，與 tan θ = x/D 的距離。求解 θ 的方程，然后將 θ 的值代入 θ = λ/d 可以求解激光波長(zhǎng) λ。

當(dāng)激光只涉及一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，這種技術(shù)效果很好。以這種方式通過(guò)光柵的非相干光源將在主光斑的每一側(cè)產(chǎn)生色帶，因?yàn)楣鈻艑⒐獠ㄩL(zhǎng)分開(kāi)。所以測(cè)量所有涉及的距離和角度變得有點(diǎn)笨拙。確定光波長(zhǎng)的更簡(jiǎn)單方法是使用光譜儀。

由幾位視頻博主設(shè)計(jì)的用于 PC 光譜儀軟件的相機(jī)夾具。頂部，這個(gè)家伙使用導(dǎo)管連接來(lái)固定相機(jī)和光學(xué)元件。下面是一個(gè)用木頭建造的相機(jī)裝置。

盡管光譜儀曾經(jīng)是昂貴的臺(tái)式儀器，但用于 PC 的光譜儀軟件甚至讓業(yè)余愛(ài)好者也能觸手可及。通常的傳感器是移除了 IR 濾鏡的網(wǎng)絡(luò)攝像頭。坐在相機(jī)鏡頭前的是一個(gè)臨時(shí) CD 或 DVR 光柵和一個(gè)狹縫開(kāi)口。通常，設(shè)置中最復(fù)雜的部分在于為網(wǎng)絡(luò)攝像頭、光柵和光學(xué)狹縫設(shè)計(jì)固定裝置。這里也有幾個(gè) YouTube 視頻介紹了所涉及的步驟。

從基于 PC 的光譜儀程序顯示。此處使用普通 CFL 的輸出校準(zhǔn)軟件。