现代光学实验指导.doc

1、实验一 光学实验必备知识光学实验是普通物理、工程光学、光电技术、光电信息工程、测控技术和自动化工程中的重要部分。在进行光学实验前必须对实验中经常用到的基础知识、操作方法和调试技巧进行学习，以便更快地入手和避免光学元器件的损坏。尤其对于初学光学者更要在实验之前阅读这些内容，并且在实验中遵守有关规则，灵活运用书本上的知识。一、光学元件的维护透镜、棱镜和反光镜等光学元件大多数都是由光学玻璃材料经抛光、镀膜等工艺制成的极为精密的器件。尤其是为使光学元件具有较理想的透过率、反射率及透射率等光学性能而采用化学镀膜或真空镀膜的手段镀置一层或多层薄膜，膜层往往薄至纳米量级，而且容易被损坏。即它的机械性能和化学

2、性能都很差，需要特殊呵护。光学元件表面被沾污或污染都将影响光的透过率与反射率等参数，它经不起摩擦、化学腐蚀与强烈的冲击和碰撞。为了安全使用光学元件和光学仪器，必须遵守下面的原则：1、必须在熟悉仪器的性能与使用方法之后才能进行使用与操作；2、轻拿轻放，勿使仪器或光学元器件受到冲击、碰撞和震动，特别注意不能从手中滑落；3、不使用时要及时将光学元件放回包装盒内，长期闲置不用应该将其放入干燥皿中保存；4、手拿光学元器件时切忌用手触摸“工作面”，如果必须拿光学元器件时只能拿它的非工作的“磨砂面”，例如透镜的外圆磨砂面，棱镜的上下底面，柱面镜的上下磨砂面；5、如发现光学元器件的工作面有灰尘，要用专用的干燥

3、脱脂棉轻轻擦拭或用橡皮球吹去；6、若发现光学表面上已被轻微污染或有较轻的印记，可以用清洁的镜头纸轻轻拂去，擦试时不能加压以免光学面被划伤，更不能用普通纸、手帕、毛巾或衣物等进行擦拭；7、进行光学实验时尽量避免说话，防止口水、唾液或其它液体溅落到光学面造成光学面损伤；8、调整光学仪器时要耐心细致，边查看边调整，动作要轻、柔、慢，切忌粗鲁与盲目操作；9、仪器设备用毕后应当及时整理，放回原处或加罩防护，防止灰尘污染。二、消除视差对测量结果的影响光学实验中常常要测量物体的高度、大小与位置，测量经验指出，准确测量物体高度和大小的方法是必须将测量尺紧密靠近被测物体，否则将产生眼睛在不同位置上读出的数据会有

4、很大的差别。常将这种由于被测物体与测量尺之间的距离带来的读数误差称为“视觉误差”，将测量尺尽量靠近被测物或晃动眼睛的位置重复观测读数取其平均值的方法可以减小“视觉误差”，常称其为“消视差”法。光学实验过程中将经常用到“消视差”法解决人眼观测的误差。三、光学系统的共轴调节光学实验中常用到光源、透镜和其他光学元件（例如棱镜、狭缝）等构成，每个透镜都有一个光轴，透镜的焦距、物距和像距等参数均沿光轴计算，理想光学系统像差的校正也是基于光轴的，光轴是所有参与系统的元件轴心的共同中心线。光学系统只有在共轴条件下才能得到理想的光学图像。因此，组成光学实验系统时必须要求各个透镜的光轴在一条直线上。这就是共轴光

5、学系统。在光学实验中如何将光学系统调成共轴是个关键技术。常用的方法如下：1、粗调将光源、各个透镜等光学元器件在光学平台上靠拢，调节它们的取向和高低、左右位置使它们各自的几何中心处在一条和台面平行的直线上（可凭眼观察或借助直尺测量），使透镜的光轴与台面平行，使物（或物屏）、像平面（或像屏）与台面垂直。眼睛判断的调节效果与实验者的经验有关，故成为 粗调。粗调完成后将各个元器件摆放到设计位置再进行细调。2、细调细调常常要借助其他光学仪器设备或成像规律的特征进行细微的调节。不同类型的光学系统有不同的调整方法。下面介绍简单的单透镜对物成像光学系统共轴成像的细调方法。图 1-1单凸透镜物点与光轴共轴调节如

6、图 1-1 所示为物体在单凸透镜光学系统中成像光路图。现在要解决的是如何将物上的某点调整到光轴上的问题。根据凸透镜成像规律，当物与像之间的距离大于 4 倍焦距 f 时，将透镜沿光轴方向移动一段距离，如图中从 O1 点移动到 O2 点，物 AB 将先后成在屏上的像为A1B1与 A2B2，物点靠近透镜时成大像，远离时成小像。物点A 都处于光轴上则两次成像的像点也都落在光轴上。而不在光轴上的B 点两次成的像 B1 和 B2 也都不落在光轴上，显然， B1 大于 B2，B2 比 B1 更接近于光轴。说明越接近于透镜位置偏离光轴的灵敏度越高。为此可以反复调整物点与透镜光轴的高低和左右进行调整，直到远离和

7、靠近镜头像点位置重合，就判断出B 点已经调整到透镜的光轴上。如果需要使多个透镜共轴，则应该先将B 点调整到一个透镜的主光轴上，然后再根据上述原理逐个增加透镜调节它们使之共轴。四、光学元件夹持构件图 1-2 磁性表座调整架与透镜夹持工具进行光学实验之前必须认识光学器件夹持构件，了解如何利用夹持构件将光学器件构成各种光学系统的。如图 1-2 所示为磁性表座、调整架与几种光学器件夹持器，可以看出，通过通用支杆将各种光学器件夹持件与磁性表座相连接，使各种光学器件能够稳定地安放到平台上，位置确定好后可用磁开关使其稳稳地吸附到平台上。图中还介绍了一维调整杆（ Z 轴调整杆），一维调整架和二维调整架的使用方

8、法。Z 轴调整架的下部可以直接通过 M6 的螺纹牢靠地拧在磁性表坐上，上部为装有过渡杆件的孔，其上通过锁紧钉将过渡杆件与调整手柄锁紧。当锁紧钉松开时，转动 Z 轴调整杆可使支杆上的光学器件沿 Z 轴上下移动调整。支杆与夹持器之间通过 M5螺纹连接。X 轴一维调整架是直接用 M6 的螺丝与磁性表座相连接，它上面安装有千分微动推进器，可以使它所装载的光学元器件沿 X 轴方向移动，移动量由千分尺读出。将 Z 轴调整杆安装到一维调整架（ X 轴）上便构成 X、Z 两个方向的调节构成二维调整机构。图 1-2 还提供了用二维调整架与 Z 轴调整架组合构成三维调整机构的装置。二维调整架完成 X、Y 两个方向

9、的调整，而且这两个方向均为千分微调系统，只有 Z 轴方向由螺纹旋转机构实现，没有读数机构。图 1-3 透镜夹持器与多孔板图 1-3 所示几种可以用来安装光学透镜的夹持器，其中V 形 2 维架可以装卡不同的镜片，可以做水平和俯仰2 维调整。如图所示安装方法的二维倾斜调整架能做俯仰和偏转二维调整。轴状物支架的应用很广，它除了能装轴状物以外，还能安装双透镜等其他光学器件。图 1-3 最左侧的多孔板是专门用作小孔衍射实验的器具，但是可以利用小孔的定量性将它用作非接触尺寸测量的“标准孔”。图 1-4 3 种特殊光学支架图 1-4 所示为 3 种特殊光学支架，其中 1 为干板支架，可夹持任何尺寸的干板或平

10、面镜反光板等器件。图中 2 为 X 轴旋转架，可使所夹持的器件绕X 轴旋转 360，还可以垂直方向的俯仰调节。图 1-4 中的 3 是显微目镜支架，用来夹持显微目镜观测光学系统的物像关系。以上介绍了一些常用的夹持器具，夹持器具种类和名称很多，不同厂家的定义不同，本指导书以它在实验中的功能进行定义，不严格追求其确切名字。实验二杨氏双缝干涉实验一.实验目的：通过观察双缝干涉现象找出产生双缝干涉的条件和规律，消化理解有关双缝干涉的公式，进而利用双缝干涉装置测量光波的波长。二.实验仪器：1、LED光源 /650nm 半导体激光器；2、凸透镜L：f=50mm；3、二维调整架：SZ-07 ；4、单面可调狭

11、缝：SZ-22 ；5、多缝板（规格参考注释）；6、干板架：SZ-12 ；7、测微目镜：8、读数显微镜架：SZ-38 ；9、三维底座：SZ-01 ；10、二维底座：11、一维底座：12、一维底座：SZ-02 ；SZ-03 ；SZ-03 ；13、 GDS-型光电综合实验平台。三.实验内容：1、构建双缝干涉实验装置，并将其调整到共轴系统；2、观察双缝干涉图样，找出影响干涉图样的因素；3、双缝间距的变化对干涉图样的影响；4、利用双缝干涉装置测量光波波长。四.实验原理：双缝干涉实验又称杨氏干涉实验，它是建立在两个点光源相互干涉现象基础上的实验。根据干涉条件要求，两光源必须满足相干条件才能产生干涉现象。将

12、一束单色光经过两个相距一定距离的狭缝传播出去，球面波经狭缝产生次球面波将在一定距离以外相遇形成叠加的波场。于是，经双缝产生的两束相干光波在距屏距离为D 处的接收屏上叠加，形成干涉图样。为提高干涉条纹的亮度，实际系统中常用三个相互平行的狭缝，其中一个为光源，两个为双缝。当然，不用屏幕接收而用目镜直接观测能够更准确地测量出条纹的位置数据。半导体激光器的单色性与相干性更强，可以用 LED光束直接照射双缝或双孔，在一定的距离上同样可以获得相当明显的干涉条纹。图 2-1单色光与激光双缝干涉光路在如图 2-1 所示的双缝干涉光路中假设光源S 到狭缝 S1 与 S2 的距离相等， S1与 S2 处的光振动相

13、位差恒定，接收屏上不同点的干涉强度将由光程差L 决定。为了确定屏上光强极大与极小的位置，选取直角坐标系o-xyz ，坐标系的原点O位于 S1 和 S2 连线的中心， x 轴的方向为 S1 和 S2 连线方向，设屏幕上任意点 p 的坐标为 p(x,y,D) ，那么， S1 和 S2 到 p 点的距离 r1 和 r2 分别为（2-1 ）（2-2 ）若整个装置置于空气（ n=1）中，则相干光到达p 点的光程差（2-3 ）再由光程差判据大；，p 点处光强极（2-4 ），p 点处光强极小。可知屏上各级干涉的极大位置为：（2-5 ）各级干涉的极小位置为：（2-6）相邻两极大或极小值之间的间距为干涉条纹间距

14、，常用x 表示，它反映条纹的疏密程度。由（ 2-3 ）式可得到相干条纹的间距为（2-7 ）（2-7）式可以变换为（ 2-8 ）式中 d 为两狭缝中心的间距，为单色光的波长， D 为双缝到观察屏的距离。利用上述公式便可以由测量结果计算出单色光的波长 。用如图 2-2 所示的多缝板进行双缝干涉实验，其中，缝宽与双缝的间距尺寸如图所示，均为已知值。图 2-2多缝板规格放大图五.实验步骤：图 2-3杨氏双缝干涉实验装置1、把全部仪器按照图2-3的顺序在平台上摆放好，并调成共轴系统。将点LED 激光器架在通用表座夹持器上，再用干板架将多缝板固定，当激光光斑入射到双缝板的一对双缝中间时，将在屏幕上显现出干

15、涉条纹。2、直接用眼睛观测到干涉条纹后，再放入测微目镜后进行测量。使相干光束处在目镜视场中心，并调节单缝和双缝的平行度（调节单缝即可），使干涉条纹最清晰。3、用测微目镜测量出干涉条纹的间距x，再从图2-2 中查到所用狭缝的宽度 d，双缝到微测目镜焦平面上叉丝分化板的距离D 代入公式（ 2-8 ），便可计算出光源的波长 。4、将计算值与真实值进行比较，分析误差来源。六.讨论：怎样才能更为精确地测量出双缝与像屏之间的距离 D?如果已知光源的波长，和狭缝与屏之间的距离 D，能否测量出双缝的间隔宽度？七.结束：1、整理所测的实验结果；2、关掉实验平台的电源；3、将所用的配件放回配件箱，将实验所用的仪器

16、收拾好后，请指导教师检查，批准后再离开实验室。实验四夫琅和费单缝衍射实验一.实验目的：观察夫琅和费单缝衍射图样，利用夫琅和费单缝衍射规律对狭缝缝宽等参数进行计算。二.实验仪器：1、LED光源 /650nm 半导体激光器；2、凸透镜 L1：f=15mm；3、二维调整架：SZ-07 ；4、单面可调狭缝：SZ-22 ；5、凸透镜 L2：f=50mm；6、二维调整架：SZ-07 ；7、测微目镜：8、读数显微镜架：SZ-38 ；9、三维底座：SZ-01 ；10、一维底座：SZ-03 ；11、一维底座：SZ-03 ；12、一维底座：SZ-03 ；13、钢板尺；14、 GDS-型光电综合实验平台。三.实验内

17、容：1）夫琅和费单缝衍射图样的特点与功能；2）夫琅和费单缝衍射图样与孔径、距离等参数的关系。四.实验原理：1、夫琅和费单缝衍射的基本原理光束在传播过程中遇到障碍物时，将产生“衍射”现象，在屏幕上形成光强有规则分布的光斑。这些光斑条纹称为衍射图样。衍射图样和衍射物（即障碍物或孔）的尺寸以及光学系统的参数有关，因此根据衍射图样及其变化就可确定衍射物（被测物）的尺寸。按衍射物和观察衍射条纹的屏幕二者之间的位置可以将光的衍射现象分为两类：菲涅耳衍射（有限距离处的衍射）、夫琅和费衍射（无限远距离处的衍射）。若入射光和衍射光都是平行光束，就好似光源和观察屏到衍射物的距离为无限远，产生夫琅和费衍射。由于夫琅

18、和费衍射的理论分析较为简单，所以先讨论夫琅和费衍射。图 4-1夫琅和费单缝衍射原理示意图半导体激光器发出相当于平行单色光的光束垂直照射到宽度为b 的狭缝AB，经透镜在其焦平面处的屏幕上形成夫琅和费衍射图样。若衍射角为的一束平行光经透镜后聚焦在屏幕上 P 点，如图 4-1 所示， 图中 AC垂直 BC，因此衍射角为的光线从狭缝 A、 B 两边到达 P 点的光程差，即它们的两条边缘光线之间的光程差为（4-1 ）p 点干涉条纹的亮暗由BC值决定，用数学式表示如下：当衍射光满足（4-2 ）时产生暗条纹；当衍射光满足（4-3 ）时产生亮条纹。式中的号表示亮暗条纹分布于零级亮条纹的两侧；相应为第一级，第二

19、级， 条纹。中央零级亮条纹最亮最宽，为其它亮条纹宽度的二倍。两侧亮条纹的亮度随级数增大而逐渐减小，它们的位置可近似地认为是等距分布的，暗点等距分布在中心两点的两侧。当狭缝宽度b 变小时，衍射条纹将对称于中心亮点向两边扩展，条纹间距增大。激光衍射图样明亮清晰，衍射级次可以很高。当屏幕离开狭缝的距离 L 远大于狭缝宽度 b 时，将透镜取掉，仍可以在屏幕上得到垂直于缝宽方向的亮暗相间的夫琅和费衍射图样。设狭缝 AB 与观察屏的距离为L，第 k 级亮条纹与衍射图样中心的距离为，则有（4-4 ）由于角极小，因此有（4-5 ）将其与公式（ 4-3 ）中的亮条纹产生条件相比较，可得（4-6 ）因为衍射图样中

20、心位置不易准确测定，所以通常测量两条同级条纹之间的间距，则有（4-7 ）当已知波长，距离L 和同级条纹间距时，由公式（4-7 ）就可以计算出狭缝宽度 b。2、夫琅和费单缝衍射图样图 4-2不同宽度狭缝的衍射图样图 4-2 所示为距离屏幕的距离 L 为 1m 处，不同狭缝宽度 b 所形成的衍射图样。由于 b 值的微小变化将引起条纹位置和间隔的明显变化，因此可以用目测或照相记录或光电测量（面阵 CCD或线阵 CCD相机）方式测出条纹间距，从而求得 b 值或其变化量。利用物体的微小间隔代替狭缝或狭缝的一边，则可测出物体微小间隔。夫琅和费单缝激光衍射传感器的误差由L、的测量精度决定。被测狭缝宽度b 一

21、般为 0.01 0.5mm。五.实验步骤：1、搭建夫琅和费单缝衍射实验装置夫琅和费单缝衍射的实验装置如图 4-3 所示，光路如图 4-4 所示。将 650nm波长的半导体激光光源先固定在光学平台的一端，并利用“电子平台”上的电源（ Vcc）与电阻构成激光器的供电电路（串联 50 的电阻限制流过激光器的电流），使激光器发光。再用焦距15mm的透镜对激光扩束，使扩束后的激光束射到可调宽度的狭缝上，成为缝光源，将所有器件按照图4-3 的顺序摆放在平台上，调至共轴。其中狭缝和测微目镜之间的距离必须保证满足远场条件，调节焦距为 50mm的透镜直至能在测微目镜中看到衍射条纹。图 4-3夫琅和费单缝衍射实验

22、装置图 4-4夫琅和费单缝衍射光路图2、观察夫琅和费单缝衍射图样观察屏幕上出现的衍射图样，仔细调节狭缝宽度，直到目镜视场内的中央条纹两侧各有可见度好的 3、4 条亮纹。3、记录数据 2和 L，并计算狭缝宽度b用钢板尺记录单缝和测微目镜的位置L，同级亮纹之间的间距2，由公式（ 4-7 ）即可计算出狭缝宽度 b。六 .结束：1、整理所测的实验结果；2、关掉实验平台的电源；3、将所用的配件放回配件箱，将实验所用的仪器收拾好后，请指导教师检查，批准后再离开实验室。实验五夫琅和费圆孔衍射实验一.实验目的：观察夫琅和费圆孔衍射图样，掌握用圆孔衍射方法测量孔径的方法。二.实验仪器：1、650nm半导体激光器

23、；2、扩束镜：f=15mm；3、二维调整架：SZ-07 ；4、多孔架：SZ-21 ；5、接收屏：SZ-13 ；6、公用底座：SZ-04 ；7、一维底座：SZ-03 ；8、一维底座：SZ-03 ；9、公用底座：SZ-04 ；10、 GDS-型光电综合实验平台。三.实验内容：观察夫琅和费圆孔衍射图样，理解“艾里斑”与“艾里斑”的半角宽度概念，找出测量圆孔直径的方法。四.实验原理：图 5-1夫琅和费圆孔衍射图样将实验四中的单缝改换成多孔板便构成夫琅和费圆孔衍射实验装置。经过扩束的激光束入射到圆孔上，经圆孔发出的光经透镜会聚到屏幕上，由于单色光通过小孔后产生夫琅和费衍射，在屏幕上将出现如图5-1 所示

24、的明暗相间一组同心圆环。由第一暗环围绕的中央亮斑的光强度占整个入射光束强度的 84%，通常把这个中央亮斑称为“艾里斑”。经过计算可知，艾里斑的半角宽度为（5-1 ）式中 D 为圆孔的直径。若透镜 L2 的焦距为 f ，则艾里斑的线半径由图5-1 可知，为（5-2 ）一般角很小，故。将式（ 5-1 ）代入式（ 5-2 ）得到（5-3 ）显然，知道小孔的直径，便可计算出艾里斑的线半径l 。D五.实验步骤：图 5-2夫琅和费圆孔衍射装置图 5-3夫琅和费圆孔衍射光路图1、 将所有器件按图 5-2 的顺序摆放在平台上，调至共轴，其中多孔板和测微目镜之间的距离必须保证满足远场条件，其光路如图 5-3 所

25、示。2、调节透镜直至能在测微目镜中看到夫琅和费圆孔衍射图样。3、用测微目镜测量出艾里斑的线半径l ，和计算值进行比较。六.结束：1、整理所测的实验结果；2、关掉实验平台的电源；3、将所用的配件放回配件箱，将实验所用的仪器收拾好后，请指导教师检查，批准后再离开实验室。实验六菲涅耳单缝衍射实验一.实验目的：观察菲涅耳单缝衍射现象，分析菲涅耳单缝衍射与夫琅和费单缝衍射的区别。二.实验仪器：1、650nm半导体激光器；2、扩束镜：f=15mm；3、二维调整架：SZ-07 ；4、单面可调狭缝：SZ-22 ；5、接收屏：SZ-13 ；6、公用底座：7、一维底座：8、一维底座：9、公用底座：SZ-04 ；S

26、Z-03 ；SZ-03 ；SZ-04 ；10、 GDS-型光电综合实验平台。三.实验内容：观察菲涅耳单缝衍射现象，分析菲涅耳衍射与夫琅和费衍射的根本区别。四.实验原理：如图6-1所示的衍射装置，取直角坐标系，衍射孔径中心点为坐标原点，图中是衍射孔径上的任一点，是考察面上的任一点，平面和平面平行，相距为 d。则由波动微分方程和格林定理，可以得到直角坐标系中适用于任意照明条件和任意衍射物体的基尔霍夫衍射积分公式为：（6-1 ）其中复常数；为从衍射物体出来的光波复振幅；波矢量。图6-1菲涅耳衍射于是公式（6-1 ）中，由点发出的球面子波传播到点的距离r 可以表示为：当满足这个条件时，将公式（6-2

27、）6-2 ）作二项式展开：（6-3 ）对复指数函数近似的前提条件是：要求r 展开式中第三项引入的相位误差小于，即或（6-4 ）在满足上述条件的前提下，复指数因子中的 r 可以用（ 6-3 ）展开式的前两项来代替，这一近似通常称为菲涅耳近似。我们将满足上述菲涅耳近似条件的衍射称为菲涅耳衍射，其衍射范围可以按上式大致划分。在菲涅耳近似下，基尔霍夫衍射积分公式可以进一步简化为：（6-5 ）上式称为菲涅耳衍射积分公式，如果在菲涅耳衍射区中放置一个二维观察屏，屏上显示的图形即是物体的菲涅耳衍射图形。五.实验步骤：1、将所用光学器件按如图 6-2 所示的布局摆放到光学平台上，并调整成为共轴光学系统。图 6

28、-2菲涅耳单缝衍射实验装置2、对光学器件进行共轴调整；3、半导体激光器发出的光束通过“扩束镜”（必须不满足远场条件）投射到单缝上，则在接收屏上产生菲涅耳衍射图样；4、移动接收屏的位置，观察菲涅耳衍射图样的变化；六.结束：1、整理所测的实验结果；2、关掉实验平台的电源；3、将所用的配件放回配件箱，将实验所用的仪器收拾好后，请指导教师检查，批准后再离开实验室。实验七菲涅耳圆孔衍射实验一.实验目的：观察菲涅耳圆孔衍射现象与衍射图样，分析菲涅耳圆孔衍射与夫琅和费圆孔衍射图样的区别。二.实验仪器：1、650nm半导体激光器；2、扩束镜：f=15mm；3、二维调整架：SZ-07 ；4、多孔架：5、接收屏：

29、SZ-21 ；SZ-13 ；6、公用底座：7、一维底座：8、一维底座：SZ-04 ；SZ-03 ；SZ-03 ；9、公用底座：SZ-0410、 GDS-型光电综合实验平台。三.实验内容：观察菲涅耳圆孔衍射现象，分析菲涅耳衍射与夫琅和费衍射的根本区别。四.实验原理：如图 7-1 所示，激光束通过直径较小的圆孔将在接收屏上产生如图7-2 所示的菲涅耳圆孔衍射图样。菲涅耳圆孔衍射与夫琅和费圆孔衍射不同，前者的衍射图样与接收屏的位置有关，不同的位置衍射图样不同，在某一个位置上中心为亮点，而在另一个位置上中心可能是暗斑。而夫琅和费圆孔衍射图样的中心肯定是亮斑，且称为艾里斑。图 7-1菲涅耳圆孔衍射实验装置图图 7-2 为