工程光学实验

1、目组显微镜（测量实验）一、实验目的了解显微镜的基本原理和结构，并掌握其调节、使用和测量它的放大率的一 种方法。二、实验原理物镜Lo的焦距fo很短，将F1放在它前面距离略大于fo的位置，F1经Lo后 成一放大实像F1,然后再用目镜Le作为放大镜观察这个中间像 F1, F1应成像 在Le的第一焦点Fe之内，经过目镜后在明视距离处成一放大的虚像Fl。三、实验仪器1、带有毛玻璃的白炽灯光源 S2、1/10mm 分划板 F13、二维调整架：SZ-074、物镜 Lo :fo=15mm5、二维调整架：SZ-076、测微目镜Le （去掉其物镜头的读数显微镜）7、读数显微镜架：SZ-388、三维底座：SZ-01

2、9、一维底座：SZ-0310、一维底座：SZ-0311、通用底座：SZ-04四、仪器实物图及原理图图四（1）图四(2)五、实验步骤1、把全部器件按图四的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴。2、把透镜Lo、Le的间距固定为180mm。3、沿标尺导轨前后移动F1 (F1紧挨毛玻璃装置，使F1置于略大于fo的位 置)，直至在显微镜系统中看清分划板 F1的刻线。六、数据处理显微镜的计算放大率：M (250 ) /(fo fe)其中:Fo Fe ,见图示本实验中的fe=250/20(计算方法可参考光学书籍)自组望远镜（测量实验）一、实验目的了解望远镜的基本原理和结构，并掌握其调节、使用和测量它的放大率

3、的两 种方法。二、实验原理最简单的望远镜是由一片长焦距的凸透镜作为物镜，用一短焦距的凸透镜作 为目镜组合而成。远处的物经过物镜在其后焦面附近成一缩小的倒立实像， 物镜 的像方焦平面与目镜的物方焦平面重合。 而目镜起一放大镜的作用，把这个倒立 的实像再放大成一个正立的像，如图五所示。三、实验仪器1、带有毛玻璃的白炽灯光源 S2、毫米尺F3、二维调整架：SZ-074、物镜 Lo :fo=225mm5、二维调整架：SZ-076、测微目镜Le：（去掉其物镜头的读数显微镜）7、读数显微镜架：SZ-388、通用底座：SZ-049、通用底座：SZ-0410、通用底座：SZ-0411、通用底座：SZ-0412

4、、白屏：SZ-13四、仪器实物图及原理图123456 Le 7y /77/ / / /7/ /72UHabc d图五五、实验步骤1、把全部器件按图五的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴。2、把F和Le的间距调至最大，沿导轨前后移动 Lo,使一只眼睛通过Le 看到清晰的分划板F上的刻线。3、再用另一只眼睛直接看毫米尺 F上的刻线，读出直接看到的F上的满量 程28条线对应于通过望远镜所看到 F上的刻线格数e。4、分别读出F、Lo、Le的位置a、b、d。5、去Le,用屏H找到F通过Lo所成的像，读出H的位置c。 六、数据处理 M AB/U2 ABU1 V1 U2AB/(U1 V1 U2) AB U

5、2又空工AB U1M V1(U1 V U2)/(U1 U2)望远镜的测量放大率：M=140/e望远镜的计算放大率：M V1(U1 V U2)/(U1 U2)其中：U1=b-a, V1=c-b, U2=d-c, AB、AB见图中所示。（测量实验）一、实验目的了解幻灯机的原理和聚光镜的作用，掌握对透射式投影光路系统的调节。二、实验原理幻灯机能将图片的像放映在远处的屏幕上，但由于图片本身并不发光，所以要用强光照亮图片，因此幻灯机的构造总是包括聚光和成像两个主要部分，在透射式的幻灯机中，图片是透明的。成像部分主要包括物镜L、幻灯片P和远处的屏幕。 为了使这个物镜能在屏上产生高倍放大的实像。P 必须放在

6、物镜L 的物方焦平面外很近的地方，使物距稍大于L 的物方焦距。聚光部分主要包括很强的光源（通常采用溴钨灯）和透镜L1L2 构成的聚光镜。 聚光镜的作用是一方面，要在未插入幻灯片时，能使屏幕上有强烈而均匀的照度，并且不出现光源本身结构（如灯丝等）的像；一经插入幻灯片后，能够在屏幕上单独出现幻灯图片的清晰的像。另一方面，聚光镜要有助于增强屏幕上的照度。 因此， 应使从光源发出并通过聚光镜的光束能够全部到达像面。为了这一目的，必须使这束光全部通过物镜 L,这可用所谓“中间像”的方法来实现。即聚光器使光源成实像，成实像后的那些光束继续前进时，不超过透镜L 边缘范围。光源的大小以能够使光束完全充满L 的

7、整个面积为限。聚光镜焦距的长短是无关紧要的。通常将幻灯片放在聚光器前面靠近L2 的地方，而光源则置于聚光器后 2 倍于聚光器焦距之处。聚光器焦距等于物镜焦距的一半，这样从光源发出的光束在通过聚光器前后是对称的，而在物镜平面上光源的像和光源本身的大小相等。三、实验仪器1、带有毛玻璃的白炽灯光源S2、聚光镜Li ：fi=50mm3、二维调整架：SZ-074、幻灯底片P5、干板架：SZ-i26、放映物镜L2：f2=i90mm7、二维调整架：SZ-078、白屏H：SZ-i39、三维底座：SZ-0ii0、一维底座：SZ-03ii、二维底座：SZ-02i2、一维底座：SZ-03i3、通用底座：SZ-04四

8、、仪器实物图及原理图（见图六）五、实验步骤1、把全部仪器按图六的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴。2、将L2与H的间隔固定在间隔所能达到的最大位置，前后移动P,使其经L2在屏H上成一最清晰的像。3、将聚光镜Li紧挨幻灯片P的位置固定，拿去幻灯片P,沿导轨前后移动 光源S,使其经聚光镜Li刚好成像于白屏H上。4、再把底片P 放在原位上，观察像面上的亮度和照度的均匀性。并记录下所有仪器的位置，并算Ui、U2、Vi、V2的大小。5、把聚光镜Li拿去，在观察像面上的亮度和照度的均匀性。6、注：演示其现象时的参考数据为 Ui=35, Vi=35, U2=300, V2=520。和 计算焦距时的数据并

9、不相同。六、数据处理放映物镜的焦距：f2 M /(M 1)2 D2聚光镜的焦距：f1D1/(M1) D1/(M1)2其中：D2 U 2 V2、D1 U1V1、Mi(i 1,2)为像的放大率UiViUi Vii 1,2 )S*1图六光的干涉实验一、实验目的观察双缝干涉现象及测量光波波长； 观察牛顿环等厚干涉现象，用干涉法测 量透镜表面的曲率半径。二、实验原理（一）杨氏双缝实验用两个点光源进行光的干涉实验的典型代表， 是杨氏实验。杨氏实验以简单 的装置和巧妙的构思就实现普通光源来做干涉，它不仅是许多其它光学的干涉装 置的原型，在理论上还可以从中提许多重要的概念和启发， 无论从经典光学还是 从现代光

10、学的角度来看，杨氏实验都具有十分重要的意义。杨氏实验的装置如附图2-1所示，在普通单色光源（如钠光灯）前面放一个 开有小孔S的屏，作为单色点光源。在 S照明的范围内的前方，再放一个开有 两个小孔的Si和S2的屏。Si和S2彼此相距很近，且到S等距。根据惠更斯原理, S1和S2将作为两个次波向前发射次波（球面波），形成交迭的波场。这两个相干 的光波在距离屏为D的接收屏上叠加，形成干涉图样。为了提高干涉条纹的亮 度，实际中S, Si和S2用三个互相平行的狭缝（杨氏双缝干涉），而且可以不用 接收屏，而代之目镜直接观测，这样还可以测量数据用以计算。在激光出现以后， 利用它的相干性和高亮度，人们可以用氮

11、式激光束直接照明双孔， 在屏幕同样可 获得一套相当明显的干涉条纹，供许多人同时观看。附图2-1杨氏实验原理图参看附图2-1,设两个双缝Si和S2的间距为d,它们到屏幕的垂直距离为 D （屏幕与两缝连线的中垂线相垂直）。假定S1和S2到S的距离相等，S1和S2处的光振动就是具有相同的相位，屏 幕上各点的干涉强度将由光程差L决定。为了确定屏幕上光强极大和光强极小的位置，选取直角坐标系o-xyz,坐标系的原点。位于S1和S2连线的中心，x 轴的方向为S1和S2连线方向，假定屏幕上任意点 P的坐标为（x,y,D）,那么S1 和S2到P点的距离门和r2分别写为:81p,（x1）2y2D2上82pj（x：

12、）2y2d2由上两式可以得到r22r122xd若整个装置放在空气中，则相干光到达 P点的光程差为:L2ri2xd1 2在实际情况中，d远小于D,这时如果x和y也比D小的多(即在z轴附近观察)则有ri 2 2D。在次近似条件下上式变为：xd L D再由光程差判据L(p) m o(m 0, 1, 2,.) , p 为光强极大处。1L(p) (m 2) o(m 0, 1, 2,.), p 为光强极小处。可知道在屏幕上各级干涉的极大的位置为：mD , x (m 0, 1, 2.)(3)d干涉极小的位置是：1 Dx (m 5)3(m 0, 1, 2.) 相邻两极大或两极小值之间的间距为干涉条纹间距，用V

13、来表示，它反映了条纹的疏密程度。由(3)式可得相干条纹的间距为 x D(5)变换可得： 乂D式中：d两个狭缝中心的间距单色光波波长D双缝屏到观测屏(微测目镜焦平面)的距离这就是本实验所要使用的原理公式。从实验中测得D, d以及x,即可由上式算出 。(二)牛顿环实验一个曲率半径很大的平凸透镜，以其凸面朝下，放在一块平面玻璃板上(如 附图2-2)，二者之间形成一层厚度由零逐渐增大的空气膜， 若对透镜投射单色光， 则空气膜下缘面与上缘面反射的光就会互相干涉。从透镜上看到的干涉花样是以玻璃接触点为中心的一组中央疏，边缘密的明暗相间的同心圆环条纹，这就是牛 顿环。它是等厚干涉，与接触点等距离的空气厚度是

14、相同的。入射光附图2-2从附图2-2来看，设透镜的曲率半径为 R,与接触点O相距为r处的膜厚为d,222222其中几何关系为：R (R d) r R 2Rd d r,2因Rd,所以d可略去，得： d r /2R光线应是垂直入射的，计算光程差时还要考虑光波在平面玻璃上反射会有半波损失，从而带来入/2的附加光程差，所以总的光程差为：2d /2产生暗环的条件是：（2m 1）-（m=0,1,2）其中m干涉条纹的级数.综合上面的式子可得到第m级暗环半径为:rm .mR从此式可见，只要波长人为已知，测量出第 m级暗环半径rm,即可得出平 凸透镜的曲率半径R值。但是由于两镜面接触点之间难免存在着细微的尘埃，

15、 使 光程差产生难以确定的变化，中央暗点就可变成亮点或若明若暗。 再者，接触压 力引起玻璃的变形会使接触点扩大成一个接触面，以致接近圆心处的干涉条纹也 是宽阔而模糊的。这就给 M带来某种程度的不确定性。为了求得比较准确的测 量结果，可以用两个暗环半径rm和rn的平方差来计算曲率半径R。因22rm mR , rn nR两式相减得所以：rm； r： mR nR22rm rn(m n)因m和n有着相同的不确定程度，利用m-n这一相对性测量恰好消除了 由绝对测量的不确定性带来的误差。三、实验仪器（一）杨氏双缝实验1、钠光灯（可加圆孔光栏）2、凸透镜 L:f=50mm3、二维调整架：SZ-074、单面可

16、调狭缝：SZ-225、双缝（使用多缝板，规格参考下面注释）6、干板架：SZ-127、测微目镜Le （去掉其物镜头的读数显微镜）8、读数显微镜架：SZ-389、三维底座：SZ-0110、二维底座：SZ-0211、一维底座：SZ-0312、一维底座：SZ-03(-二）牛顿坏实验1、钠光灯2、半透半反镜3、二维调整架：SZ-074、牛顿坏5、牛顿环直立架：SZ-34-546、读数显微镜架：SZ-387、读数显微镜8、三维底座：SZ-019、通用底座：SZ-0410、一维底座：SZ-03四、仪器实物图及原理图（数据仅供参考）（一）杨氏双缝实验图2-3杨氏双缝实验实物图及原理图（二）牛顿环实验实物图图2

17、-4牛顿环实验实物图五、实验步骤（一）杨氏双缝实验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。钠光 灯（可加圆孔光栏）经透镜聚焦于狭缝上。使单缝和双缝平行，而且由 单缝射出的光照射在双缝的中间。（图中数据均为参考数据）2、直接用眼睛观测到干涉条纹后，再放入微测目镜后进行测量。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、用微测目镜测出干涉条纹的间距x,双缝到微测目镜焦平面上叉丝分化板的距离D。xd .4、利用已知双缝间距，再把测出的x和D代入到公式中求出波D长。把实验值和真实值进行比较，并找出误差原因。（二）牛顿环实验1、调

18、节牛顿环装置三个螺钉，使接触点 O大致在中心，螺钉的松紧程度合 适，太松则接触点不稳定，太紧则将镜压碎，将牛顿环置于牛顿环直立 架上。2、把全部器件按图2-4的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴。3、点亮钠光灯，使钠光垂直射到半透半反镜上，调节半透半反镜的角度和 位置。此时显微镜上看到明亮的视场，前后移动显微镜就可观察到等厚 干涉同心圆环。4、用测微目镜的鼓轮测出K =20、15、10、5牛顿环直径，用环差法：m-n=5, 再由已知波长入二5893?和公式R （rm2 rn2）/（m n）,可求得牛顿环 透镜的曲率半径 Ra。 , R（15 1。）和R（i。5）,三个值求平均就可以 得出牛顿

19、环的曲率半径R的大小。夫郎和费单缝衍射（测量实验）一、实验目的观察夫郎和费衍射图样及演算单缝衍射公式二、实验原理平行光通过狭缝时产生的衍射条纹定位于无穷远，称作夫郎和费单缝衍射。它的衍射图样比较简单，便于用菲涅耳半波带法计算各级加强和减弱的位置。设狭缝AB的宽度为a （如附图10,其中把缝宽放大了约百倍），入射光波 长为人,附图10。点是缝宽的中点，OP0是AB面的法线方向。AB波阵面上大量子波发出的平 行于该方向的光线经透镜L会聚于Po点，这部分光波因相位相同而得到加强。 就AB波阵面均分为AO、BO两个波阵面而言，若从每个波带上对应的子波源 发出的子波光线到达P0点时光程差为入/2,此处的

20、光波因干涉相消成为暗点，屏 幕上出现暗条纹。如此讨论，随着 角的增大，单缝波面被分为更多个偶数波带 时，屏幕上会有另外一些暗条纹出现。 若波带数为奇数，则有一些次级子波在屏 上别的一些位置相干出现亮条纹。如波带为非整数，则有明暗之间的干涉结果。总之，当衍射光满足：BC a sink（ k 1,2.）时产生暗条纹；当满足：BC asin （2k 1） /2（k 0,1,2）时产生明条纹。在使用普通单色光源的情况下（本实验使用钠灯），满足上述原理要求的实 验装置一般都需要在衍射狭缝前后各放置一个透镜。但是一种近似的方法也是可行的，就是使光源和观测屏距衍射缝都处在“远区”位置。用一个长焦距的凸透 镜

21、L使狭缝光源SP1成像于观测屏S上（如附图11）,其中S与SP1的距离稍大 于四倍焦距，透镜大致在这个距离中间，在仅靠L安放一个衍射狭缝SP2,屏S上即出现夫郎和费衍射条纹。附图11设狭缝SP2与观测屏S的距离为，第k级亮条纹与衍射图样中心的距离为Xk则tgXk / b由于 角极小，因而tg sin 。又因为衍射图样中心位置不易准确测定, 所以总是量出两条同级条纹间的距离 2xk0由产生明条纹的公式可知：b2Xk （2k 1）- a由此可见，为了求得入射光波长，须测量 2xk , a和-三个量。三、实验仪器1、钠光灯（加缝或孔光栏）2、凸透镜 L:f=50mm3、二维调整架：SZ-074、单面

22、可调狭缝：SZ-225、凸透镜 L2:f=70mm6、二维调整架：SZ-077、测微目镜Le （去掉其物镜头的读数显微镜）8、读数显微镜架：SZ-389、三维底座：SZ-0110、二维底座：SZ-0211、一维底座：SZ-0312、一维底座：SZ-03四、仪器实物图及原理图缝或孔光档单缝 L2Le钠光灯| |1150 60610180120图十四五、实验步骤1、把钠灯光通过透镜聚焦到单缝上成为缝光源。再把所有器件按图十四的 顺序摆放在平台上，调至共轴。其中小孔（小 =1mm）和微测目镜之间的距离必 须保证满足远场条件。（图中数据均为参考数据）2、调节焦距为70的透镜直至能在微测目镜中看到衍射条

23、纹。如果无条纹，可去调节小孔的大小。直到找到合适的小孔为止。3、仔细调节狭缝的宽度，直到目镜视场内的中央条纹两侧各有可见度较好的3, 4条亮纹。记录单缝和微测目镜的位置，计算出两者间的距离bo4、读出狭缝宽度a,并且记录下来。六、数据处理为了便于计算波长可以设 -z, a而z二xJ2xk为两条同级条纹间的距离2k 1先对不同的次级k求出z值，求平均，再计算- -azb七、注：多孔架的8孔大小分别为:小0.10mm,小0.15mm,小0.20mm,小0.30mm,小 0.50mm,小 0.60mm,小 1.0mm,小 2.0mm。偏振光分析(测量实验)一、实验目的观察光的偏振现象，分析偏振光，起

24、偏，定光轴 二、实验原理(一)偏振光的基本概念光是电磁波，它的电矢量 E和磁矢量H相互垂直，且均垂直于光的传播方 向c,通常用电矢量E代表代表光的振动方向，并将电矢量 E和光的传播方向c 所构成的平面称为光振动面。在传播过程中，电矢量的振动方向始终在某一确定 方向的光称为平面偏振光或线偏振光，如附图15 (a)。光源发射的光是由大量原子或分子辐射构成的。由于大量原子或分子的热运动和辐射的随机性， 它们所 发射的光的振动面，出现在各个方面的几率是相同的。 故这种光源发射的光对外 不显现偏振的性质，称为自然光附图 15 (b)0在发光过程中，有些光的振动面 在某个特定方向上出现的几率大于其他方向，

25、 即在较长时间内电矢量在某一方向 上较强，这种的光称为部分偏振光，如图附图 15 (c)所示，还有一些光，其振 动面的取向和电矢量的大小随时间作有规律的变化，而电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆。这种光称为椭圆偏振光或圆偏振光。附图15 (a)附图15 (b)附图15 (c)(二)获得偏振光的常用方法将非偏振光变成偏振光的过程称为起偏， 起偏的装置称为起偏器。常用的起 偏装置主要有：1、反射起偏器(或透射起偏器)当自然光在两种媒质的界面上反射和折射时， 反射光和折射光都将成为部分 偏振光。当入射角达到某一特定值 b时，反射光成为完全偏振光，其振动面垂直于入射面(见附图16)而角

26、b就是布儒斯特角，也称为起偏振角，由布儒斯特定律得tg b 国 / A例如，当光由空气射向n=1.54的玻璃板时，b=57度若入射光以起偏振角b射到多层平行玻璃片上，经过多次反射最后透射出来的光也就接近于线偏振光，其振动面平行于人射面。由多层玻璃片组成的这种 透射起偏振器又称为玻璃片堆。见附图 17。附图182、晶体起偏器利用某些晶体的双折射现象来获得线偏振光，如尼科尔棱镜等。1、偏振片（分子型薄膜偏振片）聚乙烯醇胶膜内部含有刷状结构的炼状分子。 在胶膜被拉伸时，这些炼状分 子被拉直并平行排列在拉伸方向上，拉伸过的胶膜只允许振动取向平行于分子排 列方向（此方向称为偏振片的偏振轴）的光通过，利用

27、它可获得线偏振光，其示 意图参看图附图18。偏振片是一种常用的“起偏”元件，用它可获得截面积较 大的偏振光束（它就是本实验使用的元件）（三）偏振光的检测鉴别光的偏振光状态的过程称为检偏，它所用的装置称为检偏器。实际上，起偏器和检偏器是通用的。用于起偏的偏振片称为起偏振器，把它用于检偏就成 为检偏器了。按照马吕斯定律，强度为I0的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为I I 0 cos2式中 为入射光偏振方向与检偏器偏振轴之间的夹角。显然，当以光线传播方向 为轴转动检偏器时，透射光强度I将发生周期性变化。当 =0度时，透射光强度 最大；当=90度时，透射光强度最小（消失状态）；当0度 90度时，透

28、射 光强度介于最大值和最小之间。因此，根据透射光强度变化的情况，可以区别光 的不同偏振状态。（四）偏振光通过波晶片时的情形1 .波晶片波晶片是从单轴晶体中切割下来的平行平面板，具表面平行于光轴。当一束单色平行自然光正入射到波晶片上时， 光在晶体内部便分解为o光与 e光。o光电矢量垂直与光轴；e光电矢量平行于光轴。而 o光和e光的传播方向 不变，仍都与表面垂直。但。光在晶体内的速度为v0,e光的为Ve即相应的折射率n0、%不同。设晶片的厚度为，则两束光通过晶体后就有位相差一（n ，）l式中人为光波在真空中的波长。2k的晶片， 2k 称为全波片；者为半波片（入/2波片）; 2k 万为人/4片，上面

29、的k都是任意整数。不论全波 片，半波片或入/4片都是对一定波长而言。以下直角坐标系的选择，是以e光振动方向为横轴，o光振动方向为纵轴。 沿任意方向振动的光，正入射到波晶片的表面，其振动便按此坐标系分解为e分 量和o分量。2 .光束通过波片后偏振态的改变平行光垂直入射到波晶片后，分解为 e分量和o分量，透过晶片，二者间产 生一附加位相差（T。离开晶片时合成光波的偏振性质，决定于0及入射光的性质。（1）偏振态不变的情形（i）自然光通过波晶片，仍为自然光。因为自然光的两个正交分量之间的位相差是无规的，通过波晶片，引入一恒定的位相差小 其结果还是无规的。（ii）若入射光为线偏振光，其电矢量 E平行e轴

30、（或o轴），则任何波长 片对它都不起作用，出射光仍为原来的线偏振光。因为这时只有一个分量，谈不 上振动的合成与偏振态的改变。除上述二情形外，偏振光通过波晶片，一般其偏振情况是要改变的。（2）入/2片与偏振光（i）若入射光为线偏振光，在入/2片的前面（入射处）上分解为Ee Ae cos tEo Ao cos( t ) e =0 或冗出射光表示为LA，2.、Ee Acos( t nel)2.、Eo Acos( t nl)讨论二波的相对位相差，上式可写为Ee Ae cos tla ,2.2,、Eo Aocos( t nl nel)=Ao cos( t),出射光二正交分量的相对位相差由决定。现在0 和0这说明出射光也是线偏振光，但振动方向与入射光的不同。如入射光与晶片 光轴成 角，则出射光与光轴成-角。即线偏振光经人/2片电矢量振动方向转过 了 2角。(ii)若入射光为椭圆偏振光，作类似的分析可知，半波片既改变椭圆偏振 光长(短)轴的取向，也改变椭圆偏振光(圆偏振光)的旋转方向。(3)入/4片与偏振光(i)入射光为线偏振光Ee Ae cos tEo Ao cos( t ) e =0 或冗则出射光为Ee Ae cos t则出射光为Eo Ao cos( tEe A cos tEo Acos( t),),此式代表一正椭圆偏振光对应于右旋, 2一对应于左旋O2当Ae Ao时，出射光