WSZ-710A715A方形光具座实验装置使用说明书070117资料

1、天津拓普WSZ-710A/715A方形光具座实验装置使用说明书V 1.0天津市拓普仪器有限公司目录一、用途与适用范围2二、仪器特点2三、仪器成套性2四、安装说明2五、参考实验讲义3实验一 用自准法测薄凸透镜焦距f ( 测量实验 )3实验二 牛顿环装置( 测量实验 )4实验三 测节点位置及透镜组焦距( 测量实验 )6实验四 自组望远镜 ( 测量实验 )10实验五 自组透射式幻灯机( 测量实验 )11实验六 目镜焦距 fe 的测量 ( 测量实验 )13实验七 阿贝成像原理和空间滤波（测量实验）15实验八 菲涅尔双棱镜干涉( 测量实验 )18实验九 用位移法测薄凸透镜焦距f ( 测量实验 )21实验

2、十 夫朗和费单缝衍射( 测量实验 )23实验十一夫朗和费圆孔衍射( 测量实验 )26实验十二菲涅尔单缝衍射（演示实验）27实验十三菲涅尔圆孔衍射（演示实验）29实验十四菲涅尔直边衍射（演示实验）30实验十五偏振光分析 ( 测量实验 )32实验十六杨氏双缝干涉 ( 测量实验 )38实验十七调制和颜色合成（演示实验）41六、技术服务帮助431一、用途与适用范围WSZ-710A/715A系列光具座是我公司专门为高等院校物理和光学实验室提供的实验基础设备，能与本公司生产的多种调整架及光学器件配合使用。广泛应用于各种光学实验和测量中。可开设各种透镜及透镜组数据的测量试验；干涉、衍射的观察和测量实验；偏振

3、光、信息光学等实验。二、仪器特点我公司生产的 WSZ-710A/715A 方形光具座实验装置导轨（见图 1）采用方形截面铸铁材料，导轨长度为 1000mm（ 710A）/1500mm（715A）。具有外形美观、稳定性好、使用方便的特点。该装置可以开设 17 项实验，用户也可以根据需要从中任意选择其中的几项。可开设的实验见目录。图 1 方形光具座 （铸铁）三、仪器成套性WSZ-710A/715A 方形光具座实验装置包括 WSZ-710/715 型方形光具座一台，以及各种滑座、调整架镜头等器件，根据所选实验的不同配置不同，成套性详见装箱单。四、安装说明打开包装箱，按装箱单清点数量。将导轨置于桌面上

4、，分别调整底脚使其稳固。新光具座开始使用时清除多余防锈用黄油，但应在导轨上保留足够的黄油以防生锈。将各器件按照讲义要求分别放于导轨上，即可开始实验。长期不使用时，应将其表面涂抹黄油放置在干燥环境中。2五、参考实验讲义实验一用自准法测薄凸透镜焦距f ( 测量实验 )一、实验目的掌握简单光路的分析和调整方法了解、掌握自准法测凸透镜焦距的原理及方法二、实验原理当发光点（物）处在凸透镜的焦平面时， 它发出的光线通过透镜后将成为一束平行光。若用与主光轴垂直的平面镜将此平行光反射回去，反射光再次通过透镜后仍会聚于透镜的焦平面上，其会聚点将在发光点相对于光轴的对称位置上。三、实验仪器1、带有毛玻璃的白炽灯光

5、源S2、品字形物象屏P： SZ-143、凸透镜 L ：f=190mm(f=150mm)4、二维调整架：SZ-075、平面反射镜 M6、二维调整架：SZ-077、滑座：TH708、滑座：TH70YZ9、滑座：TH7010、滑座：TH70四、仪器实物图及原理图123456SPLM10LM毛玻璃SP*50190190图一3五、实验步骤1、把全部元件按图一的顺序摆放在导轨上，靠拢，调至共轴。而后拉开一定的距离。可调成如图一所示的距离2、前后移动凸透镜L ，使在物像屏 P 上成一清晰的品字形像。3、调 M 的倾角，使 P 屏上的像与物重合。4、再前后微动透镜L ，使 P 屏上的像既清晰又与物同大小。5、

6、分别记下 P 屏和透镜 L 的位置 a1、a2。6、把 P 屏和透镜 L 都转 180 度，重复做前四步。7、再记下 P 和 L 的新位置 b1、b2。8、分别把 f=150mm 和 f=190mm 的透镜各做一遍，并比较实验值和真实值的差异，并分析其原因。9、老师可选择更多规格的透镜进行实验。（选做）六、数据处理fa a2 a1f bb2 b1被测透镜焦距： f( f af b ) / 2实验二牛顿环装置(测量实验 )一、实验目的观察等厚干涉现象，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 1），二者之间形成一层厚度由零逐

7、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相同的。入射光Rrd附图 14从附图 1 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，其中几何关系为：22222rR ( R d)rR 2 R d d因 Rd，所以 d 2可略去，得：dr 2 / 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 /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：

8、( 2m1 )( m = 0 , 1 , 2 . . . )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：rmm R从此式可见，只要波长 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值。但是由于两镜面接触点之间难免存在着细微的尘埃，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。因rm2m R， rn2nR两式相减得rm2rn

9、2mRnR所以：rm2rn2Rn)(m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1、钠光灯2、半透半反镜3、二维调整架：SZ-074、牛顿环5、牛顿环直立架：SZ-346、读数显微镜架:SZ-387、读数显微镜8、滑座：TH70YZ9、滑座：TH7010、滑座：TH70Z5四、仪器实物图及原理图145236770mm25mm35mm1098图二五、实验步骤1、调节牛顿环装置三个螺钉， 使接触点 O 大致在中心， 螺钉的松紧程度应合适， 太松则接触点不稳定，太紧则将镜片压碎。将牛顿环置于牛顿环直立架上。2、把全部器件

10、按图二的顺序摆放在导轨上，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。六、数据处理可用测微目镜的鼓轮测出=20、15、 10、5 牛顿环直径，用环差法 :m-n=5，再由已知波长 =5893? 和公式 R(rm2rn 2 ) /( mn) ，可求得牛顿环透镜的曲率半径R（） ,（）和 R（），三个值求平均就可以得出牛顿环的曲率半径的大小。实验三测节点位置及透镜组焦距( 测量实验 )一、实验目的了解透镜组节点的特性，掌握测透镜组节点的方法。二、实验原理光学仪器中的共轴球面系统、厚

11、透镜、透镜组，常把它作为一个整体来研究。这时可以用三对特殊的点和三对面来表征系统在成像上的性质。若已知这三对点和三对面的位置，则可用简单的高斯公式和牛顿公式来研究起成像规律。共轴球面系统的这三对基点和基面是：主焦点（ F， F）和主焦面，主点（ H， H）和主平面，节点（ N，N）和节平面。如附图 1，6F uNNFHHu附图 1PNNFQF附图 2实际使用的共轴球面系统透镜组，多数情况下透镜组两边的介质都是空气，根据几何光学的理论，当物空间和像空间介质折射率相同时，透镜组的两个节点分别与两个主点重合，在这种情况下，主点兼有节点的性质，透镜组的成像规律只用两对基点（焦点，主点）和基面（焦面，主

12、面）就完全可以确定了。根据节点定义， 一束平行光从透镜组左方入射，如附图 2，光束中的光线经透镜组后的出射方向，一般和入射方向不平行，但其中有一根特殊的光线，即经过第一节点N 的光线 PN，折射后必然通过第二节点N且出射光线 NQ 平行与原入射光线PN。设 NQ 与透镜组的第二焦平面相交于 F点。由焦平面的定义可知， PN 方向的平行光束经透镜组会聚于 F点。若入射的平行光的方向 PN 与透镜组光轴平行时， F点将与透镜组的主焦点 F重合，如附图37NNFPQF附图 3综上所述，节点应具有下列性质：当平行光入射透镜组时，如果绕透镜组的第二节点N微微转过一个小角 ，则平行光经透镜组后的会聚点 F

13、在屏上的位置将不横移，只是变得稍模糊一点儿，这是因为转动透镜组后入射于节点 N 的光线并没有改变原来入射的平行光的方向，因而 NQ 的方向也不改变，又因为透镜组是绕 N点转动， N 点不动，所以 NQ 线也不移动，而像点始终在 NQ 线上，故 F点不会有横向移动，至于 NF的长度，当然会随着透镜组的转动有很小的变化，所以F点前后稍有移动，屏上的像会稍有模糊一点。反之，如果透镜组绕N点以外的点转动，则 F点会有横向移动，利用节点的这一特性构成了下面的测量方法。使用一个能够转动的导轨，导轨侧面装有刻度尺，这个装置就是节点架。把透镜组装在可以旋转的节点架导轨的上，节点架前是一束平行光，平行光射向透镜

14、组。接着将透镜组在节点架上前后移动，同时使架做微小的转动。两个动作配合进行，直到能得到清晰的像，且不发生横移为止。这时转动轴必通过透镜组的像方节点 N，它的位置就被确定了。并且当 N与 H重合时，从转动轴到屏的距离为 N F，即为透镜组的像方焦距 f。把透镜组转 180 度，使光线由 L 2 进入，由 L 1 射出。利用同样的方法可测出物方节点 N 的位置。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=190mm5、二维调整架：SZ-076、透镜组 L1、L2 ：f1=220mm，f2=300mm7、节点架：SZ-258

15、、测微目镜 Le（去掉其物镜头的读数显微镜）9、读数显微镜架:SZ-3810、滑座：TH70YZ11、滑座：TH70Z12、滑座：TH70Z13、滑座：TH70Z14、滑座：TH7015、白屏：SZ-138四、仪器实物图及原理图1234Lo5678Le9SFL1L2F1413121110毛玻璃FLoL1L2LeSFo透镜组*50190130180图三五、实验步骤1、调节由 F，Lo 组成的“平行光管”使其出平行光，可借助于对无穷远调焦的望远镜来实现。2、将“平行光管”、待测透镜组、测微目镜，按图三的顺序摆放在导轨上，目测调至共轴。3、前后移动测微目镜，使之能看清F 处分划板刻线的像。4、沿节点

16、调节架导轨前后移动透镜组， （同时也要相应地移动测微目镜） ，直至转动导轨时，F 处分划板刻线的像无横向移动为止，此时像方节点N 落在节点调节架的转轴上。5、用白色屏 H 代替测微目镜， 使分划板刻线的像清晰的成于白色屏上，分别记下屏和节点调节架在标尺导轨上的位置 a、b，再在节点调节架的导轨上记下透镜组的中心位置 （用一条刻线标记）与调节架转轴中心（ 0 刻线的位置）的偏移量 d。6、把节点调节架转180 度，使入射方向和出射方向相互颠倒，重复3、4、 5 步，从而得到另一组数据 a 、b 、d 。六、数据处理1、像方节点 N 偏离透镜组中心的距离为：d透镜组的像方焦距： f =a-b物方节

17、点 N 偏离透镜组中心的距离为：d透镜组的物方焦距为： f=a-b2、用 1： 1 的比例画出该透镜组及它的各个节点的相对位置。9实验四自组望远镜 ( 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 FL=7mm3、二维调整架：SZ-074

18、、物镜 Lo ：f o=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、滑座：TH709、滑座：TH7010、滑座：TH7011、滑座：TH7012、白屏：SZ-13四、仪器实物图及原理图图四10五、实验步骤1、把全部器件按图四的顺序摆放在导轨上，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

19、、Le 的位置 a、b、d。5、拿掉 Le，换上白屏 H 找到 F 通过 Lo 所成的像，读出H 的位置 c。六、数据处理 MA B/U 2ABU1V1 U2AB /(U 1 V1U 2 )ABU 2又 ABV1ABU 1 MV1 (U1V1U2) /(U1U 2 )望远镜的测量放大率：M=140/e望远镜的计算放大率：MV1(U1V1U 2)/(U1U2 )其中： U1=b-a，V 1=c-b，U2=d-c，AB 、 AB 如图四所示。实验五自组透射式幻灯机( 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

20、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 L1L 2 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

21、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11的大小以能够使光束完全充满 L 的整个面积为限。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 L 2 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 L1：f1=50mm3、二维调整架：SZ-074

22、、幻灯底片 P5、干板架：SZ-126、放映物镜 L2：f2=190mm7、二维调整架：SZ-078、白屏 H：SZ-139、滑座：TH70YZ10、滑座：TH70Z11、滑座：TH70YZ12、滑座：TH70Z13、滑座：TH70四、仪器实物图及原理图（见图五）123 45 6 Lo 78FS131211109H毛玻璃L1PL2S*U1=270V1=35U2=290V2=530图五五、实验步骤1、把全部仪器按图五的顺序摆放在导轨上，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 L 2 在屏 H 上成一最清晰的像。123、将聚光镜 L1 紧挨

23、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 L 1 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 U1、U2、V1、V2 的大小。5、把聚光镜 L1拿去，再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 U1=35，V1=35，U2=300， V2=520。和计算焦距时的数据并不相同。六、数据处理放映物镜的焦距： f2M /(M1)2D2聚光镜的焦距： f1D1 /(M1)D1 /(M 1) 2其中： D2U2 V2、D1U 1V1 、 M iVi（ i1,2 ）为像的放大率U

24、 if iU i Vi（ i1,2 ）U i Vi实验六目镜焦距 fe 的测量 ( 测量实验 )一、实验目的了解、掌握用测量物像放大率来求目镜焦距f e 的原理及方法二、实验原理焦距的测量可以归结为测量焦点到光学系统的某一指定点的距离。测量焦距时，常用到牛顿公式：x xff 。若物空间和像空间的光学介质相同，则x xf 2 。线放大率： my / yf / xx / f 。三、实验仪器1、带有毛玻璃的白炽灯光源S2、1/10mm 分划板 F3、二维调整架：SZ-074、被测目镜 Le(fe=14mm)5、可变口径二维架：SZ-056、测微目镜 L( 去掉其物镜头的读数显微镜)7、读数显微镜架:

25、SZ-388、滑座：TH70YZ139、滑座：TH70Z10、滑座：TH70Z11、滑座：TH70四、仪器实物图及原理图123 4567SFLe111098毛玻璃 FLe分划板S*1515120图六五、实验步骤1、把全部器件按图六的顺序摆放在导轨上，靠拢后目测调至共轴。2、在 F、Le、L 的底座距离很小的情况下，前后移动Le，直至在测微目镜 L 中看到清晰的1/10mm 的刻线，并使之与测微目镜中的标尺（mm 刻线）无视差。3、测出 1/10mm 刻线的宽度，求出其放大倍率 m1，并分别记下 L 和 Le 的位置 a1、 b1。4、把测微目镜 L 向后移动 3040mm，再慢慢向前移动 Le

26、，直至在测微目镜L 中又看到清晰且与毫米标尺刻线无视差的1/10mm 的刻线像。5、再测出像宽，求出m2，记下 L 和 Le 的位置 a2、 b2。六、数据处理mx=像宽 /实宽像距改变量： S(a2b2 )( a1b1 )S被测目镜焦距：fem2m114实验七阿贝成像原理和空间滤波（测量实验）一、实验目的了解付里叶光学基本原理的物理意义，加深对光学中的空间频谱和空间滤波等概念的理解。二、实验原理1、傅立叶变换在光学成像系统中的应用。在信息光学中、常用傅立叶变换来表达和处理光的成像过程。设一个 xy 平面上的光场的振幅分布为 g(x,y)，可以将这样一个空间分布展开为一系列基元函数 expiz

27、 ( fx x f y y) 的 线性叠加。即g ( x, y)G( fx f y )exp2( fx xfy y)df xdf y(1)f x ， fy 为 x,y 方向的空间频率，量纲为L 1 ； G( fx f y ) 是相应于空间频率为fx ， f y 的基元函数的权重，也称为光场的空间频率，G( f x f y ) 可由下式求得：G( x, y)g( x, y)exp2i ( fx xf y y)dxdy(2)g(x,y)和 G( f x f y ) 实际上是对同一光场的两种本质上等效的描述。当 g(x,y)是一个空间的周期性函数时，其空间频率就是不连续的。例如空间频率为f0 的一维

28、光栅，其光振幅分布展开成级数：g (x)Gn exp i 2 n f0 xn相应的空间频率为f=0， f0 ， f0 。2、阿贝成像原理傅立叶变换在光学成像中的重要性，首先在显微镜的研究中显示出来。 E.阿贝在 1873 年提出了显微镜的成像原理，并进行了相应的实验研究。阿贝认为，在相干光照明下，显微镜的成像可分为两个步骤， 第一个步骤是通过物的 衍射光在物镜后焦面上形成一个初级衍射 （频谱图）图。第二个步骤则为物镜后焦面上的初级衍射图向前发出球面波，干涉叠加为位于目镜焦面上的像，这个像可以通过目镜观察到。成像的这两步骤本质上就是两次傅立叶变换，如果物的振幅分布是g(x,y) ，可以证明在物镜

29、后面焦面 x ， y 上的光强分布正好是 g(x,y)的傅立叶变换 G( f x f y ) 。（只要令 f xx， f yy，FF为波长， F 为物镜焦距）。所以第一步骤起的作用就是把一个光场的空间分布变成为：空间频率分布；而第二步骤则是又一次傅氏变换将G( f x f y ) 又还原到空间分布。附图 1 显示了成像的这两个步骤，为了方便起见，我们假设物是一个一维光栅，平行光照15在光栅上，经衍射分解成为向不同方向的很多束平行光 （每一束平行光相应于一定的空间频率） 。经过物镜分别聚集在后焦面上形成点阵，然后代表不同空间频率的光束又从新在像平面上复合而成像。附图 1但一般说来，像和物不可能完

30、全一样，这是由于透镜的孔径是有限的，总有一部分衍射角度较大的高次成分（高频信息）不能进入到物镜而被丢弃了，所以像的信息总是比物的信息要少一些，高频信息主要是反映物的细节的， 如果高频信息受到了孔径的阻挡而不能到达像平面，则无论显微镜有多大的放大倍数，也不可能在像平面上分辨出这些细节，这是显微镜分辨率受到限制的根本原因，特别当物的结构是非常精细（例如很密的光栅） ，或物镜孔径非常小时，有可能只有 0 级衍射（空间频率为 0）能通过，则在像平面上就完全不能形成图像。3、光学空间滤波上面我们看到在显微镜中物镜的孔径实际上起了一个高频滤波的作用，这就启示我们，如果在焦平面上人为的插上一些滤波器（吸收板

31、或移相板）以改变焦平面上光振幅和位相就可以根据需要改变像平面上的频谱，这就叫做空间滤波。最简单的滤波器就是把一些特殊形式的光阑插到焦平面上，使一个或几个频率分量能通过，而挡住其他频率分量，从而使像平面上的图像只包括一种或几种频率分量，对这些现象的观察能使我们对空间傅立叶变换和空间滤波有更明晰的概念。三、实验仪器1、He-Ne 激光器（ 632.8nm）2、扩束镜 L1：f1=4.5mm3、二维调整架：SZ-074、准直镜 L2：f2=190mm5、二维调整架：SZ-076、一维光栅（ 25L/mm ）7、干板架：SZ-128、傅立叶透镜 L3f3=150mm9、白屏 P：SZ-1310、滑座：

32、TH7011、滑座：TH70YZ12、滑座：TH70Z13、滑座：TH70YZ14、滑座：TH70Z15、滑座：TH70Z16、滑座：TH701617、频谱滤波器：SZ-32四、仪器实物图及原理图H123 45678179L1L2L3傅氏面16151413 121011频谱滤波器H一维光栅L1L2L312016070120250230图七五、实验步骤及数据处理1、用 L1、L2 组成扩束系统，使其出射的平行激光光束垂直的照射在其狭缝沿铅直方向放置的一维光栅上。前后移动变换透镜L3，使光栅（物）清晰的成像于离物两米以外的墙壁上。此时光栅位置接近于透镜的前焦面，故透镜的后焦面就为其傅氏面，该面上光

33、强的分布即为物的空间频谱。 用白屏 H 在透镜的后焦面附近慢慢移动，在透镜后焦面上可以观察到水平排列的一些清晰光点。这些光点相应于光栅的0， 1， 2.级衍射极大值，用米尺大约测出各光点与中央最亮点的距离x ，由 x 以及透镜的焦距F，光波波长，试求出这些光点相应的空间频率。位置x空间频率（ 1/mm）（mm）一级衍射二级衍射三级衍射172、在 L3 后焦面（傅氏面）处放入频谱滤波器，挡去0 级以外的各点，观察像面上有无光栅条纹。3、调节光栏，使 0 级和 1 级最大值通过，观察像面上的光栅条纹像，再把光栏拿去，让更高级次的衍射都能通过， 再观察像面上的光栅条纹像， 试看这两种情况的光栅条纹像

34、的宽度有无变化。选做：4、把一维光栅换成二维正交光栅，再前后移动变换透镜L3，使光栅（物）清晰的成像于离物两米以外的墙壁上。这时在透镜后焦面上观察到二维的分立光点阵（即 正交光栅的频谱）。在傅氏面处加一频谱滤波器，使通过光轴的一系列光点通过，观察像平面上一维条纹像的方向。5、将频谱滤波器转过90 度角，让包含 0 级的水平的一排光点通过，观察像平面上一维条纹像的方向。6、再将频谱滤波器转过45 度角，观察像面上条纹像的方向。7、用网格字替换二维光栅，观察网格字的像的构成。8、再将一个可变圆孔光栏放在付氏面上， 逐步缩小光栏， 直到只让光轴上一个光点通过为止，再观察网格字的像的构成，试与没滤波之

35、前的字相比较。实验八菲涅尔双棱镜干涉( 测量实验 )一、实验目的观察双棱镜干涉现象及测定光波波长二、实验原理利用光的干涉现象进行光波波长的测量，首先要获得两束相干光，使之重叠形成干涉，干涉条纹的空间分布既跟条纹与相干光源之间的相对位置有关，又跟光波波长有关，从它们之间的关系式就能测出光波波长。本实验利用双棱镜获得两束相干光，如附图 1 所示，双棱镜是由两块底边相接、折射棱角 小于 1 度的直角棱镜组成的，从单缝 S 发出的单色光的波阵面，经双棱镜折射后形成两束互相重叠的光束，它们相当于从狭缝 S 的两个虚像 S1 和 S2 射出的两束相干光。于是在波束重叠的区域内产生了干涉，在该区域内放置的屏

36、上可以观测到干涉条纹。双棱镜观察屏S1SxS2干涉条纹D附图 1如附图 2 所示，设 S1 与 S2 的间距为 d，缝 S 至观察屏的距离为 D，O 为观察屏上距 S1 和 S2 等距的点，由 S1 和 S2 射来的两束光在 O 点的光程差为零，故在 O 点处两光波互相加强形成18零级亮条纹，而在O 点两侧，则排列着明暗相间的等距干涉条纹。pS1xdSOS2D附图 2对于屏上距 O 点 为 x 的 P 点。当 Dd。Dx 时，有 d=x/ SP因为 SPD故 dx/D即=xd/D根据相干条件，当光程差 满足：（1） =2k()时，即在x=D处（k=0、 、 、 ），产生亮条纹。k1 22d（2

37、） =（ 2k-1） 时，即在 x= D （ 2k-1）处（ k=0、 1、 2、 ），产生暗条纹。2d2因此，两相邻亮条纹（或暗条纹）间的距离为干涉条纹的间距为：x=xk+1 -xk= Dd两个狭缝中心的间距d单色光波波长D狭缝屏到观测屏（测微目镜焦平面）的距离从实验中测得 D，d 以及x，即可由上式算出波长。三、实验仪器1、钠光灯（可加圆孔光栏）2、凸透镜 L ：f=50mm3、二维调整架：SZ-074、单面可调狭缝：SZ-225、二维调整架：SZ-076、菲涅尔双棱镜：7、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、滑座：TH70YZ10、滑座：TH70YZ

38、11、滑座：TH70Z12、滑座：TH70Z13、凸透镜 L：f=150mm1914、二维调整架：SZ-0715、滑座：TH7016、滑座：TH70四、仪器实物图及原理图（见图八）123 4567Le 8L161210911L单缝双棱镜Le钠光灯S1S2505050280单缝双棱镜LLeLL钠光灯S1S2130680505050870图八五、实验步骤1、把全部仪器按照图八的顺序在导轨上摆放好(图上数值均为参考数值 )，并调成共轴系统。钠光灯（可加圆孔光栏）经透镜 L 聚焦于狭缝上。调节单缝和双棱镜的棱脊平行，而且由单缝射出的光对称地照在棱脊的两侧。2、用白屏 H 或直接用眼睛观测到干涉条纹后，

39、再从测微目镜中观测。使相干光束处在目镜视场中心，并调节单缝和棱脊的平行度，使干涉条纹最清晰。双棱镜干涉图样，应为等间隔的明暗相间的干涉条纹。3、用测微目镜测出干涉条纹的间距x，测出单缝到测微目镜叉丝分划板的距离D，再用二次成像法测出两个虚光源的间距d，由x=xk+1 -xk= D便可求出光波的波长，并d与钠灯的波长实际值比较，分析误差原因。（二次成像法，在数据处理中有讲解） 。20六、数据处理二次成像法：保持图中狭缝、双棱镜的位置不动，加入一已知焦距f=150 的透镜放在双棱镜后，使单缝与测微目镜间的距离D4f ，移动透镜成像时，可以在两个不同的位置上，从目镜中看到一大一小两个清晰的缝像（既虚

40、光源S1、S2的像），测出两个清晰的像间距d1 及 d2 ，根据物象公式，虚光源 S1、S2的间距 d= s1（第一成像）。d= s2第二次成像而1，2，故 d1d2 ()s = s2s1=ss1s2d 2( s1)( s2 )d1 d2s1s2即dd1d2代入公式xd / D 即可求出波长 。实验九用位移法测薄凸透镜焦距f ( 测量实验 )一、实验目的了解、掌握位移法测凸透镜焦距的原理及方法二、实验原理对凸透镜而言，当物和像屏间的距离 L 大于 4 倍焦距时，在它们之间移动透镜，则在屏上会出现两次清晰的像，一个为放大的像，一个为缩小的像。分别记下两次成像时透镜距物的距离 O1、O2(e=|O

41、1-O2|)，距屏的距离 O1、O2，根据光线的可逆性原理，这两个位置是“对称” 的。即O1=O2， O2=O1则： L e= O1 O2 O1 O2O1=O2 (L e)/而 O1= L O1 L (L e)/ (L+e)/2 把结果带入透镜的牛顿公式 1/s+1/s=1/f得到透镜的焦距为f( L2e2 ) / 4L由此便可算得透镜的焦距，这个方法的优点是，把焦距的测量归结为对于可以精确测定的量 L 和 e 的测量，避免了在测量 u 和 v 时，由于估计透镜中心位置不准确所带来的误差。三、实验仪器4、带有毛玻璃的白炽灯光源 S2、品字形物像屏P： SZ-143、凸透镜 L ：f=190mm

42、(f=150mm)4、二维调整架：SZ-075、白屏 H：SZ-136、滑座：TH707、滑座：TH70YZ8、滑座：TH709、滑座：TH7021四、仪器实物图及原理图（见图九）H12345SPL9876PL毛玻璃SH*50480300P毛玻璃LSH*50300480图九五、实验步骤1、把全部器件按图九的顺序摆放在导轨上，靠拢后目测调至共轴， 而后再使物屏 P 和像屏H 之间的距离 l大于 4 倍焦距。2、沿标尺前后移动L ，使品字形物在像屏H 上成一清晰的放大像，记下1。L 的位置 a3、再沿标尺向后移动 L ，使物再在像屏 H 上成一缩小像，记下 L 的位置 a2 。4、将 P、L、H

43、转1、b2。180 度，重复做前三步，又得到 L 的两个位置 b225、分别把 f=150mm 和 f=190mm 的透镜各做一遍， 并比较实验值和真实值的差异并分析其原因。6、老师可选择更多规格的透镜进行实验。（选做）六、数据处理eaa1 a2 ， ebb1b2f a (l 2ea 2 ) / 4l ， f b(l 2eb 2 ) / 4l透镜焦距： f ( f af b ) / 2实验十夫朗和费单缝衍射( 测量实验 )一、实验目的观察夫朗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，称作夫朗和费单缝衍射。它的衍射图样比较简单，便于用菲涅耳半波带法计算

44、各级加强和减弱的位置。设狭缝 AB 的宽度为 a （如附图 1，其中把缝宽放大了约百倍） ，入射光波长为 ，附图 1O 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 P0 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 /2，此处的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

45、纹。若波带为非整数，则有明暗相间的干涉结果。总之，当衍射光满足：BC asink（ k1,2.）时产生暗条纹；当满足：23BC asin(2 k 1) / 2（ k0， 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L 使狭缝光源 SP1 成像于观测屏 S 上（如附图 2），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 上即出现夫朗和费衍射

46、条纹。附图 2设狭缝 SP2 与观测屏 S 的距离为 b，第 k 级亮条纹与衍射图样中心的距离为xk 则t gkx/ b由于 角极小，因而 tgsin。又因为衍射图样中心位置不易准确测定，所以一般是量出两条同级条纹间的距离 2xk。由产生明条纹的公式可知：2xk( 2kb1 )a由此可见，为了求得入射光波长，须测量 2 xk ，a 和 b 三个量。三、实验仪器1、钠光灯2、单面可调狭缝：SZ-223、凸透镜 L 1：f=50mm4、二维调整架：SZ-075、单面可调狭缝：SZ-226、凸透镜 L 2：f=70mm7、二维调整架：SZ-078、测微目镜 Le（去掉其物镜头的读数显微镜）9、读数显

47、微镜架:SZ-3810、滑座：TH70YZ11、滑座：TH70YZ12、滑座：TH70Z13、滑座：TH70Z14、滑座：TH70Z15、滑座：TH7024四、仪器实物图及原理图1234567 8Le9L2L1151413121110缝或孔光栏1单缝LLeL2钠光灯50 60610180120图十五、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的顺序摆放在导轨上，调至共轴。其中小孔（ =1mm）和测微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 的透镜直至能在测微目镜中看到衍射条纹。如果无条纹，可以调节小孔的大小，直到找到合适的

48、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。记录单缝和测微目镜的位置，计算出两者间的距离b。4、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bz ，2xka且2xk 为两条同级条纹间的距离z2k 1选不同的级次 k，求出 z 值，求平均，再计算a b七、注：多孔架的 8 孔大小分别为： 0.10mm，0.15mm，0.20mm， 0.30mm，0.50mm，0.60mm， 1.0mm， 2.0mm。25实验十一夫朗和费圆孔衍射( 测量实验 )一、实验目的观察夫朗和费圆孔衍射图样二、实验原理把实验十的单缝衍射装置中的单缝以一

49、小孔代替，应用钠灯光源，可以在透镜的焦平面上看到圆孔衍射图样，衍射图样是一组同心的明暗相间的圆环，可以证明以第一暗环为范围的中央亮斑的光强占整个入射光束光强的84%，这个中央光斑称为艾里斑。经计算可知，艾里斑的半角宽度为：1sin 10.611.22RD式中 D 是圆孔的直径。附图 1若透镜 L 2 的焦距为 f，则艾里斑的线半径由附图1 可知，为lf. t g1由于1 一般很小，故 tg 1 sin 11 。则l 1 . 2 2 fD三、实验仪器1、钠光灯（加圆孔光栏）2、多孔架（ 1mm）：SZ-213、凸透镜 L ：f=70mm4、二维调整架：SZ-075、测微目镜 Le（去掉其物镜头的

50、读数显微镜）6、读数显微镜架 :SZ-387、滑座：TH70YZ8、滑座：TH70YZ9、滑座：TH70Z10、滑座：TH7026四、仪器实物图及原理图1234 5Le 6L98710孔光栏=1mm衍射孔=1mm LLe钠光灯6007570图十一五、实验步骤1、把所有器件按图十一的顺序摆放在导轨上，调至共轴。其中光栏和测微目镜之间的距离必须保证满足远场条件。其中衍射孔的大小为 1mm。（图中数据均为参考数据）2、调节透镜直至能在测微目镜中看到其中心为亮斑的衍射条纹。3、记录下艾里斑的直径e，和计算值进行比较。六、数据处理用测微目镜测出艾里斑的直径e，由已知衍射小孔直径d=1mm，焦距 f=70

51、mm，可验证e1.22fa公式的正确性（其中a 为孔的半径），本实验要求实验环境很暗。实验十二菲涅尔单缝衍射（演示实验）一、实验目的观察菲涅尔单缝衍射现象二、实验原理菲涅尔衍射和夫朗和费衍射是研究衍射现象的两种方法，前者是不需要用任何仪器就可以直接观察到衍射现象，在这种情况下，观察点和光源（或其中之一）与障碍物（或孔）间的距27离有限，在计算光程和叠加后的光强等问题时，都难免遇到繁琐的数学运算。而后者研究的是观察点和光源距障碍物都是无限远（平行光束）时的衍射现象，在这种情况下计算衍射图样中的光强分布时，数学运算就比较简单。所谓光源无限远，实际上就是把光源置于第一个透镜的焦平面上，得到平行光束；

52、所谓观察点无限远，实际上就是在第二个透镜的焦平面上观察衍射图样。请读者在以下的三个实验中注意观察。三、实验仪器1、HeNe 激光器（ 632.8nm）2、小孔径扩束镜 L：f=6.2mm3、二维调整架：SZ-074、单面可调狭缝 :SZ-225、白屏 H：SZ-136、滑座：TH707、滑座：TH70Z8、滑座：TH70Z9、滑座：TH70四、仪器实物图及原理图H12345L9876HL单缝40200600图十二五、实验步骤把所有器件按图十二的顺序摆放在导轨上，调至共轴。激光器通过扩束镜（以不满足远场条件）投射到单缝上，如图十二所示，即可在屏幕上出现衍射条纹，缓慢地连续地将单缝由窄变宽，同时注

53、意屏幕上的图样，即可观察到与理论分析结果一致的由夫朗和费单缝衍射图样过渡到菲涅尔单缝衍射图样。也可不加扩束镜。 （图中数据均为参考数据）28实验十三菲涅尔圆孔衍射（演示实验）一、实验目的观察菲涅尔圆孔衍射现象二、实验原理附图 1如附图 1 所示： S单色光源P光场中任一点S 与 P 之间有一带圆孔的光屏M ，圆孔中心在 SP 连线上。这时 S 对 P 的作用就只是内露出的一部分波面上的那些次波源在 P 点所产生的光振动的叠加。按照波带法，分别以P 为中心， r+2/ ，r+ 为半径将露出的波面分成若干个波带，各波带在P 点产生振动的振幅为：a1aiAj22当圆孔露出奇数个波带时， P 点的光强

54、度是约等于a12 的亮点，而当圆孔露出偶数个波带时，点是光强度接近于零的暗点。1、圆孔的大小变化时， P 点周围呈现出的明暗相间的圆形条纹，会发生亮暗交替变化。2、若将 P 点处的白屏沿轴向移动时，中心点也会产生亮暗交替变化。三、实验仪器1、HeNe 激光器（ 632.8nm）2、小孔径扩束镜 L：f=6.2mm3、二维调整架：SZ-074、多孔架（ 0.5mm）：SZ-215、白屏 H：SZ-136、滑座：TH707、滑座：TH70Z8、滑座：TH70Z9、滑座：TH7029四、仪器实物图及原理图H123 45L6987HL衍射孔=0.5mm40200600图十三五、实验步骤把所有器件按图十

55、三的顺序摆放在导轨上，调至共轴。只是将实验十二中的衍射单缝换成直径 0.5mm 的衍射圆孔，将屏幕逐渐远离圆孔，将看到中心点由亮 暗 亮的衍射结果，当距离为 400mm 时，中心是一个暗点， 210mm 和 600mm 时为亮点。（图中数据均为参考数据） ，也可去掉扩束镜，找到合适的圆孔，观察艾里斑。实验十四菲涅尔直边衍射（演示实验）一、实验目的观察菲涅尔直边衍射现象二、实验原理如附图 1 所示： S发散光源，（垂直于图面的相干光源）D直边屏，（不透明）平行于线光源P白屏 K 上的任一点30附图 1对于几何影界上的P 点，直边屏 D 将下半部的波面全部遮拦，只有上半部波面对P 点发生作用。所以

56、 P 点的振幅为不遮拦时的一半，而光强度为不遮拦时的1/4。当 P到 P 的距离逐渐增大时， P的光强度将单调减少。 P足够远时，光强度趋于零。三、实验仪器1、HeNe 激光器（ 632.8nm）2、小孔径扩束镜L：f=6.2mm3、二维调整架：SZ-074、刀片5、干板架：SZ-126、白屏 H：SZ-137、滑座：TH708、滑座：TH70Z9、滑座：TH70Z10、滑座：TH70四、仪器实物图及原理图（见图十四）五、实验步骤把所有器件按图十四的顺序摆放在导轨上，调至共轴。再把实验十二装置中的单缝换成刀片，即可看到直边衍射图样，当观察点从几何阴影边界向外移动时，衍射光强是以类似于衰减振荡形

57、式分布的，最后趋于无障碍自由传播的光强，强度的最大值并不在几何阴影边界上，而是在直接照明区内稍微靠外的亮区内，衍射条纹的光强单调的减少，一直到零。 （图中数据均为参考数据）31H12345 6 L97108HL刀片40200600图十四实验十五偏振光分析 ( 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

58、面偏振光或线偏振光，如附图 1（ 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 1（b）。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，即在较长时间内电矢量在某一方向上较强，这种光称为部分偏振光，如图附图 1（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。32附图 1（a）附图 1（b）附图 1（c）（二

59、）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2）而角b 就是布儒斯特角，也称为起偏振角，由布儒斯特定律得tgbn2 / n1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， 其振动面平行于入射面。 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

60、图 3。bn1空气n2玻璃附图 233非线偏振光入射b附图 3偏振片入射自然光透射的平面偏振光附图 42、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。2、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，利用它可获得线偏振光， 其示意图参看图附图 4。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状态的过程称为检偏，它所用的装置称为检偏器。