光学平台26项实验

光学平台26项实验一、自准法测凸透镜焦距按图所示将磁力座靠紧平台钢尺，摆好实验装置，白炽灯源照亮小孔光栏透过小孔的光束照射到反射镜上，在小孔与反射镜之间放入待测透镜，然后沿钢尺移动透镜，在小孔板接近小孔的地方看到清晰的小孔像，此时透镜到小孔屏之间的距离即为透镜的焦距，（可从尺上直接读取）。图1.白炽灯2.小孔光栏3.凸透镜4.二维调整架5.反射镜6.二维反射镜调整架7.二维平移台8.三维平移台9.一维平移台二、两次成像法测凸透镜焦距实物经正的薄透镜成一实像，物和像之间的距离必须不小于透镜到四倍焦距。当满足此条件时，在物和屏之间透镜可两个位置，但其在位置A处时，屏上出现放大的三孔屏的像，当透镜在B位置时屏上将出现缩小的像。调整好光路，使物屏和黑白屏间的距离大于四倍的焦距。放入待测透镜先找到靠近物屏处的放大的实像，记下物屏到黑白屏之间的距离D及放大像时透镜的位置。然后移动透镜直到出现清晰的缩小的实像，记下此时透镜的位置量出AB间距离d由公式即可求出透镜的焦距。图1.白炽灯源2.物屏（三孔屏）3.凸透镜4.二维透镜夹5.黑白屏6.一维座7.二维座三、凹透镜焦距的测定按自准法调出白炽灯平行光，即在较远处看到一灯丝的像，此时接近平行光，将凸透镜2作为辅助透镜（焦距F1位已知），与待测凹透镜3贴在一起合成组合透镜（可以认为两镜间的距离为0）这样可以把组合透镜看成一薄凸透镜，在屏上可得一实像此实像位置即为组合透镜的焦距面F2，测出组合透镜的焦距f实际上是凹透镜3的像距，其物距为凸透镜的焦距f1（已知）。由物像关系公式：因此即可求出凹透镜的焦距。图1.白炽灯源2.凸透镜3.凹透镜4.二维透镜夹5.黑白屏6.一维座7.三维座四、由物像关系放大率侧目镜焦距按图调整好光路，在测微目镜中能清楚地看到微尺的像，并测量微尺像的高度，以微尺高度为物高，像高/物高=像距/物距，测出物距，根据上式即可求出目镜的焦距。图1.白炽灯源2.微尺（10：100）3.二维三爪镜架4.待测目镜5.二维镜夹6.测微目镜架7.测微目镜8.三维座9.一维座五、组装显微镜并粗测其放大率显微镜的成像原理显微镜的光学系统如图L1为显微物镜，L2为显微镜的目镜L1的焦距很短（如100倍的物镜焦距只有1-2毫米）。它的作用是将小物体AB放大成实像,此实像作为目镜L2的物，通过L2在明视距离（一般为So-25厘米）处成一放大的虚像。虚像成为眼睛这一光学系统的物，它在视网膜上成的像，就是眼睛通过显微镜对物AB所获的最后的像。这个像对瞳孔的张角较放在离眼为So的物体AB对瞳孔的张角大许多倍。为提高放大率，实像应成目镜L2的第一焦点以内的焦深范围里。图中代表镜筒长度，通常显微镜用标准筒长，其长度I=16厘米，A代表物镜第二焦点F1到F2的距离，叫做光学间隔。因为是固定的，为使成像清晰，在使用显微镜时，只能调节物体到物镜的距离。1.从两块焦距不同的凸透镜中选一块作物镜，另一块作目镜限定筒长（约为16厘米），调正两透镜是它们的光轴在同一直线上。2.在物镜前放置被观察的小物体2（微尺）使其在两透镜的光轴上，移动被观察物（微尺）直到眼睛从目镜观察到清晰放大的虚像，记下物与物镜间距离，在眼睛位置放上毫米刻尺，使像成在刻尺上，看到微尺在刻尺上的大小可测出其放大率。图1.白炽灯源2.微尺（10：100）3.二维三爪镜架4.物镜（f=50mm）5.二维镜夹6.目镜（f=30mm）7.毫米刻尺（30mm左右）8.干板夹9.一维座10.三维座六、组装简单望远镜将准直物镜（含胶合透镜）做物镜，另一片凸透镜做目镜，调整两镜片同轴，前方在不同距离处放标尺，调正两镜片间的间隔将能看清标尺的像。当改变两镜间的距离时望远系统的倍率放生着变化。另外将准直物镜换上一般的凸透镜，将看到标尺的像的质量会发生变化，可作比较。图1.标尺（或远方景物）2.凸透镜（含胶合透镜较好）3.光镜二维架（三爪夹）4.目镜（f=50）七、组装带正像棱镜的望远镜将六系统中在适当位置加正像棱镜，由于加入正像棱镜光路将缩短可将标尺改为物屏在平台上即可完成实验。图1.白炽灯源2.物屏（三孔屏）3.物镜（双胶合）4.二维镜夹5.正像棱镜6.棱镜座7.目镜8.三维镜夹9.二维座10.一维座11.三维座八、自装投影仪按图将光路组装好，调正白炽灯的聚光镜均匀照亮幻灯片移动投映物镜，在屏上显现清晰的幻灯片图像，通过更换物镜用两片组合或3片组合可观察到屏像的清晰度的变化。从而了解投影物镜的规律。图1.白炽灯2.幻灯片3.干板夹4.放映物镜（f=200）5.二维镜夹6.黑白屏7.一维座8.二维座九、透镜节点的测定根据透镜节点的性质是通过物方节点的光线，其共轭光线必然通过像方节点，并与入射光线平行。先用自准法分别测定两种透镜组的焦点位置，并测出焦距后去掉小孔屏2和反射镜6，调正好白炽灯聚光镜使其发出平行光，用平行光照射透镜组，当一束平行光照射到定心夹上的透镜3，此时若透镜的后节点刚好与测节点器的转轴重合，整体转动测节器组时，透镜所成像位置始终不变。此时在测量器尺上直接读取节点位置数值。图1.白炽灯2.小孔屏3.透镜（f=100）4.测节器5.镜夹（透镜f=150）6.平面发射镜7.黑白屏8.一维座9.二维座十、单缝的夫琅和费衍射夫琅和费衍射是指平行光的衍射，即光源和接收屏幕到狭缝的距离都是无限远（或相当于无限远）。在实验中常常借助于正透镜来实现，从光源S出发经透镜L1形成的平行光束垂直照射到狭缝AB上（缝宽为a），根据惠更斯-菲涅耳原理，狭缝上各点都可看成是发射子波的新波源，子波在L2的后焦面上叠加形成一组明暗的条纹，中间条纹最亮亦最宽。实验中以He-Ne激光器作为光源，由于激光束具有良好的方向性，平行度很高，因而可以省去直准透镜L1，并且，若使观察屏远离狭缝，缝的宽度远远小于缝到屏的距离（即满足远场条件），则透镜L2可以省略。简化后的光路如图。实验证明，当Z约等于100cm时，a约等于8*m时便可得到比较满意的衍射花样。图11.钠光灯2.狭缝3.干板架4.二维镜架5.狭缝6.二维镜架（f=200）7.测微目镜及支架8.三维座9.二维座10.一维座图2图3光强分布曲线如下图所示。图3单缝衍射光强分布曲线十一、双缝、单缝衍射将单缝AB换成双缝，每条缝的宽度仍为a,中间间隔宽度为b的不透明部分，则两缝的间距为d=a+b,分布为：式中，，表明，双缝衍射图样的光强分布由两个因子决定。其一是，即单缝夫琅和费衍射图样的光强分布；其二是，它表示光强同为I0而相位差2v的两光束所产生的干涉图样的光强分布。因此双缝的夫琅和费衍射图样是单缝衍射和双缝干涉这两个因素联合作用的结果。图11.钠光灯2.聚光灯（f=50）3.可调狭缝4.干板夹5.二维夹持架6.多缝板7.测微目镜架8.测微目镜9.三维座10.一维座由前公式可得出（1）只要这两个因子中有一个为零，则光强为零。就第一个因子而言，光强为零的条件是即(k=)就第二个因子而言，光强为零的条件是即（m=1,2,3……）(2)出现双缝干涉光强其大致的条件是即(3)当确定的干涉极大正好与由确定的衍射极小的位置重合时，那么第n级干涉极大将不会出现，这称为缺级。即当时发生缺级，例如d/a=3,则缺少各级，其光强分布曲线如图图十二、夫琅和费圆孔衍射原理及实验均参照夫琅和费单缝衍射图1.钠光灯（a处加一小光栏）2.衍射孔0.45毫米3.透镜及支架4.测微目镜及支架十三、菲涅耳圆孔衍射图1.激光器及支架2.扩束镜及支架3.小孔板（1.5）及支架4.黑白屏5.一维座（6、8）7.二维座十四、菲涅耳直边衍射现象的观察图1.激光器及支架2.扩束镜及支架3.刀片及干板架4.黑白屏5.一维座（6、8）6.二维座十五、双棱镜法则测激光波长用双棱镜分波前的方法产生双光束干涉实验是菲涅耳等人当年为研究验证光的波动性质所设计的。实验装置如图所示。单色光源M发出的光经凸透镜L汇聚在狭缝S上，被照亮的单缝成为一线状光源，由它发出的光经双棱镜B折射形成两束如同从虚光源S1和S2发出的光一样，满足干涉条件。将屏放在两束光束重叠区域内可看到与缝平行的干涉条纹，并且屏上任一点处的亮暗只决定于两光波到达该点的光程差。当光程差为波长的整数倍时出明条纹，当光程差为波长的奇数倍时形成暗条纹。图设S1和S2之间距为d，其所在垂直轴平面至屏的距离为D，（一般认为S1，S，S2处在同一垂直轴面内），两相邻的亮条纹（或暗条纹）之间的距离为，单色光波长为，根据干涉理论，当D〉〉d时，可得条纹宽度表达式为实验中只要测出d,D,,各量，有上式即可求出波长。当采用激光器作实验时，光路如图所示。因激光光束平行度高，方向性好，汇聚点S为一良好的点光源。由双棱镜B折射造就的两束光源S1和S2发出的光在屏（可用墙壁）上叠加形成与双棱镜棱脊平行的干涉条纹。图1.激光器及支架2.扩束镜及支架3.可调狭缝4.菲涅耳双棱镜5.干板夹6.测微目镜及架7.三维座8.一维座9.二维座实验步骤1.按照“光学调整技术”中所描述方法调节激光束平行于导轨。2.依次放置L，B并调节各元件共轴，改变B位置观察屏上条纹的疏密变化。3.在双棱镜B后放置成像透镜L0并调节共轴，观察屏上两虚光源所成像点（此时两像点应以极细的亮线连接），适当选择双棱镜位置，使得两像点间距离与可测部分的条纹总宽度相当。4.测出N条干涉条纹的总宽度W，计算出条纹间隔。5.测出两像点距离d’。6.测出L0至屏的距离（即像距）。7.计算L0成像的放大率：。8.计算两虚光源间隔：。9.计算物距：。10.计算激光波长：。11.重复测量5次，计算测量结果的相对误差。十六、菲涅耳双棱镜干涉实验原理方法如前项。1.钠光灯2.透镜及架3.可调狭缝组4.菲涅耳双棱镜及架5.干板架6.测微目镜及架7.三维座8.一维座9.二维座十七、菲涅耳双镜干涉与菲涅耳双棱镜干涉实验类同。1.钠光灯2.小孔光栏3.透镜及支架4.可调狭缝组5.双镜及支架6.测微目镜及架7.三维座8.一维座9.二维座十八、牛顿环试验1.牛顿环2.光栅座3.半反射透镜及架4.测微读数显微镜架5.钠光灯十九、平面衍射光栅常数的测量1.汞灯2.透镜(f=50)3.可调狭缝4.透镜（f=150）5.二维架6.光栅7.透镜（f=200）8测微目镜及架常用的衍射光栅分透射式和反射式两种。透射式光栅是用金刚石刀在平面玻璃板上刻划制成的，反射式光栅是在硬质合金上刻划而成的。由于光栅缝的刻划条数多，精度高，加工困难，故原刻划光栅昂贵。实验室中多用复制光栅或全息光栅。如图所示，一理想的透射式平面光栅可视作是相互平行、等宽、等间距均匀排列的许多狭缝。设光栅缝宽慰a，相邻两峰间不透光的部分为b，两者之和记作d，称为光栅常数，根据夫琅和费衍射理论，一束平行光垂直地入射到平面透射光栅上经各缝衍射后向各方向传播，凡衍射角适合条件6-12-1的光经透镜汇聚在焦平面上将相互加强，形成亮条纹（即光谱线）。其它方向的光将相互抵消形成暗区。6-12-1式称作平行光垂直入射时的光栅方程。式中的为衍射角，为光波波长,k为光谱线级数（取整数）。当k=0时，=0，各种波长的光均满足（6-12-1）式，重合在一起形成零级光谱。K不为零时，不同波长的光对应不同的衍射角，光谱线便按波长（或衍射角）由小到大展开。级次相同的正负级谱线对称的分布在零级谱线两侧。根据6-12-1式，只要实验测出某级谱线的衍射角，当光栅常数d和谱线波长中的一个量为已知时，另一个量即可求得。当平行光以入射角i射向光栅时，根据相邻两光束光程差计算，此时光栅方程为若入射光与衍射光在光栅面法线的同侧，上式中取（+）号，反之取（-）号。光栅特性常用“色散率”与“分辨率”表示。色散率表示不同波长谱线分开当程度。微分6-12-1式可得色散率Di的表达式为分辨率表示能分开相邻两谱线的能力，把刚好可被分开的两谱线的平均波长除以波长差定义为分辨率，用R表示，则，根据瑞利判据，由光栅方程也可以得到光栅的分辨率为式中N为光栅狭缝总条数。二十、组装单色仪单色仪：是在成像平面（L2的焦平面）上装上一个出射狭缝S2，允许通过S2的出射光谱只有一个较小的波长间隔的一种光谱器。棱镜位置的偏转，而是使各种不同的单色平行光通过L2聚焦于出射狭缝S2的中心出射而获取某一波长的单色光。1.低压汞灯2.聚光灯3.可调狭缝4.准直物镜5.色散棱镜6.狭缝7.读数显微镜图入射狭缝S1在准直透镜L的焦面上，由S1入射到单色仪的复色光，经L后成为平行光束，经分光棱镜P后，分成多束单色光，S2位于L的焦平面上，由P折射出来的某束单色光入射到L后聚焦于出射狭缝S2处出射，从而获得单色光。二十一、偏振光演示与分析实验1.白炽灯2.绿色片3.偏振片及框架（360度旋转）4.检偏器（360度旋转）5.毛玻璃屏及干板架6.一维座7.三位座实验时调整好各器件在同一条直线上，先放一个偏振片3，然后旋转偏振片作360度旋转，屏上光强的变化。再把偏振片4放入，使偏振片3（起偏器）固定在0度不动，然后旋转偏振片4（检偏器），通过观察屏上的变化来分析偏振现象。二十二、观察偏振光S-光源M-黑色反光镜A-检偏器F-投影屏（一）反射引起的偏振1.观察反射引起的偏振现象及偏振方向2.布儒斯特定律演示操作方法：1.在仪器工作台面上插上照明灯和投影屏。2按上反射镜架和检偏器。使光栏圆孔像移至投影屏上。3.调整M和E成大致57度位置，调整照明灯光轴和M大致成33度方位上。4.照明灯点亮后，即可在屏E上看到偏振光象。转动A时E上的光强明暗变化。当转至光强最暗位置，此时，偏振光振动方向和A偏振面一致。此时，光线在M上入射角Ib，即布儒斯特角。（二）折射引起的偏振图S-光源G-玻璃堆A-检偏器E-投影屏1.观察折射引起的偏振及震动方向。2.随光线入射角度变化，偏振光强改变（演示布儒斯特定律）。操作方法：1.将照明灯座插入光轴和导轨平行位置。2.取下M，换上G。3.调整G和E，大致成57度。4.转动A可观察到光强明暗变化。转至光强最暗位置时，偏振光振动方向和A偏振面一致，此时的入射角即布儒斯特角。5.从A上刻度值可比较振动面和图1中反射面振动方向是相互垂直的。二十三、偏振状态实验（一）偏振状态1.观察线偏振光，验证马吕斯定律2.演示椭圆偏振，圆偏振，线偏振之间的转化S-光源P-起偏器A-检偏器M-波片操作方法：1.按图4装置，转动P，A，使E上光强最暗，此时记为起始值（），转动A成角，光强增加，旋至光强最大。在360度范围内E上光强有二次最强和最暗，按马吕斯定律变化。2.加入1/4波片，使其光轴和P振动面成45度时，由线偏振光变圆偏振光，转动检偏器时，E上光强几乎不变。若不是45度放置，则成为椭圆偏振光。3.移动1/4波片加入1/2波片，波片光轴与P振动面成45度放置，光线为线偏振，转动检偏器A，调至最暗位置，移动波片后可看到振动面旋转90度，一般规律是波片与光轴与偏振片成角安置时，则2方向有线偏振光。（二）光侧弹性（人工双折射）压缩产生双折射S-光源（旋掉光栏及它前面的部分）P-起偏器A-检偏器B-光侧弹性架G-聚光镜E-投影屏操作方法：1.按图5装置，转动P和A调成全暗，再放入试样并压缩，试样光强变化。2.移去E，用肉眼观察以上两个等色线花纹，也可以另加聚光镜C1,投影在屏上观察。二十四、全息实验（一）全息照相实验实验操作参照我公司全息实验台（JQ-3型）使用说明书，选择适当的三维二维工作台。图全息照相原理图（二）彩虹全息彩虹全息实验原理图彩虹全息是用激光记录，自光照明再现单色像的一种新的全息技术。它的原理与像面全息的原理基本相同，它的特点是在记录光路中的适当位置加入一个狭缝限制，再现像光波，以降低绿色模糊，因而能用白光再现。（三）迈克耳逊干涉可作干涉条纹现象演示，做全息照相，拍照环境的监测将有助全息实验的成功率，保证全息的质量，一般控制在4条/分钟干涉条纹的变化，即可达到拍照的条件。尤其在制作全息光栅实验时更为必要。迈克耳逊干涉原理图二十五、阿贝尔成像原理和空间滤波实验原理1873年，德国人阿贝在研究如何提高显微镜的分辨率时，提出了关于相干成像的一种新理论。他把相干成像过程分为两步，第一步：如射到物平面上的平行光经透明物体衍射，衍射光通过成像透镜后，在透镜的像方焦面上形成物体的夫琅和费衍射图。第二步：由透镜像方焦面上的衍射图发出的次级波，在像面上的相干叠加，形成物体像，称这种以波动光学为基础的两步成像理论为阿贝成像原理。通过改变频谱面上衍射斑的振幅或相位，从而改变成像情况的过程叫做空间滤波处理。1.激光器及支架2.扩束镜及支架3.准直物镜4.光栅5.透镜（f=200）6.白屏观察阿贝成像原理的两步成像过程（1）开启He-Ni激光器，调节激光器光束使光学系统共轴（2）选用15条/毫米的一维矩形光栅（其透射率函数为矩形函数）作为物体，改变物距，使远处的像面接收屏上出现清晰的光栅像。（3）手拿白纸屏，从物面后开始，慢慢把屏移至L3，在从L3后面开始，慢慢把屏移至像面，观察透镜孔径对成像情况的影响。①物距不变，改变透镜孔径大小：仍然利用实验装置，改用光栅为物体，A，B两组光栅的方向不同，B的空间频率是A的二倍，在透镜L3前，紧