物理光学实验

物理光学实验华中科技大学光电子科学与工程学院2011.9前 言本实验教材是根据光电子科学与工程学院物理光学教学大纲中规定的实验要求选编的。8射、偏振等方面。本实验教材所列实验项目均选自本院物理光学实验室参编及长期使用的《物理光学实验息类专业学生使用，亦可作为非光电类专业学生的选修教材。光学实验室的一般规则大部分光学元件用玻璃制成，光学面经过精细抛光，一般都具有Ra0.010的粗糙度。使用时要轻拿轻放，勿使元件相互碰撞，挤压，更要避落地面导致损坏。人的手指带有汗渍脂类分泌物，用手触摸光学面会污染该光学面，影只能拿元件的磨砂面。正确的姿势如图所示。面造成污痕。棉球蘸上酒精乙醚混合液轻轻擦拭，切忌用布直接擦拭。要讲究清洁卫生，文明礼貌，不得大声喧哗，打闹。器，填写仪器使用卡，经允许后方可离开实验室。实验程序框图了解实验原理与内容了解实验原理与内容↓根据实验原理与内容设计实验方案，选定仪器与光学元件根据实验原理与内容设计实验方案，选定仪器与光学元件↓看说明书，了解仪器使用方法看说明书，了解仪器使用方法↓调试仪器或光路，拟定实验步骤调试仪器或光路，拟定实验步骤↓方案实施，调试出实验现象方案实施，调试出实验现象↓对实验现象进行观察与分析，测定实验数据对实验现象进行观察与分析，测定实验数据↓写实验报告，要求反映实验过程，对实验现象进行分析，思考问题写实验报告，要求反映实验过程，对实验现象进行分析，思考问题数据处理 （若有问题可重复实验）一定要亲自做实验，对实验现象进行分析，培养独立自主的能力，会有成就感。老师指导为辅：问题不包办，只做点拨提示，保证实验正常进行。目 录前言光学实验室的一般规则实验程序框实验一 菲涅耳双棱镜干涉及应用 1实验二 迈克耳逊干涉仪 6实验三 用法布里－－珀（－P干涉仪测量钠双线的波长差 13实验四 双光源衍射法测量光谱仪狭缝宽19实验五 衍射光栅分光特性测量 24实验六 偏振光的获得与检测 30实验七 电光调制实验 37实验八 声光调制实验 47--PAGE11-实验一菲涅耳双棱镜干涉及应用[实验目的]观察和研究双棱镜产生的干涉现象；λ测量干涉滤光片的透射波长。λ0[仪器和装置]白炽灯，干涉滤光片，可调狭缝，柱面镜，菲涅耳双棱镜，双胶合成象物镜，测微目镜。[实验原理]1－1a镜的折射角α很小，一般约为30。从点（或缝）光源S个虚象SSS1 2 1 2生干涉。a b图1—1 双棱镜干涉原理图1－1b看出，若棱镜的折射率为n，则两虚象S、S之间的距离1 2干涉条纹的间距

d2l(n（1—1）e当取n=1.50时，则有

ll' （1—2）2l(n1)aell' （1—3）la可解出

la e （1—4）ll'若在迭加区内放置观察屏E，就可接收到平行于脊棱的等距直线条纹。当用白光照明时，可接收到彩色条纹。利用图1—2可导出干涉孔径角光源临界宽度

l'all' （1—5）b

l1l'

（1—6）从式—5、式—）看出，当l=0=，光源的临界宽度b变为b域在的区域内。

l'

lb （1—7）图1—2 双棱镜干涉的几何关系图[内容和步骤]调节光路，观察和研究双棱镜干涉现象(1)按图1—3使其满足同轴等高的要求。(2)取l≈200mm, l≈1200mm, 按λ=550nm,a=30，n=1.50计算出b微目镜视场里出现清晰的干涉条纹为止。增大或减小狭缝宽度b,观察干涉条纹对比度的变化，并给予解释。图1—3双棱镜干涉实验装置图1-白炽灯2-滤光片3-柱面镜 4-狭缝 5-双棱镜6-成象物镜 7-测微目镜*(3)在狭缝光源前依次安放具有不同波长带宽的滤光片，观察干涉条纹对比度的变化，并解释之。0。0由式（1—3）看出，为了测量λ，需要在一定的精度范围测定d、l、l0与e值d值图1—4 二次（共轭）成象法测量d值1—4所示，通常SS和S并不在与图面垂直的同一平面内，而1 2DASS处测量才算准确，故测量d时，采用二次（共轭）成象126S，S1 2

的两个实s

，s1

之间的距离d

，据物象关系，则有1d Ad B1

（1－8）物镜6在第二个（共轭）位置成象时，则有d B

（1－9）d A2由上两式可解出dddd1 2

（1—10）实验中，对d值的测量不应少于三次，然后取其平均值d。D的计算d 1dd2d12设物镜6从第一个位置移置至第二个（共轭）位置的位移量是C,C=－A，而D=l+l’=A+B，再与和式（1—9，式（d 1dd2d12DC

（1—11）由各次测量C、d、d值，计算相应的D，然后取其平均值D。1 2测量条纹间距e10条以上明（或暗）e。多次重复测量，取其平均值e。将d、D、e各值代入式计算干涉滤光片中心透射波长。λ计算的相对误差与标准误差，分析误差产生原因。λ0[思考题]来比较它们质量的优劣？如果狭缝方向与脊棱稍不平行，就看不见干涉条纹，为什么？附录 关于标准误差根据误差理论，剩余误差定义为： ll (1—1ˊ)i ili是对量li次测量值。l是对量ln次测量的算术平均值，即l ll1 2

n

n（1—2ˊ）n由贝塞耳公式可知，单次测量的标准误差表示为2]n12]n1式中[2]是剩余误差的平方和，即2]

i2i2n1

（1—4ˊ）实验二迈克耳逊干涉仪[实验目的]法；观察和研究非定域干涉、定域干涉现象；观察和测量不同光源的相干长度；测定He-Ne激光波长。[仪器和装置]迈克耳逊干涉仪，He—Ne激光器，白炽灯，钠光灯。迈克耳逊（以下简称迈氏）干涉仪，最初是为研究地球和“以太”的相2—12—2WSM—100形迈氏干涉仪9上。图2—1迈克耳逊干涉仪光路原理图 图2—2 WSM—100形迈氏干涉仪外形图

，补偿G，平面反射镜M和M组成。G、G1 2 １ ２ 1 2是两块材料相同、形状一样的平行平面玻璃板。在G12—1G2IG1三1 2 1 2 次，而光束Ⅱ只经过一次。这种不对称性，对单色光干涉并不重要，但在光干涉时，由于G 的色散会对不同波长的光波产生附加光程差，加入G可以补偿这种附加光程差，以便得到清晰的白光干涉条纹、4为平面反射镜M的微调旋钮，在M、M后还有三只可调螺旋8，用以调节M1 2 1 2 MG平行于GMM与G

约成45°2 1 2 1 2 1 2是122夹角。在图2—1中，M M在半反射面A中的虚象，位于是122

附近。1干涉条纹可认为是MM1

2的反射光在干涉场中迭加相干的结果。观察测量系统由导轨7，粗调手轮1，微调手轮2，读数窗5，观察屏611组成。M由精密丝杆带动可在导轨7上平移，旋转手轮1或2，可改变M112M2

之间的距离d。在本仪器中，M

镜的移动范围约为100mm，读数精1110-4mm。M的位置由三部分读数之和决定，这些读数是导轨左侧的毫米标尺读数m、读数窗5显示的读数1—2m）与微调手轮2的读数14m。在一次测量中，手轮5和2以避免逆转空回引起测量误差。11[实验原理]2-1点P处的光程差2dcos （2—1）式中，d为

M

为S

上的入射角。1 2 1

M

2之间的1相对位置有关。现将具体情况分析如下：1等倾干涉（定域干涉）1 M平行于ML1 2-3θm＝０，光程差 △＝２d=mλ 最大，干涉级次

最高，而后向外，依o oλ和固定不变，中央圆纹的干涉级次m将随空气平板厚度d而变化。当移动Ｍ使d增大或减小 λ／２时，中心处就向１外“产生”或向内“消失”一个圆环。在中央圆纹附近，可认为 sinθ 1 （2－2）m 2d θm+1mθm+1m式中m

，负号表示内环干涉级次（m+1）高于相邻的外环干涉级次m； )/2是平均角距离。式表明，当m m1 mmd一定时，相邻两条纹的角间距 △θ 正比于光波λ反比于入射角mθ。因此，在Ｌ的焦面平面上内环宽而疏，外环细而密，呈非均匀状态分θm布。等厚干涉（定域干涉）

就构成一个夹角很小的空气楔，如１ ２ １ 22－4a所示。用单色平面波照明时，式中的cos为定值，干涉条纹是d面附近，就可直接观察到这种等厚干涉条纹。若用扩展光源照明，在交棱附近，即观察面积很小时，可认为cosθ的影响很小，因此在交棱附近可观察到一组近似的等厚直线纹，如图2—4b所示。远离楔棱处，即观察面积较大，则dcosθ都对干涉条纹的形状产生影响。由式看出，在△为常数时，若d0因此得到一组凸向楔棱的曲线条纹，称为混合条纹。采用白光时，在M和1Md=0（或2黑）色条纹。图2—3等倾干涉光路原理图 图2—4等厚干涉条纹与混合条纹M1、M2—平面反射镜 分光板S—扩展光源L—成象物镜F—观察单色非定域干涉用单色点光源照明干涉仪时，将观察屏放入波场迭加区的任何位置处，都可观察到干涉条纹，这种条纹称为非定域干涉条纹。、图2—5所示为利用迈氏干涉仪产生非定域干涉条纹的原理。S是照明、1单色点光源SGM1

平行于M（图２5，S S121 分别是S在M、M 中的象，则S、S 和S 121 11 2 1 21垂直于M

M

2。观察屏６位于垂直于直线的任何位置时，都可接收到与122—5aM不平行于图1212225bSM、M6上，122可依次观察到各种形状的曲线条纹以至直线条纹，如图2—5b所示。2 与等倾圆纹一样，若M平行于Mdλ/2时，屏幕中心就“产生”或“消失”一个圆纹。连续改变d2 1失”N个圆纹，则M镜的位移量△d为1dN2

（2—3）测出△d及N，就可计算出照明光源的光波长λ。本实验中的单色点光源，是用凸透镜会聚He-Ne激光光束得到的。图2—5非定域干涉条纹的形成L的测量M和M反射的两光束迭加时，若它们的光程1 2差大于波列长度，则因它们不是由同一波列分割成的两束光，故不能产生干L与光谱宽度的关系为L=λ2/△λ (2—4)光波通过相干长度所需的时间称为相干时间，即τ=L/c (2—5)式中，c为光速。利用相干长度和相干时间，可以描述光源非单色性对干涉现象的影响在本实验中，通过改变M、M 之间的距离d，观察条纹对比度的变化，1 2直至对比度变为零，就可测出光源的相干长度L。[内容和步骤]MMMM。1 2 1 2如图2—6所示放置仪器，在扩束镜后面放置一张白纸或毛玻璃屏，用眼睛观察，调节激光器的方位，使激光束覆盖G镜。眼睛从分光镜向反射1M84，1使两组小激光斑点一一对应重合，此时M1与M2就大致垂直了。非意域干涉条纹的调节和观察2—62—2光束先会聚成一点光源后再射向G，位于E处毛玻璃屏６可接收到干涉条1纹，仔细调节8和3、使干涉圆环圆心位于现场中央。图2－6调节Ｍ垂直于Ｍ１ ２6，观察是否在每一位置都能接收到干涉条纹？为什么?2的旋向，观察和总结圆环的“产生”或“消失”以及它们的疏密随d值变化的规律性。测量Ｈe-Ne激光光波波长单向旋转手轮2，将非定域干涉圆纹中心调至成暗斑或亮斑。记下此时M镜的位置d;2移动M镜，数出从中心“产生”或向中心“消1 1 1失”100~200个干涉圆环，记下这时M的位置d，两次读数之差即为M1 2 1的移动量d，利用式（2-3）计算Ｈe-Ne激光光波波长。等倾条纹的调节和观察在扩束物镜后面放一块毛玻璃，将球面波散射成为扩展面光源，在E处用眼睛或聚焦于无穷远处望远镜可看到一组以眼球或望远镜的轴为中心3仅仅是圆心随眼睛而移动。这时看到的圆纹就是等倾干涉条纹。移动M，观察、归纳并解释条纹随d而变化的规律。1用观察屏6代替眼睛或望远镜，观察在该屏上是否能接收到干涉条纹。若将散射屏逐渐靠近扩束物镜，再观察在屏6上是否出现干涉条纹，解释观察到的现象。等厚干涉条纹的调节和观察在第四步的基础上（还是在扩束镜后使用毛玻璃片，移动M1

镜使圆纹变粗。当视场中只剩下极少数圆纹时，微调34，使M

和M间构成2 1一个很小的夹角。用眼睛对M1

镜面附近调焦，可看到近似于等厚干涉的直线条纹。改变M，M间的夹角大小和

镜的位置，就可观察到条纹间2 1 1距及条纹曲率半径的变化，总结其规律性。白光干涉条纹的调节和观察测量白光光源的相干长度和透明介质薄片的折射率。在第五步的基础上（扩束镜后使用毛玻璃片观察等厚干涉条纹，调出曲率半径较大的曲线纹。旋转手轮2，使条纹向圆心方向收缩，至条纹继续缓慢地沿原方向旋转手轮2，直到在视场中观察到彩色的直线条纹为（或黑M1

M

的交线。旋转手轮2，2使零级条纹位于视场中央，记下M1镜所在的位置，缓慢旋进手轮2至视场中彩色条纹刚刚消失为止。记录此时M1平均波长，由L=2d，利用式及计算白光光源的相干长度、谱线宽度和相干时间。M2的旋转方向，沿此方向调出1白光干涉条纹，并使零级条纹位于视场中央，记下M1

镜的位置。在M镜1前插入厚为l折射率为n的显微镜盖玻璃片。由于光束I增加了光程差2l(m)2，若补偿1的光程差2l(n)M镜的1位置，测出薄片的厚度l，就可算出折射率n。若在M镜前加一块厚度与G板相等的平行平板，能否重新调出白光1 1干涉条纹？为什么？测量钠黄光的相干长度He—Ne激光器发射的激光波长。用我们的迈氏干涉仪能否测出其相干长度？为什么？你观察的结果如何？钠黄光的平均波长为589.3nm环测出相干长度。调出纳黄光的等倾干涉条纹，移动M镜可观察到条纹对比度的周期性1变化，单方向旋转手轮2，测出使圆条纹由最清晰（或最模糊）变为最模糊（最清晰）的M1

镜的位置改变量d值，由L=2d，利用（2—4）和（2—5）计算钠黄光的相干长度L，光谱宽度△λ和相干时间τ值。重复操作三次，取其平均值，并与白光干涉的结果比较。[思考题]观察等厚干涉条纹时，能否用点光源照明？为什么？M镜时，如何判断等效空气层的厚度是在增大（或减小）？1如何判断空气楔楔角方向？本次实验引起测量误差的原因有那些？如何提高测量精度？[注意事项]话、严禁用手触摸光学元件。MM1 2

背面的螺钉时，用力不能过度，否则轻者使镜面变形，影响测量精度；重者将损伤仪器。移动M1齿轮。[实验目的]

了解干涉仪的结构，掌握调节与使用干涉仪的方法；干涉测定纳双线的波长差。[仪器和装置]F—P干涉仪，钠光灯，测量望远镜等1 法布里—珀罗干涉仪是由两块间距为hGG3—11 1~ 1 波长，同时，还应严格保持平行。为了避免G

外表面反射光20 100 1 22 的干扰，通常将此两板做成有一小楔角。使用时，常将G可连续如果将两板用热膨胀系数很小的材料做成的间隔圈固定起来，则称为标准具。2 图3—1F—P干涉仪光路原理图光源照明，在透镜L等倾亮条纹。与迈克干涉仪的等倾圆纹要细锐得多，如图3—2所示。一般情况下，测量迈氏仪产生的圆条纹时读数精度为1条纹间距左右，对F—P干涉仪产生的圆条纹，其读数精度可高达条10纹间距的1 ~ 1 。因此干涉仪常用于高精度计量技术与光谱精100 1000细结构分析。3—3多光束干涉系统，就构成这两种干涉系统同时配套供应的。图3—2 两种干涉仪产生的条纹的比较F—P干涉仪产生的多光束干涉条纹 b)迈氏干涉仪产生的双光束等倾干涉条纹图3—3 F—P干涉仪外形G1—可移动平面镜 G2—固定平面镜 1—测量系统粗调手轮班 2—测量系统调手轮 3—G1G2倾角调节螺旋 4—G2的微调旋钮[实验原理]在等倾干涉中，设干涉圆纹的中心级次为m，由于

不一定是整数，故可写成

o om=m+εo 1ε是小于1N[m1纹的角半径 为1N1n' h1n' hn[N1]1N与之对应的圆纹直径为2fn2fn' hn[N1]1N

（3—1）f为图31中的透镜Ln′是P干涉仪周围介质的折射率，n是GG是GG是照明光波长。1 2 1 2i，jD、D，由式就可计算i j出与之对应的h值。如果投射到F—P干涉仪上的光波中含有两个光谱成分λ、λ，其平均1 2波长为，则在L的焦平面上，可以得到分别用实线

）和虚线（λ）表2 1示的两组同心圆条纹（λ2稍有差别。

>λ3—4所示。两波长同级条纹的角半径1对于靠近条纹中心的某点θ0，两波长干涉条纹的级次差mmm1 2 2h 1 2 2h( )2 11 2另外，由图3—4可知mee图3—4 波长λ1和λ2的两组等倾圆纹1 e是两波长同级条纹的相对位移量，e较上两式，当λλ1 e22 1

e2h

（3—2）、h就可按式。应该注意的是，利用上述方法测量△λ时，如果发生了干涉条纹级次交错现象，则△e应在测量值的基础上要加上一个e。根据前面实验原理，透射光的加强条件为2hcosm 极大)λ 若只考虑干涉条纹的中心处co＝，当的亮纹位于λ 1 2亮纹的中央时，有2hm

1

（3—3）1 11 1 22 1 22h m

m 11

（3—4）2 2 1 2 22从(3—4)式减去(3—3)式，得到2h2

h1

m1

m2

m1 2 21

波长差很小，近于相等，则得21 2

1h2 1

(3—5)此实验中，1

可用平均值[内容和步骤]调试仪器（3—3）转动手轮1将G1与G22mmG1、G2背面的螺钉3使之松紧程度大致相同。点亮钠灯，调节光窗位置，使之处于G1板的正前方。G的透射光中可看到23G和G内表面已达1 2到平行。换用望远镜观察，略微调节螺钉4，便可得到图3—2a所示的等倾圆纹。观察现象2，缓慢减小G和G的间距，注意不能使两者相碰。然1 2后反方向旋转微调手轮2，增大h。这时视场中条纹数逐渐增加，并且开始λhe时，λ1

的第m级条纹与λ2λ

的第m－1级条纹重合，称此为重级现象。若再继续增大h，将出现△e>e，发生级次交错。值λ2的操作过程，增大h，使λ1

的亮纹位于λ2λ

的两相邻亮纹1的中央，读取干涉仪的读数D。1λh，使λ1

的亮纹与λ2λ

的亮纹逐渐靠近，然后重合，继续增λ大h，两套干涉条纹又重新分开，当λ1

的亮纹再次位于λ2λ

的两相邻亮纹的中央时，读取干涉仪的读数D2。求得△h=D2－D1，利用公式（3-6）计算钠双线的波长差（钠光灯平均波长为589.3n。重复几次取平均值。两环再次居中两环再次居中两环相互靠近两环居中图3-5测量示意图两环相互靠近两环居中[思考题]原因是什么？在调节干涉时，开始往往是条纹中心偏在一边甚至不在视场也随之变大，这些现象如何解释？如何纠正？在本实验中，钠光谱的△λ=0.6n空气平行平板间的最大间距h为多少？本实验中，干涉仪的读数D与两反射镜之间的距离h么？实验四 用双光源衍射法测量光谱仪狭缝宽度[实验目的]掌握双光源衍射法的基本原理，加深对夫琅和费衍射规律的理解；利用双光源衍射法测定光谱仪狭缝宽度及两刀口的平行性。[仪器和装置]纳光灯，长焦距聚光镜，双狭缝，被测狭缝光阑板，光具座。[实验原理]4—1aSAA后面的人眼看到缝S的平面上有虚的夫琅和费衍射图样4—1bθ纹任意一侧相邻暗纹之间的角间距为'0

（4—1）是待测狭缝宽度。只要测出相邻暗纹之间的角间距θ′aθ而是采用光双光源衍射法确定定狭缝宽度a及两刀口的平行度。图4—1 夫琅和费单缝射及光强分布图图4—2 双光源衍射法实验光路图a）和双狭缝形状图b）2H—汞灯 F—滤光片 聚光镜 B1B—双狭缝 A—被测狭缝2图4—3 上下错开的两组衍射条纹4—2ab分别画出了实验光路和作为衍射光源的双缝。由汞灯H出的光经过干涉滤光片F或普通的绿色滤光片后成为准单色光。聚光镜把光会聚在被测狭缝A上。双缝BB把光分为两个方向不同的光束照明1 2狭缝A，产生两组同样的衍射条纹。由于双缝B和B上下错开，所以两组1 2衍射条纹上下错开，如图4—3所示。两个中央亮纹对狭缝的张角ω等于双缝B、B对狭缝A的张角，即1 2b （4—2）D式中，bBB是双缝与被测狭缝之间的距离。前1 2说明ωθ角就是3当两中央亮纹之间有z角则由下式确定(z' （4—3）代入式中得(zb

（4—4）表明实验时只要记下对齐的暗纹数z，测出距离D，由给定的和b由上式计算出缝宽。z也不再严格成立；如果对准的暗纹数只有一条也不2~4条之间为宜。利用这一原理，也可以测量狭缝两刀口的平行度。为此应在被测狭缝后放一个光阑板，此光阑板上开有上、中、下三个小孔，如图4—4所示。测量缝宽时，眼睛挨在中先将眼睛挨在上孔后面观察，移动狭缝使上如果狭缝两刀口平行，上下暗纹仍然是对齐的，否则就得稍稍移动狭缝使上下暗纹重新对齐。记下狭缝移动的距离△D就可以按下图4—4开有三个小孔的光阑板以按下式计算出上下缝宽之差(zD （4—5）b1μm，大于1μm产品。[内容和步骤]实验装置的调节调节好的实验装置要满足如下要求：光源H光轴必须与导轨平行。直。光源被聚光镜成象在被测狭缝上。测量狭缝的宽度，检验狭缝鼓轮示值的准确性。开启纳光灯电源等待片刻至纳光灯发光稳定。。前后移动滑座，使两中央亮纹之间有两条暗纹上下对齐。前后移动光源，使光源经聚光镜成象在被测狭缝上。利用齿轮、齿条机构前后微动狭缝，使上下暗纹准确对齐，记下滑座在导轨上的坐标D和狭缝在滑座上的坐标D1 2（D、D）值。1 23条和４条暗纹上下对准，重复步骤5，求出缝宽的平均值。使狭缝鼓轮示值分别为4，80μm和120μm重复步骤3、4（5，以检验狭缝鼓轮示值的准确性。检查光谱仪狭缝两刀口的平行度(1) 将狭缝固定在某一宽度（例如120，将眼睛挨在上孔后面，3纹重新对齐，记下狭缝在滑座上的坐标D2。(2) 的平均值，对被测狭缝作出质量评价。[思考题]在本实验中，还可以采用另一种方法计算狭缝宽度，其公式为a(z1

1)(z2

bz

（4—7）zz为第二次对齐的暗纹数zzD1 2 1 2为两次对齐暗纹时狭缝移动的距离，△z为两次对齐的暗纹数之差。试证明这一公式，并用其计算缝宽，与前面的结果进行比较。实验中的聚光镜有何作用（提示：从衍射性质考虑）？亮纹之间的次级亮纹对齐行吗？试讨论本实验的误差来源及减小测量误差的方法。4—6xz轴旋转此狭缝又会观察到什么现象？图6－6 被测狭缝绕x轴或绕z轴旋转【注意事项】况下，都不能让狭缝的两刀口闭合，以免碰损刀口。实验五衍射光栅分光特性测量[实验目的]了解光栅的分光原理及主要特性掌握测量光栅分光特性的实验方法。[仪器和装置]分光仪，不同规格的衍射光栅，汞灯，读数显微镜。[实验原理]衍射光栅最重要的应用是用作为分光元件，熟悉其分光原理及主要特性，是正确使用光栅的基础，下面介绍光栅在这方面的性质。为d(sinisinθ|m| = 0,1,2,„„ 为光号对应于入射光与衍射光处在光栅法线的同侧入射光与衍射光分别处在光栅法线的两侧。由式级外，均不重合，即发生“色散光栅的色散本领光栅的色散本领通常用角色散与线色散表示。角色散：波长差为单位波长的两谱线分开的角距离称为光栅的角色散。当入射角一定时，对式（5—1）求微分得到角色散的表示式。d m （5—2）d dcos线色散。线色散表示式为：dlf

d

m （5—3）d d dcos式中，f是聚焦物镜的焦距。光栅的色分辨本领光栅的色分辨本领定义为：波长λ与在该波长λ附近能被分辩的最小波长差δλ的比值，按照瑞利判据可以求出mN故分辨本领

AmN （5—4）式中，m是光谱的级次，N是光栅的总刻线数。光栅的自由光谱范围范围。表示为Rm

（5—5）但会缩小自由光谱范围。另外从式可以看出，当其它条件不变时，如何选择光栅，应根据具体要求综合考虑。[内容和步骤]先调节分光仪，步骤为：5—1所示，将被测光栅放到分光仪载物台P上，使光栅平面垂直平分BB。调节B、B，直到在1 2 1 2望远镜中观察到从光栅平面反射回来的叉丝的象位于附图3所示位置。把平台旋转180°，重复以上调节步骤，使光栅平面与仪器转轴平行并且垂直于平行光管的光轴。图5—1光栅在载物台上的放置方式5—2aB3使之达到上述要求。图5—2光栅刻线方向与谱线位置图光栅刻线平行于分光仪转轴 b）光栅刻线不平行于刻线转轴300线对/mm测出汞绿光λ=546.07u）在m±2θ，利用式计算该光栅的常数dθ的误级与－1i是否为零。利用测得的衍射角计算出相应的色散本领。分光计望远物镜的焦距ƒ=168mm。测量大角度入射时的汞黄光各高级次光谱的衍射角，计算出相应的汞灯的光谱图分析光谱不重叠的范围，实际观察并与理论值比较。观察光栅刻线数N与分辨本领A的关系设法逐渐挡住入射光减小光栅通光面积，观察汞黄双线随N减小发生的变化。取下光栅，用读数显微镜测量刻划面横向宽度l，计算出相应的N值，据此计算出±1，±2比较。分光仪平行光管通光孔径22mm。600线对/mm解释之。[思考题]如果光栅刻线不与分光计转轴平行。对测量结果有无影响，为什么？[附录]：

分光仪结构中心轴旋转。刻度盘和游标都装有动调整和锁紧装置，进行精细调节。光学系统由阿贝式准直望远镜和可变狭缝的平行光管镜可使分划板成像清晰。附图1 分光仪外形结构通过放大镜读出相隔180°的两个游标的读数（射像和实象的数字重合后再进行读数，从而可避免读数误差，角度的读法以游标的零线所处度盘的位置，读出度值和分值（度盘共刻1080条线，格值0，读游标与度盘刚好重合的亮线条，得出分值和秒值，两次数值相加，即得角度值（附图。附图 2附图 3统系管镜远望直准自统系管镜远望直准自统系管光行平统系数读盘度标游学光4图附实验六偏振光的获得与检测[实验目的];(圆偏光与椭圆偏振光的原理和方法。[仪器和装置]白炽灯，钠光灯，汞灯，Ｈ激光器，光电转换器，分光计，偏光显微镜，光具座等。[实验原理]都有规律的变化，光矢量端点的轨迹是一个椭圆，称为椭圆偏振光。从普通光源发出的光可以看作为具有一切可能振动方向的许多光波的总强度为I =

它在部分偏振光的总强度I=I

中所占的比率p

min

t max

minP称为偏振度，即

I I IPp

(6—1)I It

I对于自然光，各方向的强度相等，故P=0，对于线偏振光，P=1，其他情况下的P值都小于1。偏振度的数值愈接近1，光的偏振化程度愈高。从自然光获得线偏振光的方法，归纳起来有以下四种:利用反射和折射；利用二向色性；利用晶体的双折射；利用散射。在本实验中，将着重熟悉前三种方法。利用线偏振器和1波片，可组成圆偏振器和椭圆偏振器，用以产生圆偏4振光和椭圆偏振光。)α1波片后，仍为线偏振光，但2光失量的方向要向着快(或慢)轴方向旋转2α角。线偏振器用来从自然光获得线偏振光时，称为起偏器，用来检测线偏若观察到两次消光现象，则被检光束为线偏振光。将1波片与检片器配合使用，可以测检圆偏振光、自然光、椭圆偏振4光与部分偏振光。例如，让被检光束正入射到

1波片上，将检偏器旋转一周，若出现两414若旋转检偏器一周无光强变化，则被检测的入射光为自然光。若旋转检片器一周，虽有光强变化但无消光现象出现，则被检测的入射光或为椭圆偏振光或为部分偏振光。区分椭圆偏振光和部分偏振光时，首先不加

1波片，将检偏器旋转一4周。确定透射光强的最大位置；然后将1波片插在被检测光波与检偏器之间，4)按照下述方法，可以检测椭圆偏振光的旋向。先使检偏器的透光轴方或短轴11波片的快轴(或短轴)与被检测椭圆偏振光的长轴(或4 4短轴)一致。然后将检测偏器向着光强减小并达到消光的方向旋转，该旋转方向即为被检测椭圆偏光的旋向。[内容和步骤]由反射和折射产生线偏振光，布鲁斯特定律及应用。6—1α(θi满足条件tgθi=n (6—2)图6—1应用布鲁斯特定律获得偏振光的实验装置1—光源 2—会聚透镜 3—平行光管 4—起偏器 5—待测样品6—分光计平台 7—检偏器 8—在物镜焦面上装有狭缝的望远镜 9—光电池则反射光中只有s分量，这个结果称为布鲁斯特定律。(6—2)称为布鲁斯特公式式中的入射θ 表θ 称为布鲁斯特角从式(6—2)看出i B利用布鲁斯定律，不仅可以获得线偏振光，还可以用来测定介质的折射率。6—1b指示偏振器透光轴方向的分度盘最小格值为。观察起偏现象，测量介质折射率θi角入射光方向也与入射面平行。不改变θ

，同时旋转望远镜，直到θ=θi i

，光电B池的输出为零时为止。这表示Rp已为零，满足布鲁斯特定律。由式(6—2)可计算出被测介质的折射率n。rθi确定θB从反射率RsRPθiθB附近，P分量的光强很小，并随入射角缓慢变化，因此，利用光强变化直接测量θBr～iθB则可提高测量精度。图6—2

定义及r

~曲线ixy为入射面，z为入射角的法线 b)以

为参变量的i

~曲线i ，如图6—2a所示。则i rE(r)

rE(i)

)tg

p p p i t tg

（6—3）r E(i)s

rE(i)s s

cos(i

) it6—2b画出了以

为参变量，θi

为自变量 ~r i

曲线。 ~r

曲线有以下特点:1）θ=θ 时， =0，因而

=0，满足布鲁斯特定律。i B r p入射θ 由θ 的一侧变到另一侧时改变符号，表明θ 的i B i B两侧，反射光有π位相突变。E(i)P

E(i)θ的变化也越大因此用 P 较Ei B r i EiS SθB，灵敏度最高。实验时，旋转起偏器，使起偏器透光轴与入射面法线方向之间的夹角 约在80°~87°之间，记下所取的值。对不同的入射角θ、旋转检r i i偏器，使其透光轴分别平行和垂直于入射面法线方向，测出相应的RRs P值，利用 tg(r

RptgR s

) (6—4)计算 ，作出 ~曲线。该曲线与横坐标轴的交点就是所求的θr r i B值。θ 代入(6—2)求出n值，并和用前一方法求出的n值进行比较。B(2)角θ=θ 时，从两介质的分界i B线偏光，但光强很小。如图6—3Nθi=θ 时，反射光与透射光都是B偏振度很高而强度又接近相等的线偏振光。若不考虑玻璃片堆的吸收及在同一分界面上的多次 图6—3玻璃片堆的反射与透射反射，则光矢量垂直于入射面分量的透射率约为T =(1－R)2N (6—5)s s式中，R是θ=θ 时，垂直分量在一个分界面上反射一次的反射率。s i B将N=5，10，15的玻璃堆依次放到分光计的载物平台上。取去平行光管物镜前的起偏器，使自然光θ=θ 入射到玻璃片堆的表面上，如图6i B—3所示，调节望远镜以使透射光束处于正入射状况，旋转检偏器一周，记

和最小光强I 代入式(10-1)求出透射光的偏振度max minP透射光强的最小值I 实为透射光的I(t),测出入射光中s分量的I(i),得min s sI(t)到T s ，将实测的Ts I(i) s

与由式（6—5）给出的Ts

进行比较,讨论并将分析结果写入实验报告。偏振棱镜实验,分析产生变化的原因。用尼科耳棱镜作起偏器，测量人造偏振片、格兰棱镜的消光比,自拟实验方法与步骤。消光比的定义是IMminI

(6—6)max式中和I 分别是两偏振器透光轴相互平行和垂直时测得的透射光强。max min消光比是衡量偏振器件质量的重要指标，常见的人造偏振片的消光比约为13。（３）θ。渥拉斯顿棱镜的结构及光路如图6—4所示。不难证明，当棱镜顶角θ不是很大时，o光、e光与出射面法线的夹角为sin1[(n n)tg] （6—7）0 e图6—4渥拉斯顿棱镜He－Ne激光束作光源，测出由渥拉斯顿棱镜输出的o光间夹角，由给定的nno e用式θ偏振器，将透射光衰减到利于观察时为止。否则，不利于观察测量。波片及其作用（以下实验在光具座上完成）1波片对线偏振光的作用2 0根据所学知识，自己设计一个实验，验证1/2波片对线偏振光的作用，表格，记录实验数据并分析实验结果。椭圆偏振光的产生与检测1）将起偏器P

、检偏器P的透光轴调至正交。在P与P11 2 1 2 4波片=589.3n，使其旋转36°，用以校正波片主轴方位，观察消光0现象的次数，并解释之。2)依次调节1波片的快轴方向与P4

的透光轴方向之间的夹角α=15°、30°、45°、60°、75°、90°，将P旋转一周，观察透过P的光强变化。2 2确定相应的偏振态，理论分析其旋向并用实验证明之。实验结果填入下表并画出椭圆示意图：11波片转动角度4检偏器转动一周透射光强变化情况透射光的偏振态15°30°45°60°75°90°1/21/4[思考题]要求？为什么？何谓波片？如何确定波定的快（或慢）轴方向？实验七 电光调制实验【实验目的】1、掌握晶体电光调制的原理和实验方法；2、学会用实验装置测量晶体的半波电压，绘制晶体特性曲线，计算电光晶体的消光比和透射率。【仪器和装置】电光调制实验系统由光路与电路两大单元组成，如图1所示：图1电光调制实验系统结构一、光路系统由激光管(P(LN(A与光电接收组件(P)和/4(P)1 2注：注：本系统仅提供半导体激光管(包括电源)作为光与其配套的电源．激光强度可由半导体激光器后背的电位器加以调节，故本系统未提供减光器(P)。1本系统未提供/4(P2可自行配臵。二、电路系统调制信号发生、偏压与光电流指示表等电路单元均组装在同一主控单元之中。图2电路主控单元前面板图2为电路单元的仪器面板图，其中各控制部件的作用如下：用于控制主电源，接通时开关指示灯亮，同时对半导

体激光器供电。用于控制电光晶体的直流电场（仅在打开电源开关后

有效）调节直流偏置电压，用以改变晶体外加直流电场的大小。偏压极性开关改变晶体的直流电场极性。偏压指示 数字显示晶体的直流偏置电压。指示方式开关用于保持光强与偏压指示值，以便于读数。用于对电光晶体施加内部的交流调制信号（1KHz

的正弦波）用于对电光晶体施加外接的调制信号的插座。（插入外来信号时内臵信号自动断开）调制幅度旋钮用于调节交流调制信号的幅度。调制监视插座将调制信号输出送到示波器显示的插座。将光电接收放大后的信号输出到示波器显示的插座，

可与调制信号进行比较。光强指示 数字显示经光电转换后的光电流相对值，可反映接收光强大小。解调幅度旋钮用于调节解调监视或解调输出信号的幅度。解调输出插座解调信号的输出插座，可直接送有源扬声器发声。三、系统连接1、光源将半导体激光器电源线缆插入后面板的“至激光器”插座（He—Ne输出直流高压务必按正负极性正确连接。2345、扬声器6

高压插座。将光电接收部件（位于光具座末端）提供电源。光电接收信号由解调监视插座输出；主控单元中的内置信号（或外调输入信号）由调制监视插座输出。两者分别送到双踪示波器，以便同时显示波形，进行比较。将有源扬声器插入功率输出插座即可发声，音量由“解调幅度”控制。主控单元后面板右侧装有带开关的三芯标准电源插座，用以连接220V市电交流电源。注：扬声器发声的音质与光路调整、晶体偏压、调制幅度以及信号源的性能均有关联。注：扬声器发声的音质与光路调整、晶体偏压、调制幅度以及信号源的性能均有关联。【实验原理】某些晶体在外加电场的作用下，其折射率随外加电场的改变而发生变位或频率的调制，构成电光调制器。电光效应分为两种类型：一级电光（泡克尔斯——Pockels）电场强度。二级电光（克尔——Kerr）平方成正比。本实验使用铌酸理（LiNbO3

）晶体作电光介质，组成横向调制（外加电场与光传播方向垂直）的一级电光效应。图3横向电光效应示意图如图3所示，入射光方向平行于晶体光轴（Z轴方向，在平行于X(E)作用下，晶体的主轴XYZ45，形成新的主轴’轴Y’轴Z轴不变所施加的电场强度E：nn3rE0式中r为与晶体结构及温度有关的参量，称为电光系数。n为晶体对寻常光的折射率。0当一束线偏振光从长度为l、厚度为d的晶体中出射时，由于晶体折射率的差异而使光波经晶体后出射光的两振动分量会产生附加的相位差，它是外加电场E的函数：

l nl n3rE n3rU 0 0 d

(1)式中为入射光波的波长；同时为测量方便起见，电场强度用晶体两面极间的电压来表示，即U=Ed。当相位差时，所加电压UU

d2n3rl (2)0U称为半波电压，它是一个用以表征电光调制电压对相位差影响的重要物理量。由(2)式可见，半波电压U决定于入射光的波长、晶体材料和它的几何尺寸。由(1)、(2)式可得：)

U U

式中0

为U＝0时的相位差值，它与晶体材料和切割的方式有关，对加工良好的纯净晶体而言＝0。0图4为电光调制器的工作原理图。由激光器发出的激光经起偏器P后只透射光波中平行其透振方向的振动分量，当该偏振光IP

垂直于电光晶体的通光表面入射时，如将光束分解成两个线偏振光，经过晶体后其X分量与Y再经检偏器AI(AP)A时，根据偏振原理可求得输出光强为：图4电光调制器工作原理 )I I sinA P

sin22

式中 ，为P与X两光轴间的夹角。P xA若取＝45UA

的调制作用最大，并且(U)再由（3）式可得

IAIPsin22

U I I sin2A P

2U

与相位差（或外加电压U）的关系曲线，即I~

A A~U如下：A图5光强与相位差（或电压）间的关系 由此可见：(U)＝2k (或) (k=0，1, 2，)时，I A 当(U)＝2k+1或U＝(2k+1)U时，I =A A 当为其它值时，I在0~I A 由于晶体受材料的缺陷和加工工艺的限制叠起来。于是，即使在两偏振片处于正交状态，且在 45的条P x件下，A 当外加电压U＝0时，透射光强却不为0，即I =I A PU＝UP

，即I =I IAmaxP由此需要引入另外两个特征参量：AmaxPI I消光比

MImin

透射率

TmaxI0式中，Io

为移去电光晶体后转动检偏器A得到的输出光强最大值。M愈大，T愈接近于1，表示晶体的电光性能愈佳。半波电压U、消光比M、透光率T是表征电光介质品质的三个特征参量。A5或(U＝U/2)IA（或电压U）6为外加偏置直流电压与交变电信号时光强调制的输出波形图。由图6可见，选择工作点②(U＝U/2)时，输出波形最大且不失真。选择工作点①(U＝0)或③(U＝U)时，输出波形小且严重失真，同时输出信号的频率为调制频率的两倍。图6 选择不同工作点时的输出波形／4晶体X轴（相当于附加一个固定相差作为“光偏置【实验内容及步骤】一、实验准备1、按图1的结构图在光具座上垂直放置好激光器和光电接收器。2、所有滑动座中心全部调至零位，并用固定螺丝锁紧，使光器件初步共轴。3、光路准直：器头部保持固定。盖中心位置上（去除盖子则光强指示最大器的位置不宜再动。P4、插入起偏器(P)，用白纸挡在起偏器后，调节起偏器的镜片架转角，使白纸上的光点亮度在最亮和最暗中间，这时透光轴与垂直方向约成P＝45。5将调制幅度和解调幅度调至最大，晶体偏压调至零，关闭主控单元的晶体偏压电源开关。A6、Yii输入端相连，打开主控单元的电源，此时在接收器塑盖中心点应出现光点（去除盖子则光强指示表应有读数(A)光强指示近于0(PA)。此时检偏器与起偏器的角度不宜再动。A注：²为使激光能正射透过晶体，必需反复对激光、晶体与光电接收孔者加以准立调整．²为获得较好的实验效果，光量宜调节在光强指示表为0.1(最小)至5．8(最大)的读数范围之内．70（达到最小注：²为使激光能正射透过晶体，必需反复对激光、晶体与光电接收孔者加以准立调整．²为获得较好的实验效果，光量宜调节在光强指示表为0.1(最小)至5．8(最大)的读数范围之内．8、打开主控单元的晶体偏压电源开关。9、必要时插入调节光强大小用的减光器P和作为光偏置的／4波片构成1完整的光路系统。（可选）二、实验现象观察及数据测量1、观察电光调制现象改变晶体偏压调节，观察输出光强指示的变化。将晶体偏压调至（否则会损坏仪器，输出光强指示的变化。2、测量电光调制特性作特性曲线改变偏压极性之前，一定要将晶体偏压调0（否则会损坏仪器。将直流偏压加载到晶体上，从0到允许的最大偏压值逐渐改变电压A，测出对应于每一偏压指示值的相对光强指示值，作I~U曲线，得到A调制器静态特性。其中光电流有极大值Imax

。正偏压和负偏压min各做一组值。如此时解调波形非正弦波，出现失真，说明激光器输出光功率过大，应微调激光器尾部旋扭使光功率略微减小。再重新测量曲线。测半波电压与Imax对应的偏压U即为被测的半波电压U值。由光电流的极大、极小值得：I消光比

MImaxmin计算：

将电光晶体从光路中取出，旋转检偏器A，测出最大光强值I，可0I透射率 T

maxI0注：注：I值时应控制光量大小不使光敏接收进入饱和状态。0三、电光调制与光通讯实验演示（可选做）将音频信号（CD机等音源）输入到本机的“。改变偏压试听扬声器音量与音质的变化。【实验注意事项】1、为防止强激光束长时间照射而导致光敏管疲劳或损坏，调节或使用好后应随即用塑盖将光电接收孔盖好。2、本实验使用的晶体根据其绝缘性能最大安全电压约为510V左右，超值易损坏晶体。3、调节过程中应避免激光直射人眼，以免对眼睛造成危害。4、加偏压时应从0伏起逐渐缓慢增加至最大值，反极性时也应先退回到0值后再升压。5、调节半导体激光器功率时，不要用力过大而损坏功率调节旋钮。[思考题]如果入射光是线偏振光，且偏振方向与水平方向成30出射光波的水平分量与垂直分量的位相延迟/2；把1波片放进光路4时，应满足那些条件？为什么？已知一块电光晶体的半电压U)0时的U50V，

41

波片，如果要得到理想的线性调制输出，放在光路中的波片应满足什么条件？为什么？4如果在实验中让A的透光轴与P实验八 声光调制实验【实验目的】1、了解声光调制实验原理；2、研究声场与光场相互作用的物理过程；3、测量声光效应的幅度特性和偏转特性。【实验原理】当声波在某些介质中传播时，会随时间与空间的周期性的弹性应变，（或光折射率声波中的此类介质可视为一种由声波形成的位相光栅（称为声光栅，其光栅的栅距（光栅常数）声光器件由声光介质和换能器两部分组成。前者常用的有钼酸铅PM所示为声光调制原理图。衍射光衍射光idB入射光声光介质声波换能器射频信号图1 光1

调制的原理理论分析指出，当入射角（入射光与超声波面间的夹角）

满足以下i

K

siniN

N2kN2

(1)s s

s2sN、k分别为入射光的波长和波数k，K分别为超声波的波长和波数K。s s声光衍射主要分为布拉格（Bragg）衍射和喇曼-奈斯（Raman-Nath）拉格衍射效率较高，故一般声光器件主要工作在仅出现一级光的布拉格区。满足布拉格衍射的条件是：Sin

(2)s（式中F与为光波的波长）s当满足入射角 较小，且 的布拉格衍射条件下，由（1）式i i BKB可知，此时 B2k

，并有最强的正一级（或负一级）的衍射光呈现。入（掠射角与衍射角 之和称为偏转角 （参见图（）i B d式：

KF d i

B k Vs s

(3)由此可见，当声波频率F同时由此也可求得超声波在介质中的传播速度为：V Fs

d【实验仪器及装置】图2所示为声光调制实验仪的结构框图。由图可见，声光调制实验系统由光路与电路两大单元组成。线阵信号输出（扩展用）激光器声光晶体光电信号解调输出信号主控单元超声载波信号源激光电源 载波频率指示载波幅度指示外接调制信号或音频信号调制信号源接收光强指示YⅠ解调波YⅡ调制波图2声光调制实验系统框图一、光路系统由激光管L、声光调制晶体AO）与光电接收R、CCD元组装在精密光具座上，构成声光调制仪的光路系统。注：注：本系统仅提供半导体激光管（包含电源）作为光源，如使用氦氖激光管或其他激光源时，需另配臵其它配套