北航工光实验报告

物理光学实验报告班级：班实验一组合干涉仪实验目的通过本实验，观察干涉现象，了解干涉原理，学会干涉光路的搭构与调整，通过干涉环的变化与被测量的关系，得到一些被测的物理量。实验原理简介：干涉测量技术是一种利用光的干涉现象来测量某些物理量的微小变化的技术，一般情况下，它是将一束光通过光学元件分为两束，一束作为参考光，另一束作为测量光，测量光落在被测物体上或通过被测样品，然后再将这两束光重新拟合，利用干涉图形的变化，检查出目标某个物理量的微小变化。这种测量方法由于大多采用高稳定度的、长相干的激光作为光源，因此一般都具有大量程、高分辨率、高精度、对目标影响小的特点。该技术在实际应用中，根据使用环境和要求的不同，往往采用不同的光路结构。本实验主要搭构两种较为常见的光路结构，组成1）迈克尔逊干涉仪，2）萨格奈克干涉仪，以熟悉它们的结构和特点。迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪作为一种十分古老的干涉仪，于1880年由迈克尔逊发明，并主要由此于1907年获得诺贝尔奖金。它的基本光路结构如图1。它常被用来测量物体的微小位移变化：从光源发出的一束相干光经分束镜G一分为二，分为两束。一束透射光落在反射镜M1上，另一束反射光落在发射镜M2上，M1、M2分别将这两束光沿原路反射回来，在分束镜G上重合后射入扩束镜，投影在白屏上，如果我们对光路调整的合适，将在白屏上看到一系列的明暗相间的干涉条纹，这些干涉条纹会随着M1或M2的移动而移动，且非常敏感，只要反射镜移动半个波长，干涉条纹就移动一个周期，而光波长一般都在微米量级，因此它具有很高的灵敏度和分辨率。萨格奈克干涉仪萨格奈克干涉仪的光路结构如图2所示，光路由一个分束镜G和三个反射镜M组成，它的光路比较特殊，两束光沿着相同的路径反向传播。由于两束光的传播路径严格重合，因此任何实际样品的影响都是同时作用在两个光束上的，且大多数情况下作用相互抵消，我们观察不到变化，但这种干涉仪对角度的变化却有反映。假设干涉仪绕垂直于光路平面的轴转动，则一束光将顺着转动方向传播，而另一束光将逆着转动方向传播，这将引起光程差的变化，从而引起干涉条纹的移动。实验内容本实验的主要内容为：在光学实验平台上，按图1、2所示光路搭建出两种干涉仪，并调整出粗细适当的干涉条纹。然后在光路中加入气室，对气室加压，改变气室中的空气压强，由于气体的折射率依赖于气体的压强，当这种变化只作用在某一路光束时，必将引起两束光之间的光程差的改变，从而引起干涉条纹的变化。通过压强计读出空气压强同干涉条纹变化的关系，可绘制出空气压强与干涉条纹变化的关系曲线和空气折射率与压强的关系曲线（气室长度100mm）。比较两种干涉仪的测量结果，了解两种干涉仪的结构和特点。实验仪器实验平台（400mm×600mm）1个二维可调半导体激光器（650nm，4mW)1套二维可调分束镜1套二维可调反射镜2套二维可调扩束镜1套白屏1个气室＋压强计1套实验步骤：1．将半导体激光器、分束镜、反射镜和扩束镜按照图1、2位置摆放。2．通过白屏调整光束的位置，使所有光束在同一水平高度，保证干涉的实现。3．调整分束镜和反射镜的位置，得到干涉条纹。4．调整阀门改变气室的压强，观察条纹的变化。5．在白屏上固定一个点，计条纹移动的数目。6．计算条纹移动的数目与气室压强的变化，画出关系曲线。实验结果迈克尔逊干涉条纹移动的数目气室的压强/kPa13202850314100419150526200628260732280关系曲线为：萨格奈克干涉改变气压条纹不会发生改变。七、实验收获与体会此实验通过搭建迈克尔逊干涉仪测量气压与密度的关系。因为加大气压，腔内气体密度发生变化，气体折射率变化，从而引起光程差的变化，干涉条纹发生改变。而萨格奈克干涉两束光的传播路径严重重合，因此气压腔压强改变虽然导致气体折射率发生变化，但是两束光都经过该气压腔，光程增加，但是光程差没有发生变化。因此，我们观察不到变化，但是改变三面镜子的旋转螺钉，对干涉条纹影响很大，说明这种干涉对角度的敏感性很好。实验二衍射现象的观察实验目的通过本实验，使学生掌握衍射基本原理。实验原理光的衍射是光的波动性的主要标志之一，是傅立叶光学、衍射光栅和二元光学等的基础，它决定光学成象系统的分辨率，同时可以利用它进行精密测量。本实验主要进行单缝衍射的观察，通过对透射光的光强分布情况的测量和分析，了解掌握光的衍射理论。实验仪器导轨式光学实验系统：800mm导轨1根二维可调半导体激光器1个单缝多缝元件1个一维位移架1个12档光栏探头1个激光功率指示仪1台导轨滑块3个实验步骤：1．将导轨平稳地放置在一个坚固的平台上。2．将半导体激光器放置于导轨的一端，缝元件架紧靠激光器放置，将一维位置架放置在导轨的另一端，放上12档光探头并锁紧，调节光探头到一维位移架的中间区域。3．调整激光器指向方位和光探头的高低，使激光准确进入探测光栏孔。4．在缝元件架上放上缝元件，根据实验内容将要被测的缝或光栅调入光路，在光探头端就会出现一条干涉或衍射图案。5．旋转探头上的光栏盘使0.2mm缝光栏进入探测位置。6．转动一维位移架上的丝杠钮，使探头从一端向另一端进行扫描探测，并记录下光探头位置与功率的对应关系，验证光强分布与波长和缝参数的关系。实验结果光探头位置与功率的对应关系：x/mm94.594.694.794.894.995.095.195.295.395.4P/μW0.10.10.00.00.00.10.20.20.20.1x/mm95.595.695.795.895.996.096.196.296.396.4P/μW0.00.00.10.20.30.40.30.30.10.1x/mm96.596.696.796.896.997.097.197.297.397.4P/μW0.30.60.70.70.50.30.20.20.81.6x/mm97.597.697.797.897.998.098.198.298.398.4P/μW2.31.70.80.51.94.710.918.428.342.6x/mm98.598.698.798.898.999.099.199.299.399.4P/μW48.844.236.228.320.214.29.74.51.20.7x/mm99.599.699.799.899.9100.0100.1100.2100.3100.4P/μW1.92.42.01.20.50.20.20.20.50.8x/mm100.5100.6100.7100.8100.9101.0101.1101.2101.3101.4P/μW0.70.30.10.10.20.30.40.40.30.1x/mm101.5101.6101.7101.8101.9102.0102.1102.2102.3102.4P/μW0.00.10.20.30.30.20.10.10.10.1实验收获与感受1、本次实验较为简单，主要是衍射光路的搭接比较容易，得出的衍射现象比较明显，较易观察，只是需要在实验时注意将衍射图样呈现在12档光探头的透光处，并且在稳定后再读出功率计时数即可。2、由实验结果可以验证，在衍射现象中，零级光谱中的能量占了总能量的大部分，从零级光谱到一级光谱能量快速下降，一级光谱处的功率已经很小。与理论知识相对应，实验较为成功。实验三偏振光的检测实验目的通过本实验，使学生对偏振光的特性和偏振器件有一个基本的了解，同时了解偏振光在工程上的应用。实验内容通过二个偏振片和一个波片的组合，验证光是一种横波，具有偏振的特性以及马吕斯定律、1/4λ波片的光学特性、旋光效应及半导体激光的偏振特性，从而领会光的偏振特性和双折射晶体的光学原理。实验仪器导轨式光学实验系统：800mm导轨1根二维可调半导体激光器1个激光功率指示仪1台显示屏1个偏振附件：偏振片/波片架（含2个偏振片和1/4个波片）1套旋光晶片（包括调整架）1个导轨滑块5个实验步骤光的偏振特性以及马吕斯定律导轨、激光功率指示计、二维可调半导体激光器、偏振架2个。①将激光器、偏振架1（起偏器）、偏振架2（检偏器）、功率指示计光探头依次排列。②将激光器、功率指示计光探头分别以功率指示计相连。③打开功率指示计电源，激光输出。调整激光指向和各架子的高度，使激光从二个偏振片的中心通过，进入功率指示计探头。④旋转检偏器，记录下角度与功率的关系曲线，以验证马吕斯定律。波片的光学特性①在实验1基础上，旋转检偏器使激光完全不能通过，进入消光状态。②在起偏器与检偏器之间加入1/4λ波片架，这时可能会有部分光通过检偏器。③旋转1/4λ波片，使系统重新进入消光状态。④记下消光状态时的1/4λ波片方位角度，并旋转45°。⑤旋转检偏器记录下光强的变化。（对于理想状态光强应无较大变化，近似为一圆偏振光。）半导体激光器的偏振特性①在实验1的基础上取下起偏器。②旋转检偏器，记录下功率最大值和最小值，以及所对应的角度，由此求出半导体激光的偏振度。物质的旋光特性①在实验1的基础上，旋转起偏器，使系统进入消光状态。②将旋光晶体放入起偏器与检偏器之间，观察检偏器后的透光情况。③旋转检偏器，使系统再次进入消光状态。记录下旋转的角度。求出晶体的旋光率。注意：半导体激光器输出的激光可能是一近似线偏振光，应注意起偏器的方位。实验结果光的偏振特性以及马吕斯定律（选用∅=α/°P/μWθ/°cos2θ理论值误差值333090000053.7570.29758.4364.730154.0270.794156.3972.39740174.5170.914180.1605.6650183.570.985194.0510.5560193.330.997196.413.1163197.001197.010.0170183.870.985194.059.2580164.8170.914180.1615.3690138.5270.794156.39717.89712052.7570.29758.4365.7351500.001870.00000.0011530900.00001/4λ波片的光学特性消光时1/4λ波片的方位角为262°。转动检偏器，光强变化为：检偏器角度光强检偏器角度光强081.318069.43072.521070.36070.824066.49068.027064.312070.630070.815071.233074.5由上面数据表示，线偏光在经过1/4λ，且夹角为45度变为圆偏振光。半导体激光器的偏振特性量程2mw；光强最小位置在102°处，光强为0.583mW。光强最大位置在17°处，光强为0.002mW。偏振度P=Pmax-物质的旋光特性第一次消光角度：151°。放入旋光晶体后再次消光的角度：31°。已知旋光晶体厚度L＝3mm。求晶体的旋光率α＝θ/L＝（151-31）/3＝30°/mm。实验收获与体会1、实验中搭接电路并不难，元器件也不多，但是要弄清楚每个元器件的特点及作用，例如要先区分1/4波片和起偏、检偏器（利用镜片的透光度），弄懂每一个的作用，这样在实验时才能明白每一步的意义和结果。2、实验中第一个实验时部分结果出现了较大误差，原因是首先开始实验时激光源、起偏、检偏器和光探头间隔较远，可能有部分自然光进入光探头影响实验结果，同时功率计测量时比较敏感，测量结果有较大波动，所以误差较大。实验四He－Ne激光器与激光谐振腔实验目的通过实验，可进一步了解激光器的结构和工作原理，掌握激光调谐的原理和技巧，验证谐振腔理论，全面、深入地了解激光器的结构、特性、工作条件和相关理论和有关公式。为使用激光这一光学中最重要的光源打下良好的基础。实验原理本套实验装置的核心是He-Ne激光器，采用的是半内腔结构，激光器的一个全反射镜与毛细管、储气套等作成一体，全反射镜与毛细管垂直。而另一个半反射镜则被安装在一个精密的二维调整架上，可灵活移动。通过一准直光源调整激光管和半反射镜，使之产生激光。用功率指示计检测这束激光，并进一步调整膜片使之达到最佳状态（功率最大）。观察光斑大小和光强分布。重复移动半反射镜并重新使之达到最佳状态。观察光斑大小和分布变化，记录功率，比较前后变化，分析腔长对功率、横模的影响。实验仪器光学实验导轨：800毫米1根准直光源：二维可调半导体激光器，650纳米3.5毫瓦（含~220伏电源）。1个小孔光栏屏：1个激光管调整架：由两个二维调整架组成，可完成4个自由度的调整。1个半内腔氦氖激光管：波长633nm，最大输出功率≥2mW（硬封长寿命管）。1个激光电源：稳流，电流可调，范围4.5-8mA1个二维膜片架：精密细牙调整螺钉（含硬膜膜片）。1付激光功率指示计：3位半数字表头，测量范围：200