光学实验补充讲义[1]

1/20实验一光学实验主要仪器、光路调整与技巧一、引言不论光学系统如何复杂，精密，它们都是由一些通用性很强的光学元器件组成，因此掌握一些常用的光学元器件的结构和性能，特点和使用方法，对安排试验光路系统时正确的选择光学元器件，正确的使用光学元器件有重要的作用二、实验目的掌握光学专业基本元件的功能；调整光路，主要包括共轴调节和调平行光。三、基本原理(一)、光学实验仪器概述:光学实验仪器主要含：激光光源，光学元件，观察屏或信息记录介质1．激光光源激光器即Laser(LightAmplificationbystimulatedemissionofradiation)，原意是利用受激辐射实现光的放大．然而实际上的激光器,一般不是放大器,而是振荡器,即利用受激辐射实现光的振荡,或产生相干光。.图1-1激光器示意图（He－Ne激光）激光的特性：（1）高度的相干性；（2）光束按高斯分布。激光器的分类：（1）气体激光器——He-Ne激光器,Ar离子激光器（2）液体激光器——染料激光器（3）固体激光器———半导体激光器,红宝石激光器本套实验方案的选择的激光器是气体型He-Ne内腔式激光器,波长为632.8nm的红光，功率2mW。个别实验中还会用到白光点光源。2．用于光学实验的元件一般包括：防震平台、分束镜、扩束镜、准直镜、反射镜、成像透镜、多自由度微调器、3．观察屏等部件。（1）防震平台光学实验需要一个稳定的工作平台。特别是对于全息图制作实验，由于是参标有安培表和电压表2/20考波和物光波干涉条纹的记录，如果在曝光过程中因为振动导致两光波有变化，就要影响干涉条纹的调制度。通常要求该光波的振动变化小于十分之一波长。影响稳定性的因素有震动、空气流和热变化等。震动的主要影响来自地基的震动，如果记录系统部件的机构有松动就会把震动放大，所以必须对工作台采取减震措施。专用全息气浮工作台是昀好的减震台。简单的减震方法可用砂箱、微塑料、气垫（用汽车、飞机轮子的内胎）和重1000～2000kg的铸铁或花岗岩，并应安装一个隔离罩。如果不用隔离罩，记录全息图时室内不要通风，工作人员不要大声讲话和距工作台远一些。（2）光学元件①分束镜：分束镜是光学实验系统的一个重要元件，它的作用是将激光束分为两束，在干涉仪系统组装的实验中可产生两束有一定夹角的相干波，在全息制作实验中可产生参考光和物体的物光光波。分束镜一般是在玻璃板上镀干涉膜。干涉膜有两种：多层介质膜和金属膜。分光比可以连续变化或分段变化。②扩束器（扩束镜）：因激光束的发散角很小，需要用一个扩束镜以加大光束的发散角。通常可用20倍、40倍的显微物镜或焦距很短的单片正透镜或负透镜。本实验方案中，扩束镜采用40倍的显微物镜。③凸透镜：准直镜、成像透镜、傅立叶变换透镜之功能均可使用不同内径和焦距的凸透镜来实现。为了提高光的透射率，透镜面要镀增透膜。在选用透镜时，要选用没有缺陷和污脏的透镜（因为它们会使观察或记录图像产生噪声）。④反射镜：当光入射到普通反射镜的玻璃基版上时，要先经过折射再反射，反射光的损失很大。同时玻璃片基的两面会因多次反射引入杂散光。所以光学实验需用表面平整度高和涂有多层反射膜的高反射率反射镜。⑤其它：还有一些辅助元件：如多自由度微调器，可三维控制镜架或者滤波器的位置和方向；可变光阑包括可调的狭缝和圆孔光阑、观察屏用来观测成像质量和成像大小等。(二)、共轴调节：光学实验中经常要遇到用一个或多个透镜成像，为了获得较好的像，必须使各个透镜的主光轴重合（即共轴），并使物体位于透镜的主光轴附近。另外，为了昀大限度利用激光扩束后的面光源，所有透镜的主轴都需要大致通过光斑中心，才能获得清晰的像。共轴调节使物、屏的中心处在透镜光轴上，并使各光学元件共轴，达到共轴能保证近轴光线的条件成立。一般分为两步进行，第一步粗调，即用眼睛观察，使物、屏与透镜中心大致在一条直线上；粗调方法如下：通过前后移动白屏的方法先使激光光束与台面平行，再将透明物、扩束镜、双凸透镜依次摆好，调节它们的取向和高低左右位置，凭眼睛观察，再让光斑、物、镜的几何中心处在一条直线上，这样便使镜的主光轴与平台面平行且共轴，光斑也昀大限度得到利用。第二步细调，即移动透镜，当两次成像中心重合即达到共轴，若不重合，须视情况，针对性地调节各光学元件，直至两次成像的中心重合。如果系统有两个3/20以上的透镜，先加入一个透镜调节共轴，然后再依次加入透镜，使每次所加透镜都与原系统共轴。反射镜的调节方法类似。(三)、调节平行光：（1）调整扩束镜，准直镜共轴。图1-2共轴调节示意图（2）粗调，把准直镜放到一定位置使扩束镜处于准直镜的前焦面上，然后在准直镜后放一挡板，不断前后纵向移动挡板，观察挡板上圆形光斑的到大小是不是发生变化，如果发生变化，就再前后移动准直镜的位置，再前后移动挡板，观察圆形光斑的大小，如果变化，重复以上工作，直到光斑大小不发生变化位置，完成粗调。在调节中要注意光斑变化的和准直镜移动方向的关系，从而很快达到粗调的效果图1-3平行光路粗调示意图（3）细调1，如有条件，可以选用平晶进行细调。把平晶放到准直镜后，使光线反射到挡板上，可以观察到干涉条纹。图1-4细调产生干涉条纹图图1-5平行光示意图激光扩束镜平晶挡板激光器扩束镜准直镜挡板激光器扩束镜准直镜准直镜激光扩束镜准直镜平晶挡板（条纹变化，使之越来越少）微移动4/20（4）细调2，左右微移动准直镜，观察挡板条纹的变化，找出规律，并使条纹的数目减少，昀后在挡板上只剩下，一条或半条条纹，这时从准直镜出来的光线就是平行光。四、仪器用具1.氦氖激光器8.燕尾式平移台2.激光夹持器9.分划板3.显微物镜10.透镜/反射镜支架（Φ40.0）4.物镜接圈11.干板架5.开口透镜/反射镜支架（Φ20.0）12.毛玻璃6.一维调节滑块13.平行平晶7.K9平凸透镜（Φ40.0,f150.0）导轨，滑块，支杆，调节支座，磁力表座五、实验步骤（1）参照图1-6，沿导轨装妥各器件（先不安装扩束显微物镜和准直平凸透镜部分），并调至共轴。123457910118126图1-6激光平行光路调试装配示意图（2）首先将分划板中心通孔高度定为光轴高度，将分划板移至贴近激光器的位置，调节激光器高度，使激光束通过分划板中心圆孔。再将分划板移至较远处，调节激光夹持器，使激光束再次通过分划板中心圆孔（近端调高低，远端调俯仰）。重复二三次高低和俯仰调节，使激光束在合适的高度保证基本水平。（3）在系统中加入扩束物镜和准直透镜，适当调节激光束和扩束镜，准直透镜共轴，且准直透镜在扩束镜的前焦面上。前后移动分划板，观测分划板上的圆斑大小是否变化。若变化，则前后移动准直透镜，直到前后移动分划板，板上的圆斑大小不发生变化，完成平行光粗调。（4）将分划板替换为平行平晶，将毛玻璃放在在平行平晶反射光路上，前后移动准直透镜，使得毛玻璃上可以观察到干涉条纹。（5）细微调节平移台丝杆，观察干涉条纹变化，使得条纹数逐渐减少到一条或半条条纹，完成细调。5/20实验二薄透镜焦距测量透镜分为会聚透镜和发散透镜两类，当透镜厚度与焦距相比甚小时，这种透镜称为薄透镜．所如图2-1示，设薄透镜的像方焦距为f，物距为l，对应的像距为l，在近轴光线的条件下．透镜成像的高斯公式为fll111（2-1）故llllf（2-2）图2-1透镜成像原理图应用上式时必须注意各物理量所适用的符号法则。在本试验中我们规定，距离自参考点(薄透镜光心)量起。与光线行进方向一致时为正，反之为负，运算时已知量须添加符号，未知量则根据求得结果中的符号判断其物理意义。测量会聚透镜焦距的一般方法有：靠测量物距与像距求焦距。具体方法是：用反射照明光后的实物作为光源，其发出的光线经会聚透镜后，在一定条件下成实像，可用白屏接取实像加以观察，通过测定物距和像距，利用(2-2)式即可算出f。但是此种方法精度不高。分实验一自准直法测焦距一、引言自准直法是光学实验中常用的方法。在光学信息处理中，自准直法测量透镜焦距，简单迅速，能直接测得透镜焦距的数值。在光学信息处理中，多使用相干的平行光束，而自准直法作为检测平行光的手段之一，仍不失为一种重要的方法。二、实验目的（1）学会调节光学系统共轴。（2）掌握薄透镜焦距的常用测定方法。（3）研究透镜成像的规律。三、基本原理如图2-2所示，若物体AB正好处在透镜L的前焦面处，那么物体上各点发出的光经过透镜后，变成不同方向的平行光，经透镜后方的反射镜M把平行光反射回来，反射光经过透镜后，成一倒立的与原物大小相同的实象BA，像BA位于原物平面处。即成像于该透镜的前焦面上。此时物与透镜之间的距离就是透镜的焦距f，它的大小可用刻度尺直接测量出来。llfF6/20图2-2自准直法测会聚透镜焦距原理图四、仪器用具1.激光平行光源（包括激光器,扩束镜，准直镜等）2.干板架3.目标板4.简易一维调节滑块5.待测透镜（Φ40.0，f200.0）6.反射镜7.二维调节透镜/反射镜支架导轨，滑块，支杆，调节支座五、实验步骤（1）参照图2-3，沿滑轨装妥各器件，并调至共轴。1234675物屏图案图2-3自准直光路装配图（2）移动待测透镜，直至在目标板上获得镂空图案的倒立实像；（3）调整反射镜，并微调待测透镜，使像昀清晰且与物等大（充满同一圆面积）；（4）分别记下目标板和被测透镜的位置a1、a2；（5）计算：21aaf（2-3）（6）重复几次实验，计算焦距，取平均值。OLMf)(BA)(AB7/20分实验二二次成像法测焦距一、引言二次成像法测量焦距是通过两次成像，测量出相关数据，通过成像公式计算出透镜焦距。二、实验目的（1）学会调节光学系统共轴。（2）掌握薄透镜焦距的常用测定方法。（3）研究透镜成像的规律。三、基本原理由透镜两次成像求焦距方法如下：图2-4透镜两次成像原理图当物体与白屏的距离fl4时，保持其相对位置不变，则会聚透镜置于物体与白屏之间，可以找到两个位置，在白屏上都能看到清晰的像．如图2-4所示，透镜两位置之间的距离的绝对值为d，运用物像的共扼对称性质，容易证明ldlf422（2-4）上式表明．只要测出d和l，就可以算出f．由于是通过透镜两次成像而求得的f，这种方法称为二次成像法或贝塞尔法．这种方法中不须考虑透镜本身的厚度，因此用这种方法测出的焦距一般较为准确．四、仪器用具1.激光平行光源（包括激光器,扩束镜，准直镜等）2.干板架3.目标板4.一维调节滑块5.待测透镜（Φ40.0，f80.0）6.分划板7.二维调节透镜/反射镜支架导轨，滑块，支杆，调节支座等五、实验步骤OLIdl8/20（1）按图2-5沿导轨布置各器件并调至共轴，再使目标板与分划板之间的距离fl4；1234675物屏图案图2-5两次成像光路装配图（2）移动待测透镜，使被照亮的目标板在分划板上成一清晰的放大像，记下待测透镜的位置a1和目标板与分划板间的距离l；（3）再移动待测透镜，直至在像屏上成一清晰的缩小像，记下L的位置a2，判断清晰像时在像屏位置放上反射镜，当目标板成像与目标图案完全重合时，为清晰像；（4）计算：12aad；ldlf4'22；（5）重复几次实验，计算焦距，取平均值。9/20实验三透镜系统基点测量一、引言每个厚透镜及共轴球面透镜组都有六个基点。即两个焦点F,F＇；两个主点H,H＇；两个节点N,N＇。二、实验目的（1）了解透镜组的基点的一般特性（2）学习测定光具组基点和焦距的方法三、基本原理（１）主面和主点若将物体垂直于系统的光轴，放置在第一主点H处，则必成一个与物体同样大小的正立的像于第二主点H＇处，即主点是横向放大率β＝＋１的一对共轭点。过主点垂直于光轴的平面，分别称为第一和第二主面，如图1中的MH和M＇H＇。（２）节点和节面节点是角放大率γ=+1的一对共轭点。入射光线（或其延长线）通过第一节点N时，出射光线（或其延长线）必通过第二节点N＇，并于N的入射光线平行（如图3-1）。过节点垂直于主光轴的平面分别称为第一和第二节面。当共轴球面系统处于同一媒质时