应用光学实验讲义

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1、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、 调平行光和针孔 滤波。三 基本原理( 一) 、光学实验仪器概述 : 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(Light Amplification by stimulated emission of radiat

2、ion)，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。.960年, 梅曼制成了世界上第一台红宝石激光器. 现在被广泛用于各个行业 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

3、包括： 防震平台、分束镜、扩束镜、准直镜、反射镜、成像透镜、 傅立叶变换透镜、 多自由度微调器、可变光栏、观察屏等部件。如果是全息实验还需要快门、干版 架、自动曝光和显定影定时器、记录干版等。激光器示意图（HeNe 激光）标有安培表和电压表（本实验方案中，扩束镜采用针孔空间滤波器，准直镜、成像透镜、傅立 叶变换透镜均采用双凸透镜） 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 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。

4、 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最好的减震台。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10002000kg 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。 光学元件 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

5、：多层介质膜和金属膜。分光比可以连续变化或分段变化。 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 束镜采用针孔空间滤波器。 双凸透镜 : 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双凸 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) 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

6、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。 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、观察屏可用白纸或白屏； 电子计 时器用来控制曝光时间等。 3、光学信息的记录介质 主要用在全息类实验中。包括两大类, 一类银盐感光材料，另一类非银盐感 光材料，其中非银盐感光材料又包括，重铬酸盐明胶、光致聚合物等材料。银盐 感光材料灵敏度高， 但是衍射效率低。 非银盐感光材料响应速度快，能及时的记 录和显示，材料分辨率高，有些材料能多次反复使用，不用贵金银，免除了暗室 的显影定影操作，加工过程简便快速，但灵

7、敏度低。它们各有优缺点，而且不同 的非银盐感光材料的性能也是不一样的。 (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，为了最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、

8、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，光斑也最大限度得到利用。 图示过程为： 调节透镜杆的高度， 使得光斑中心与透镜架上的中心小圆孔在 同一高度。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 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： 调整扩束镜，准直镜共轴，粗调，把准直镜放到一定位置使扩束镜

9、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激光扩束镜准直镜挡板激光扩束镜准直镜细调 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，最后在挡板上只剩下， 一条或半条条纹， 这时从准直

10、镜出来的光线就是 平行光。四、真空滤波器的调节：（1） 首先在激光的前面一定距离放一光屏，在激光打在屏上的一点做记号， 并且固定光屏， （2） 然后把针孔滤波器的针孔拿出， 使针孔面朝上，不要接触桌面或工作台。 （3） 将针孔滤波器至于激光和光屏之间， 调整针孔滤波器的高度使之与激光 同高，这时就会在光屏上出现一个亮度均匀的圆光斑，并且光斑的中心 与我们光屏上做的记号重合。 （4） 然后把针孔放到滤波器上， 先稍许移动垂直和左右方向的调节手轮，直 接观察针孔小眼， 使针孔处小亮点最亮； 再调节前后方向的手轮， 使得 物镜不断靠近针孔。 （5）待有光斑出现后，不断重复第4 步，使光斑的亮度逐渐增

11、加，在光屏 上观察到同心的亮暗衍射环。 （6）最后再沿三个方向微调，使中央亮斑半径不断扩大，亮度逐渐增加， 直至最亮最均匀为止。五、仪器用具激光扩束镜准直镜平晶挡板（条纹变化，使之越来越少）微移动激光扩束镜准直镜平晶挡板尽量将本实验系统所提供的所有光学、光电、机械调整元件的功能和使用方法都 熟悉。六、实验内容：（1）主要光学实验仪器的分辨 （2）进行共轴调节、调平行光附录：光学成像的基本概念与完善成像条件一、 光学系统与完善成像的概念1、光学系统：由一系列的光学元件所构成的系统。 这里所说的光学元件可以是透镜、反射镜、棱镜等。 光学系统又分为：共轴光学系统及非共轴光学系统 2、 完善成像：像与

12、物体只有大小的变化没有形状的改变（物与像是完全相似的） 。二、 完善成像的条件入射为球面波，出射也为球面波（入射为同心光束，出射也为同心光束）。三、 物、像的虚实物有虚实之分，像也有虚实之分。 物：发出入射光波的。像：由出射光波形成的。 1、实物、实像：由实际光线相交而成的就称为实； 2、虚物、虚像：由实际光线的延长线相交而成的。 实象可由人眼或接收器（屏幕、CCD 、底片、光电倍增管等）所接收； 虚像不可以被接收器所接收，但是却可以被人眼所观察。 3、物空间、像空间 物所在的空间称为物空间； 像所在的空间叫像空间。 无论是物空间还是像空 间都是无限延伸的，不能机械的以左右划分。七、思考题 1

13、、白屏上出现麻麻点点是什么原因？ 2、未加针孔前，白屏上出现许多小衍射环是什么原因？ 3、平行光有什么特点？实验二镜头基点的测定 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 （）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 。 （）节点和节面 节点是角放大率 =+1的一 对共轭

14、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 545） 。 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，两主点分别与两节点重合。 （）焦点、焦面 平行于系统主轴的平行光束， 经系统折射后与主轴的交点F称为像方焦点； 过 F垂直于主轴的平面称为像方焦面。第二主点H到像方焦点 F的距离， 称为系统的像方焦距f 。此外，还有物方焦点F及焦面和焦距 f 。 综上所述，薄透镜的两主点和节点与透镜的光心重合，而共轴球面系统两主 点和节点的位置， 将随各组合透镜或折射面的焦距和系统的空间特

15、性而异。实际 使用透镜组时，多数场合透镜组两边都是空气，物方和像方媒质的折射率相等， 此时节点和主点重合。 本实验以两个薄透镜组合为例，主要讨论如何测定透镜组的节点（主点）。图 2 测量基点示意图54 图MMHNN HFF iiQ0SPp图 1 O F/ L.S. f/ fo B / N H N / Q L A B P 设 L 为已知透镜焦距等于fo的凸透镜， L.S. 为代测透镜组，其主点（节点） 为 H、H/ （ N 、N/），像焦点为 F/。当 AB （高度已知）放在L 的 前焦点处时， 它经过 L 以及 L.S. 将成像 A/B/于 L.S. 的后焦面上。因为AO/ A/N/，AB/

16、A/B/， OB/ N/B/，所以AOB A/N/B，即 AB ：0f A/B/：f所以0A BffAB因此我们可以通过测量A/B/的大小，从而得到f的数值。因为是平行光入射到透镜组上，所以像A/B/的位置就是 F/的位置。F/的位置既然确定，而N/F/f，因此 N/的位置也就确定了。把 L.S. 的入射方向和出射方向互相颠倒，即可测定F和 N的位置。 本实验节点和主点重合，所以H和H的位置也得到确定四. 仪器用具激光器、空间滤波器、凸透镜、毛玻璃、白屏，以及相关的支撑调整架五. 实验内容图 3 测量基点实物图（1）安置好元件，调整光路。 （2）可以利用自准直法，让物体AB处于透镜的前焦面上。（3）测量计算出f，并确定 F/和 N/（H）的位置。（4）把 L.S. 的入射方向和出射方向互相颠倒，测定F和 N（H）的位置。六、思考题 1、物方焦点和像方焦点是不是一对共轭点？ 2、过节点的一对光线有什么特点？ 3