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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;Bjcwsttrwindow标有安培表和电压表激光 器 即 Laser(Light Amplification by stimulated emis
2、sion of radiation)，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。激光器示意图(HeNe激光)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
3、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、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。(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。震动的主要影响来自地基的震动， 如果记录系统部件的
4、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：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
5、）：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
6、：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
7、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、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
8、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
9、，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。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挡板细调 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，这时从准直镜出来的光线就是 平行光。四、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
10、又分为：共轴光学系统及非共轴光学系统2、完善成像：像与物体只有大小的变化没有形状的改变（物与象是完全相似的）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。实像可由人眼或接收器(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；象所在的空间叫象空间。无论是物空间还是象空 间都是无限延伸的，不能机
11、械的以左右划分。实验二 自组麦克尔逊干涉仪观察干涉现象一 引言迈克耳逊干涉议是最典型的分振幅干涉装置。本实验要求用分束镜，反射镜等，在全息台上组装迈克耳干涉仪。并 HeNe 激光作光源观察非定域干涉条件。二 实验目的(1) 组装并调节迈克耳逊干涉仪，观察点光源产生的非定域干涉条纹。(2) 观察干涉条纹反衬度随光程差变化，了解光源相干长度的意义。(3) 检查防震实验台的稳定性。三 基本原理3.1、迈克耳逊干涉仪的非定域干涉条纹。 本仪器是用分裂振幅的方法产生双光束以实现光的干涉。图 1 是其原理。其 中S为单色点光源。M、M为互相垂直放置的平面反射镜。BS为分束镜，放在 12MM法线的交点上，并
12、分别与M、M成450角。1 2 1 2图 1 迈克耳逊干涉仪原理图点光源S发出的球面波经BS的镀膜层分为两束光。这两束分别经M、M反 射又回到BS,在BS上透过和反射的这两束光在BS的右侧空间形成一非定域的 干涉场。屏幕放在干涉场中垂直于光束方向，在屏幕上可看到干涉条纹。图1中M为M在BS 上反射的虚像。S，S则分别为光源S在M和M 中的 2 2 1 2 1 2 虚像。屏上的干涉条纹可以看作为S,S虚光源发出的球面波干涉的结果。当M1 2 2 平行于M时，屏上出现圆形干涉条纹。圆的中心在S, S连线上。中心点的光强 1 1 2取决于S和S之间距离d，即122兀dI （P） =A+Bcos 尢1
13、当d=K九时，（K为整数），中心出现亮点。当d=（K+1） X时，中心出现暗点。2圆形条纹的粗细和疏密程度与d有关。当d减小时，圆条纹显得疏而粗。d增大 时，条纹变得细而密。如果将M （或M）转一小角度，则M和M不再平行。屏幕上干涉条纹不再是 1 2 1 2 圆形的封闭曲线，而变成为弯线或接近直线（实际上是双曲线或椭圆的一部分）。3.2、条纹的反衬度和相干长度T _T干涉条纹的反衬度丫定义为Y = maxmiI +1max min当光源不是单色光时，干涉条纹的反衬度与光程差有关。H N 激光的单色性虽然相当好，但还是有一定的波长分布。多纵膜的 H N激光器的中心波长九为6328埃，AX （见图
14、2）约0、018埃，定义相干长度 为图2九2L =十沁25厘米max A九迈克耳逊干涉仪中，来自光源的光束经BS分为两束，这两束光经不同的光 程L和L又在BS合成一束（见图3）。两束光的光程差为12图3Al = l -112理论上可以证明，当A很小时，干涉条纹反衬度很大。当A1增大,降低。当A1接近于L 时，反衬度就比较弱了。当lL 时则可能完全看不到干涉条maxmax纹。因此为了得到反衬度较高的干涉条纹，在全息照像中必须注意参考光和物光 之间光程差。即尽可能使光程差在 0.5cm 附近，不要超过光源的相干长度。四 仪器用具（参见附表）五 实验内容图4 迈克耳逊干涉仪实物图5.1,调节激光光束
15、使平行于台面，通过针孔滤波器，准直镜使之出来为平行 光，调节反射镜及分束镜仰角，使镜面垂直于光束。5.2观察非定域干涉条纹，按图2安排光路，使M, M域BS基本等距，调12节M,M角度，在屏幕上看到条纹。微调M （或M）的方向，观察条纹形状变化。 加大M、M与BS的距离，再调到圆条纹观察条纹粗细及紧密的变化。22 5.3轻轻敲击台面或在附近地面上跳动，走动，从条纹变动的幅度及衰减速 度来评定平台的防震性能。5.4观察条纹反衬度随光程差的变化。移动M （或M ）以改变一束光的光程（改12变量可以从10cm50cm或更多），观察干涉条纹反衬度的变化，估计其相干长度。实验三 萨格奈特干涉仪一引言 通过萨格奈特干涉仪的各个元部件的调节、搭建和使用，和马赫曾德干 涉系统作比较，可以训练学生调节光路的技巧，进一步了解干涉的原理。为多种 方法拍摄全息光栅打下基础。二 实验目的1、熟悉所用仪器及光路的调节，观察两束平行光的干涉现象。2、观察全息台的稳定度。3、通过实验考察激光源的相干长度。三
