工程光学实验指导书.docx

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1、工程光学实验指导书实验一 光路分析及焦距测量 一实验目的 掌握简单光路的分析与调整方法； 了解、掌握自准直法测量透镜焦距的原理和方法； 了解、掌握贝塞尔法测量透镜焦距的原理和方法； 二实验原理 自准直法测量透镜焦距的原理 当发光点处在凸透镜的焦平面时，它所发出的光线通过透镜后将成为一束平行光。若用与主光轴垂直的平面镜将此光线反射回去，反射光线再次通过透镜后仍会聚于透镜的焦平面上，其会聚点将在发光点相对于光轴的对称位置上。 物点像点透镜物象屏反射镜图 自准直测量透镜焦距原理图 贝塞尔法测量透镜焦距的原理 对凸透镜而言，当物象之间的距离大于四倍焦距时，在物屏之间移动透镜，必然会在屏上出现两次清晰的

2、像，一次为放大的像，一次为缩小的像。则两次清晰成像时透镜所处位置的的距离d和物屏之间距离L、透镜焦距f的关系为： f=(L2-d2)4L三实验仪器 光学平台；带有毛玻璃的白炽灯光源；品字形物像屏；平面反射镜；白屏；凸透镜；7二维底座；二维调整架；通用底座 物点物点d放大像点缩小像点L图 贝塞尔法测量透镜焦距原理图 四自准直法测量焦距实验步骤 1按照图原理所示选择所用光学元件。 2把所选元件按原理图摆放在光学平台上，靠拢并调至共轴。 3前后移动凸透镜，使在物像屏上成一清晰的品字形像。 4调整反射镜的倾角，使得物像屏上的像和物重合。 5前后微小移动凸透镜，使得物像屏上的像既清晰又和物大小相同。 6

3、分别记下物像屏和透镜的位置a1和a2。 7把物像屏和透镜都转动180度，重复前面四步。 8再次记下物像屏和透镜的位置b1和b2 9按照上述方法，分别测出两个透镜的焦距。 五贝塞尔法测量焦距实验步骤 1按照图原理所示选择所用光学元件。 2把全部元件按原理图摆放在光学平台上，靠拢并调至共轴。并使得物像之间的距离大于倍的焦距。 3沿标尺前后移动凸透镜，使品字形物在像屏成清晰的放大像，记下透镜的位置a1。 4再沿标尺向后移动凸透镜，使品字形物在像屏上成一缩小像，记下透镜的位置a2。 5把物象屏、透镜和白屏都转动180度，重复前面三步，再得出透镜的位置b1和b2。 6按照上述方法，分别测出两个透镜的焦距

4、。 实验二 空气折射率测量 一实验目的 1学习组装麦克尔逊干涉仪； 2掌握测量气体折射率的原理和方法； 二实验原理 麦克尔逊干涉仪的典型光路如图3所示，扩展光源S上的一点发出的光在G1的分光面上有一部分反射转向M1镜，再有M1反射，穿过G1后进入观察系统。入射光的另一部分穿过G1和G2后在再有M2反射，返回穿过G2后由G1反射也进入观察系统。如图3中的1和2光线，由于它们是一支光线分解而来，即为相干光，在观察系统中形成干涉。 两块平行平板由同一玻璃制成，具有相同的厚度和折射率，G的分光面涂半透半反膜，不镀膜，作为补偿板使用。其作用是补偿两光束透过的次数不同而引起的光程差，且要平行于，单色光照平

5、时不必要，而白光照明时是必需的。因为玻璃的色散，各波长有不同的折射率无法用空气补偿，加上补偿板才能补偿各色光的光程差获得零级白光条纹，该条纹在零光程差附近。白光干涉条纹在麦克尔逊干涉仪中极其有用，能够准确地确定出零光程差的位置，进行长度精密测量。 M1M2K1SG12G2M2LP图3 麦克尔逊干涉仪光路图 非定域干涉：在调出非定域干涉条纹的基础上，将小气室插入到图4所示的位置上，给小气室加压，使得气压变化DP1,从而使气体的折射率改变Dn。当气室内压逐渐升高时，气室所在范围内的光程差变化2LDn，在白屏上可观察到干涉条纹也在不断的变化，记下干涉条纹的变化总数N条，则由2LDn=Nl得： Dn=

6、式中L为小气室的厚度。 Nl 2L理论可以证明，当温度一定时，气压不太高时，气体折射率的变化量Dn与气压的变化量Dp成正比，即： n-1Dn=常数 pDp所以： n=1+Dngp Dp将Dn代入上式可得： n=1+Nlpg 2LDp上式给出了气压为p时的空气折射率n，例如令p=760mmHg带入上式即可求出一个大气压下的空气折射率n1。 三实验仪器 激光器；二维调整架；扩束镜；分束镜；二维调整架；白屏；7通用底座；气室；可变口径二维架；10二维调整架；11平面反射镜；12通用底座；13一维底座；14一维底座；15三维底座；16二维调整架；17平面反射镜；18一维底座；19三维底座； 四仪器实物

7、图和原理图 仪器实物图如图4所示，原理图如图5所示。 五实验步骤 1按照图4和图5所示将所用光学元件按顺序摆放好，并靠拢，目测调至共轴。 2调整激光器的倾角，使其所发出的光束平行于平台面，在按照放置各元件。 3将分光镜大致调成45度，并调整其倾角，使得光束2平行于平台面。 4调M1使光束1沿原光路返回，调整M2使光束2沿原光路返回，并使1、2两光束在屏H上交于一点。 5加扩束镜调至使在屏H上出现干涉圆环。用打气球向空气室充气，直到血压表走满刻度，用手捏打气皮管，待读数稳定时，记下气压值a。 6慢慢放气，数出冒出或缩进的条纹数Na。 7重复上述步骤5、6，分别测出三次数据，并求得空气折射率。 1

8、23456789101111213141521617打打打打打1819图4 仪器实物俯视示意图 HLL1G1RM12M2打气球图5 仪器原理图 表头实验三 偏振光分析 一实验目的 1观察光的偏振现象； 2掌握产生偏振光的常用方法； 3观察半波片和四分之一波片转动时检偏器转动角度和光的偏振性质。 二实验原理 偏振光的获取 1反射起偏器 当自然光在两种媒质的界面上反射和折射时，反射光和折射光都成为部分偏振光。当入射角达到某一特定值jb时，反射光成为完全偏振光，其振动面垂直于入射面，而角jb就是布儒斯特角，也成为起偏角，由布儒斯特定律得： tanjb=n2n1例如，当光有空气入射向n=1.54的玻璃

9、时，jb=57o。 当入射光以起偏角jb射到多层平行玻璃片上时，经过多次反射最后透射出来的光也就接近于线偏振光，其振动面平行于入射面。有多层玻璃片组成的这种透射起偏器又称为玻璃片堆。 2晶体起偏器 利用某些晶体的双折射现象来获取线偏振光，如尼科尔棱镜等。 3偏振片 聚乙烯醇胶膜内部含有刷状结构的链状分子。在胶膜被拉伸时，这些链状分子被拉直并平行排列在拉伸方向上，拉伸过的胶膜只允许振动方向取向平行于分子排列方向的光通过，利用它可以获得线偏振光。 偏振光的检测 按照马吕斯定律，强度I0为的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为： I=I0cos2q 式中q为入射光偏振方向与检偏器偏振轴之间的夹角。显

10、然当以光线传播方向为轴转动检偏器时，透射光强度I将发生周期性变化。当q=0o时，透射光强度最大；当q=90o时，透射光强度最小；当0oq90o时，透射光强度介于最大值和最小值之间。因此，根据透射光强度变化的情况可以区别光的不同偏振状态。 偏振光通过波晶片时的情形 1波晶片 波晶片是从单轴晶体中切割下来的平行平面板，其表面平行于光轴。 当一束单色平行自然光正入射到波晶片上时，光在晶体内部分解为o光与e光。o光电矢量垂直于光轴；e光电矢量平行于光轴。而o光与e光的传播方向不变，仍都与表面垂直。但o光在晶体内的速度为no，e光在晶体内的速度为ne，相应折射率分别为no和ne。 设晶片厚度为l，则两束

11、光通过晶体后就有相位差： s=p(n-n)l loe式中l为光波在真空中的波长，s=2kp称为全波片；s=2kpp称为半波片；上面的k为任意整数。值得注意的是无论全s=2kpp2称为四分之一波片波片、半波片还是四分之一波片都是相对于一定波长而言。 以下的直角坐标系的选择，以e光振动方向为横轴，o光振动方向为纵轴。沿任意方向振动的光，正入射到波晶片的表面时，其振动便按此坐标系分解为e光分量和o光分量。 2光束通过波片后偏振状态的改变 平行光垂直入射到波晶片后，分解为e光分量和o光分量，通过晶片，二者间产生一附加相位差s，离开晶体时合成光波的偏振性质取决于s和入射光的性质。 偏振态不变的情形 自然

12、光通过波晶片后出射的合成光仍为自然光。 若入射光为线偏振光，通过波晶片后出射的合成光仍为线偏振光。 除上述外，偏振光通过波晶片后，其偏振状态一般都要改变。 半波片和偏振光 若入射光为线偏振光，在半波片的前面分解为： Ee=Aecoswt Eo=Aocos(wt+e) e=0或p 出射光表示为： 2pEe=Aecoswt-nel l2pEo=Aocoswt+e-nol l讨论二波的相对相位差，上式可写为： Ee=Aecoswt 2p2pEo=Aocoswt+e-nol+nel ll=Aocos(wt+e-s),s=p 出射光二正交分量的相对相位差由e-s决定，即： e-s=0-p=-p和e-s=

13、p-p=0 表明出射光也是线偏振光，但振动方向与入射光不同。如入射光与晶片光轴成q角，则出射光与光轴成-q角。即线偏振光经半波片后电矢量振动方向转过了2q角。 若入射光为椭圆偏振光，做类似分析可知，半波片既改变椭圆偏振光长轴的取向，也改变椭圆偏振光的旋转方向。 四分之一波片和偏振光 若入射光为线偏振光 Ee=Aecoswt Eo=Aocos(wt+e) e=0或p 出射光表示为 Ee=Aecoswt Eo=Aocos(wt+e-s),s=p2此式代表一正椭圆偏振光。e-s=+时，出射光为圆偏振光。 若入射光为圆偏振光 Ee=Aecoswt p2对应于右旋，e-s=-p2对应于左旋。当Ae=Ao

14、Eo=Aocos(wt+e),e=p2此式代表线偏振光。e-s=0，出射光电矢量E出沿一、三象限；e-s=p，出射光电矢量E出沿二、四象限。 若入射光为椭圆偏振光 Ee=Aecoswt Eo=Aocos(wt+e)，e在-p到+p任意取某值 出射光表示为 Ee=Aecoswt Eo=Aocos(wt+e-s),s=p2可见出射光一般为椭圆偏振光。 三实验仪器 激光器；二维调整架；扩束镜；分束镜；二维调整架；白屏；7通用底座；气室；可变口径二维架；10二维调整架；11平面反射镜；12通用底座；13一维底座；14一维底座；15三维底座；16二维调整架；17平面反射镜；18一维底座；19三维底座；

15、四仪器实物图和原理图 仪器实物图如图6所示，原理图如图7所示。 1打打打2345打打打打打打7图6 仪器实物图 6打打打打打打打打打打打图7 仪器原理图 五实验步骤 1定偏振片光轴 按照图6和图7所示的顺序将所用光学元件摆放在平台上，调至共轴。旋转第二个偏振片，使起偏器的偏振轴与检偏器的偏振轴相互垂直，这是可以观察到消光现象。 2考察平面偏振光通过半波片时的现象 在两块偏振片之间插入半波片，把X轴旋转二维架360o。能看到几次消光？是解释这种现象。 将半波片转动任意角度，这是消光现象被破坏。把检偏器转动360o，观察到什么现象？由此说明通过半波片后光变为怎样的偏振光？ 仍使起偏器和检偏器处于正

16、交，插入半波片，使消光，再转动15o，破坏其消光。转动检偏器至消光位置，并记录检偏器所转动的角度。 继续将半波片转动15o，记录检偏器达到消光所转的总角度。依次使半波片总转角为45o、60o、75o、90o，记录检偏器消光时所转的总角度。 3用四分之一波片产生圆偏振光和椭圆偏振光 按图6和图7使起偏器和检偏器处于正交，用四分之一波片代替半波片，转动四分之一波片使消光。 再将四分之一波片转动15o，然后将检偏器转动360o，观察到什么现象？你认为此时从四分之一波片出来的光的偏振状态是怎样的？ 依次使四分之一波片总转角为45o、60o、75o、90o，每次将检偏器转动360o，记录所观察到的现象。