《工程光学实验》课件

工程光学实验

主讲教师：李晶闽南理工学院实践教学中心

工程光学实验

主讲教师：李晶闽南理工学院1目录

光学实验预备知识…………2实验一用自准法测薄凸透镜焦距f………………5实验二用位移法测薄凸透镜焦距f………………7实验三目镜焦距fe的测量………9实验四自组显微镜………………11实验五自组透射式幻灯机（投影系统）………13实验六测节点位置及透镜组焦距………………15实验七菲涅尔双棱镜干涉………18实验八偏振光分析………………21目录光学实验预备知识………2光学实验预备知识返回光学实验预备知识返回3光学实验是普通物理实验的一个重要部分。这里先介绍光学实验中经常用到的知识和调节技术。初学者在做实验以前应认真阅读这些内容，并且在实验中遵守有关规则和灵活运用有关知识。一、光学元件和仪器的维护透镜、棱镜等光学元件，大多数是用光学玻璃制成的。它们的光学表面都是经过仔细的研磨和抛光，有些还镀有一层或多层薄膜。对这些元件或其材料的光学性能（例如折射率、反射率、透射率等）都有一定的要求，而它们的机械性能和化学性能可能很差，若使用和维护不当，则会降低光学性能甚至损坏报废。造成损坏的常见原因有：摔坏、磨损、污损、发霉、腐蚀等。为了安全使用光学元件和仪器，必须遵守以下规则：必须在了解仪器的操作和使用方法后方可使用。轻拿轻放，勿使仪器或光学元件受到冲击或震动，特别要防止摔落。不使用的光学元件应随时装入专用盒内并放入平台的箱子内，最好放入干燥器中保存。切忌用手接触元件的光学表面。如必需用手拿光学元件时，只能接触其磨沙面，如透镜的边缘、棱镜的上下底面等（如预备图-1）。光学实验是普通物理实验的一个重要部分。这里先介绍光学实验中经4光学表面上如有灰尘，用实验室专备的干燥脱脂棉轻轻拭去或用橡皮球吹掉。光学表面上若有轻微的污痕或指印，用清洁的镜头纸轻轻拂去，但不要加压擦拭，更不准用手帕、普通纸片、衣服等擦拭。若表面有较严重的污痕或指印，应由实验室人员用丙酮或酒精清洗。所有镀膜面均不能接触或擦拭。防止唾液或其溶液溅落在光学表面上。光学表面上如有灰尘，用实验室专备的干燥脱脂棉轻轻拭去或用橡皮5调整光学仪器时，要耐心细致，一边观察一边调整，动作要轻、慢，严禁盲目及粗鲁操作。仪器用毕后应放回箱内或加罩，防止灰尘沾污。二、消视差光学实验中经常要测量像的位置和大小，经验告诉我们，要测准物体的大小，必须将量度标尺与被测物体紧贴在一起。如果标尺远离被测物体，读数将随眼睛的位置不同而有所改变，难以测准，如预备图-2所示。可是在光学实验中被测物往往是一个看得见摸不着的像，怎样才能确定标尺和待测像是紧贴在一起的呢？利用“视差”现象可以帮助我们解调整光学仪器时，要耐心细致，一边观察一边调整，动作要轻、慢，6决这个问题。为了认识“视差”现象，读者可做一简单实验：双手各伸出一只手指，并使一指在前，一指在后相隔一定距离，且两指平行。用一只眼睛观察，当左右（或上下）晃动眼睛时（眼睛移动方向应与被观察手指垂直），就会发现两指间有相对移动，这种现象称为“视差”。而且还会看到离眼近者，其移动方向与眼睛移动方向相反；离眼远者则与眼睛移动方向相同。若将两指紧贴在一起，则无上述现象，即无“视差”。由此可以利用视差现象来判断测像与标尺是否紧贴。若待测像和标尺间有视差，说明它们没有紧贴在一起，则应该稍稍调节像或标尺位置，并同时微微晃动眼睛观察，直到它们之间无视差后方可进行测量。这一调节步骤，我们常称之为“消视差”。在光学实验中，“消视差”常常是测量前必不可少的操作步骤。决这个问题。为了认识“视差”现象，读者可做一简单实验：双手各7三、共轴调节光学实验中经常要用一个或多个透镜成像。为了获得质量好的像，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。此外透镜成像公式中的物距、像距等都是沿主光轴计算长度的，为了测量准确，必须使透镜的主光轴与带有刻度的标尺平行。为了达到上述要求的调节我们统称为共轴调节。调节方法如下：1、粗调，将光源、物和透镜靠拢，调节它们的取向和高低左右位置，凭眼睛观察，使它们的中心处在一条和标尺平行的直线上，使透镜的主光轴与标尺平行，并且使物（或物屏）和成像平面（或像屏）与平台垂直。这一步因单凭眼睛判断，调节效果与实验者的经验有关，故称为粗调。通常应再进行细调（要求不高时可只进行粗调）。2、细调，这一步骤要靠其他仪器或成像规律来判断和调节。不同的装置可能有不同的具体调节方法。下面介绍物与单个凸透镜共轴的调节方法。使物体与单个凸透镜共轴实际上是指将物上的某一点调到主光轴上。要解决这一问题，首先要知道如何判断物上的点是否在透镜的主光轴上。根据凸透镜成像规律即可判断。如预备图-3所示，当物AB与像屏之间的距离b大于4f时，将凸透镜沿光轴移到O1或O2位置都能在屏上成像，一次成大像A1B1，一次成小像A2B2。物点A位于光轴上，则两次三、共轴调节8像的A1和A2点都在光轴上而且重合。物点B不在光轴上，则两次像的B1和B2一定都不在光轴上，而且不重合。但是，小像的B2点总是比大像的B1点更接近光轴。由此可知，若要将B点调到凸透镜光轴上，只需记住像屏上小像的B2点位置（屏上贴有坐标纸供记录位置时作参照物），调节透镜（或物）的高低左右，使B1向B2靠拢。这样反复调节几次直到B1与B2重合，即说明B点已调到透镜的主光轴上了。 若要调多个透镜共轴，则应先将物上B点调到一个凸透镜的主光轴上，然后，同样根据轴上物点的像总在轴上的原理，逐个增加待调透镜，调节它们使之逐个与第一个透镜共轴。像的A1和A2点都在光轴上而且重合。物点B不在光轴上，则两次9实验一用自准法测薄凸透镜焦距f返回实验一用自准法测薄凸透镜焦距f返回10一、实验目的⑴掌握简单光路的分析和调整方法⑵了解、掌握自准法测凸透镜焦距的原理及方法二、实验原理当发光点（物）处在凸透镜的焦平面时，它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平行光反射回去，反射光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。三、实验仪器一、实验目的111、带有毛玻璃的白炽灯光源S2、品字形物屏P：SZ-143、凸透镜L：f=190mm(f=150mm)4、二维调整架：SZ-075、平面反射镜M二维调整架：SZ-077、通用底座：SZ-048、二维底座：SZ-029、通用底座：SZ-0410、通用底座：SZ-041、带有毛玻璃的白炽灯光源S12四、仪器实物图及原理图

图一四、仪器实物图及原理图13五、实验步骤1、把全部元件按图一的顺序摆放在平台上，靠拢，调至共轴。而后拉开一定的距离。可调成如图一所示的距离2、前后移动凸透镜L，使在物屏P上成一清晰的品字形像。3、调M的倾角，使P屏上的像与物重合。4、再前后微动透镜L，使P屏上的像既清晰又与物同大小。

五、实验步骤145、分别记下P屏和透镜L的位置a1、a2。6、把P屏和透镜L都转180度，重复做前四步。7、再记下P和L的新位置b1、b2。8、分别把f=150mm和f=190mm的透镜各做一遍，并比较实验值和真实值的差异，并分析其原因。9、老师可选择更多规格的透镜进行实验。（选做）六、数据处理被测透镜焦距：f=(fa+fb)/25、分别记下P屏和透镜L的位置a1、a2。15实验二用位移法测薄凸透镜焦距f返回实验二用位移法测薄凸透镜焦距f返回16一、实验目的了解、掌握位移法测凸透镜焦距的原理及方法二、实验原理对凸透镜而言，当物和像屏间的距离L大于4倍焦距时，在它们之间移动透镜，则在屏上会出现两次清晰的像，一个为放大的像，一个为缩小的像。分别记下两次成像时透镜距物的距离O1、O2(e=|O1-O2|)，距屏的距离O1'、O­2'根据光线的可逆性原理，这两个位置是“对称”的。即O1=O2'，O2=O1'则：L－e=O1＋O2'＝２O1＝２O2'O1=O2'＝(L－e)/２而O1'=L－O1＝L－(L－e)/２＝(L+e)/2把结果带入透镜的牛顿公式1/s+1/s'=1/f一、实验目的17得到透镜的焦距为由此便可算得透镜的焦距，这个方法的优点是，把焦距的测量归结为对于可以精确测定的量L和e的测量，避免了在测量u和v时，由于估计透镜中心位置不准确所带来的误差。三、实验仪器带有毛玻璃的白炽灯光源S2、品字形物屏P：SZ-143、凸透镜L：f=190mm(f=150mm)4、二维调整架：SZ-075、白屏H：SZ-136、通用底座：SZ-047、二维底座：SZ-028、通用底座：SZ-049、通用底座：SZ-04四、仪器实物图及原理图（见图二）得到透镜的焦距为由此便可算得透镜的焦距，这个方法的优点是，把18五、实验步骤把全部器件按图二的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴，而后再使物屏P和白屏H之间的距离大于4倍焦距。沿标尺前后移动L，使品字形物在白屏H上成一清晰的放大像，记下L的位置a1。再沿标尺向后移动L，使物再在白屏H上成一缩小像，记下L的位置a2。将P、L、H转180度，重复做前三步，又得到L的两个位置b1、b2。分别把f=150mm和f=190mm的透镜各做一遍，并比较实验值和真实值的差异并分析其原因。老师可选择更多规格的透镜进行实验。（选做）五、实验步骤19六、数据处理透镜焦距：f=(fa+fb)/2六、数据处理20图二图二21实验三目镜焦距fe的测量返回实验三目镜焦距fe的测量返回22一、实验目的了解、掌握用测量物像放大率来求目镜焦距fe的原理及方法二、实验原理焦距的测量可以归结为测量焦点到光学系统的某一指定点的距离。测量焦距时，常用到牛顿公式：。若物空间和像空间的光学介质相同，则。线放大率：。一、实验目的23三、实验仪器1、带有毛玻璃的白炽灯光源S2、1/10mm分划板F3、二维调整架：SZ-074、被测目镜Le(fe=14mm)5、可变口径二维架：SZ-056、测微目镜L(去掉其物镜头的读数显微镜)7、读数显微镜架:SZ-388、三维底座：SZ-019、一维底座：SZ-0310、一维底座：SZ-0311、通用底座：SZ-04三、实验仪器24四、仪器实物图及原理图图三四、仪器实物图及原理图图三25五、实验步骤把全部器件按图三的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴。在F、Le、L的底座距离很小的情况下，前后移动Le，直至在测微目镜L中看到清晰的1/10mm的刻线，并使之与测微目镜中的标尺（mm刻线）无视差。测出1/10mm刻线的宽度，求出其放大倍率m1，并分别记下L和Le的位置a1、b1。把测微目镜L向后移动30—40mm，再慢慢向前移动Le，直至在测微目镜L中又看到清晰且与毫米标尺刻线无视差的1/10mm的刻线像。再测出像宽，求出m2，记下L和Le的位置a1、b2。六、数据处理mx=(像宽/实宽)÷20（20为测微目镜的放大倍数）像距改变量：s=(a1-a2)+(b2-b1)被测目镜焦距：fe=s/(m2-m1)五、实验步骤26实验四自组显微镜返回实验四自组显微镜返回27一、实验目的了解显微镜的基本原理和结构，并掌握其调节、使用和测量它的放大率的一种方法。二、实验原理物镜Lo的焦距fo很短，将F1放在它前面距离略大于fo的位置，F1经Lo后成一放大实像F’1，然后再用目镜Le作为放大镜观察这个中间像F’1，F’1应成像在Le的第一焦点Fe之内，经过目镜后在明视距离处成一放大的虚像F’’1。三、实验仪器1、带有毛玻璃的白炽灯光源S2、1/10mm分划板F1一、实验目的283、二维调整架：SZ-074、物镜Lo：fo=15mm5、二维调整架：SZ-076、测微目镜Le（去掉其物镜头的读数显微镜）7、读数显微镜架:SZ-388、三维底座：SZ-019、一维底座：SZ-0310、一维底座：SZ-0311、通用底座：SZ-043、二维调整架：SZ-0729四、仪器实物图及原理图图四（1）四、仪器实物图及原理图图四（1）30图四（2）图四（2）31五、实验步骤1、把全部器件按图四的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴。2、把透镜Lo、Le的间距固定为180mm。3、沿标尺导轨前后移动F1（F1紧挨毛玻璃装置，使F1置于略大于fo的位置），直至在显微镜系统中看清分划板F1的刻线。六、数据处理显微镜的计算放大率：M＝（250×）/（f0×fe）其中：=f0-fe，见图示。本实验中的fe=250/20(计算方法可参考光学书籍)五、实验步骤32实验五自组透射式幻灯机返回实验五自组透射式幻灯机返回33一、实验目的了解幻灯机的原理和聚光镜的作用，掌握对透射式投影光路系统的调节。二、实验原理幻灯机能将图片的像放映在远处的屏幕上，但由于图片本身并不发光，所以要用强光照亮图片，因此幻灯机的构造总是包括聚光和成像两个主要部分，在透射式的幻灯机中，图片是透明的。成像部分主要包括物镜L、幻灯片P和远处的屏幕。为了使这个物镜能在屏上产生高倍放大的实像。幻灯片P必须放在物镜L的物方焦平面外很近的地方，使物距稍大于L的物方焦距。聚光部分主要包括很强的光源（通常采用溴钨灯）和透镜L1L2构成的聚光镜。聚光镜的作用是一方面要在未插入幻灯片时，能使屏幕上有强烈而均匀的照度，一、实验目的34并且不出现光源本身结构（如灯丝等）的像；一经插入幻灯片后，能够在屏幕上单独出现幻灯图片的清晰的像。另一方面，聚光镜要有助于增强屏幕上的照度。因此，应使从光源发出并通过聚光镜的光束能够全部到达像面。为了这一目的，必须使这束光全部通过物镜L，这可用所谓“中间像”的方法来实现。即聚光器使光源成实像，成实像后的那些光束继续前进时，不超过透镜L边缘范围。光源的大小以能够使光束完全充满L的整个面积为限。聚光镜焦距的长短是无关紧要的。通常将幻灯片放在聚光器前面靠近L2的地方，而光源则置于聚光器后2倍于聚光器焦距之处。聚光器焦距等于物镜焦距的一半，这样从光源发出的光束在通过聚光器前后是对称的，而在物镜平面上光源的像和光源本身的大小相等。并且不出现光源本身结构（如灯丝等）的像；一经插入幻灯片后，能35三、实验仪器1、带有毛玻璃的白炽灯光源S2、聚光镜L1：f1=50mm3、二维调整架：SZ-074、幻灯底片P5、干板架：SZ-126、放映物镜L2：f2=190mm7、二维调整架：SZ-078、白屏H：SZ-139、三维底座：SZ-0110、一维底座：SZ-0311、二维底座：SZ-0212、一维底座：SZ-0313、通用底座：SZ-04四、仪器实物图及原理图（见图六）三、实验仪器36图六图六37五、实验步骤把全部仪器按图六的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴。将L2与H的间隔固定在间隔所能达到的最大位置，前后移动P，使其经L2在屏H上成一最清晰的像。将聚光镜L1紧挨幻灯片P的位置固定，拿去幻灯片P，沿导轨前后移动光源S，使其经聚光镜L1刚好成像于白屏H上。再把底片P放在原位上，观察像面上的亮度和照度的均匀性。并记录下所有仪器的位置，并算U1、U2、V1、V2的大小。把聚光镜L1`拿去，再观察像面上的亮度和照度的均匀性。注：演示其现象时的参考数据为U1=35，V1=35，U2=300，V2=520。和计算焦距时的数据并不相同。六、数据处理放映物镜的焦距：f2=M/(M+1)平方×D2聚光镜的焦距：f1=D1/(M+1)－D1/(M+1)平方五、实验步骤38实验六测节点位置及透镜组焦距返回实验六测节点位置及透镜组焦距返回39一、实验目的了解透镜组节点的特性，掌握测透镜组节点的方法。二、实验原理光学仪器中的共轴球面系统、厚透镜、透镜组，常把它作为一个整体来研究。这时可以用三对特殊的点和三对面来表征系统在成像上的性质。若已知这三对点和三对面的位置，则可用简单的高斯公式和牛顿公式来研究其成像规律。共轴球面系统的这三对基点和基面是：主焦点（F，F'）和主焦面，主点（H，H'）和主平面，节点（N，N'）和节平面。如附图1，一、实验目的40附图1附图2附图1附图241实际使用的共轴球面系统——透镜组，多数情况下透镜组两边的介质都是空气，根据几何光学的理论，当物空间和像空间介质折射率相同时，透镜组的两个节点分别与两个主点重合，在这种情况下，主点兼有节点的性质，透镜组的成像规律只用两对基点（焦点，主点）和基面（焦面，主面）就完全可以确定了。实际使用的共轴球面系统——透镜组，多数情况下透镜组两边的介质42根据节点定义，一束平行光从透镜组左方入射，如附图2，光束中的光线经透镜组后的出射方向，一般和入射方向不平行，但其中有一根特殊的光线，即经过第一节点N的光线PN，折射后必须通过第二节点N'且出射光线N'Q平行于原入射光线PN。设N'Q与透镜组的第二焦平面相交于F''点。由焦平面的定义可知，PN方向的平行光束经透镜组会聚于F''点。若入射的平行光的方向PN与透镜组光轴平行时，F''点将与透镜组的主焦点F'重合，如附图3《工程光学实验》课件43综上所述节点应具有下列性质：当平行光入射透镜组时，如果绕透镜组的第二节点N'微微转过一个小角，则平行光经透镜组后的会聚点F'在屏上的位置将不横移，只是变得稍模糊一点儿，这是因为转动透镜组后入射于节点N的光线并没有改变原来入射的平行光的方向，因而N'Q的方向也不改变，又因为透镜组是绕N'点转动，N点不动，附图3综上所述节点应具有下列性质：当平行光入射透镜组时，如果绕透镜44所以N‘Q线也不移动，而像点始终在N’Q线上，故F‘’点不会有横向移动，至于NF‘’的长度，当然会随着透镜组的转动有很小的变化，所以F‘’点前后稍有移动，屏上的像会稍有模糊一点。反之，如果透镜组绕N‘点以外的点转动，则F’‘点会有横向移动，利用节点的这一特性构成了下面的测量方法。使用一个能够转动的导轨，导轨侧面装有刻度尺，这个装置就是节点架。把透镜组装在可以旋转的节点架的导轨上，节点架前是一束平行光，平行光射向透镜组。接着将透镜组在节点架上前后移动，同时使架做微小的转动。两个动作配合进行，直到能得到清晰的像，且不发生横移为止。这时转动轴必通过透镜组的像方节点N'，它的位置就被确定了。并且当N'与H'重合时，所以N‘Q线也不移动，而像点始终在N’Q线上，故F‘’点不45从转动轴到屏的距离为N'F'，即为透镜组的像方焦距f’。把透镜组转180度，使光线由L2进入，由L1射出。利用同样的方法可测出物方节点N的位置。三、实验仪器1、带有毛玻璃的白炽灯光源S2、1/10mm分划板F3、二维调整架：SZ-074、物镜Lo：fo=190mm5、二维调整架：SZ-07从转动轴到屏的距离为N'F'，即为透镜组的像方焦距f’。把466、透镜组L1、L2：f1=220mm，f2=300mm7、节点架：SZ-258、测微目镜Le（去掉其物镜头的读数显微镜）9、读数显微镜架:SZ-3810、三维底座：SZ-0111、一维底座：SZ-0312、一维底座：SZ-0313、一维底座：SZ-0314、通用底座：SZ-0415、白屏H：SZ-136、透镜组L1、L2：f1=220mm，f2=30047四、仪器实物图及原理图图七四、仪器实物图及原理图图七48五、实验步骤调节由F，Lo组成的“平行光管”使其出平行光，可借助于对无穷远调焦的望远镜来实现。将“平行光管”、待测透镜组、测微目镜，按图七的顺序摆放在平台上，目测调至共轴。前后移动测微目镜，使之能看清F处分划板刻线的像。沿节点调节架导轨前后移动透镜组，（同时也要相应地移动测微目镜），直至转动平台时，F处分划板刻线的像无横向移动为止，此时像方节点N落在节点调节架的转轴上。用白屏H代替测微目镜，使分划板刻线的像清晰的成于白屏H上，分别记下屏和节点调节架在标尺导轨上的位置a、b，再在节点调节架的导轨上记下透镜组的中心位置（用一条刻线标记）与调节架转轴中心（0刻线的位置）的偏移量d。五、实验步骤49把节点调节架转180度，使入射方向和出射方向相互颠倒，重复3、4、5步，从而得到另一组数据a’、b’、d’。六、数据处理1、像方节点N偏离透镜组中心的距离为：d透镜组的像方焦距：f’=a-b物方节点N偏离透镜组中心的距离为：d’透镜组的物方焦距为：f=a’-b’2、用1：1的比例画出该透镜组及它的各个节点的相对位置。把节点调节架转180度，使入射方向和出射方向相互颠倒，重复350实验七菲涅尔双棱镜干涉返回实验七菲涅尔双棱镜干涉返回51一、实验目的观察双棱镜干涉现象及测定光波波长二、实验原理利用光的干涉现象进行光波波长的测量，首先要获得两束相干光，使之重叠形成干涉，干涉条纹的空间分布既跟条纹与相干光源之间的相对位置有关，又跟光波波长有关，从它们之间的关系式就能测出光波波长。本实验利用双棱镜获得两束相干光，如附图5所示，双棱镜是由两块底边相接、折射棱角α小于1度的直角棱镜组成的，从单缝S发出的单色光的波阵面，经双棱镜折射后形成两束互相重叠的光束，它们相当于从狭缝S的两个虚像S1 和S2射出的两束相干光。于是在波束重叠的区域内产生了干涉，在该区域内放置的屏上可以观测到干涉条纹。一、实验目的52如附图6所示，设S1与S2的间距为d，缝S至观察屏的距离为D，O为观察屏上距S1和S2等距的点，由S1和S2射来的两束光在O点的光程差为零，故在O点处两光波互相加强形成零级亮条纹，而在O点两侧，则排列着明暗相间的等距干涉条纹。附图5附图6如附图6所示，设S1与S2的间距为d，缝S至观察屏的距离为D53对于屏上距O点为x的P点。当D>>d。D>>x时，有δ／d=x/因为D故δ／dx/D即δ=xd/D根据相干条件，当光程差δ满足：（1）δ=2k()时，即在x=k处（k=0、1、2、…），产生亮条纹。（2）δ=（2k-1）时，即在x=（2k-1）处（k=0、1、2、…），产生暗条纹。因此，两相邻亮条纹（或暗条纹）间的距离为干涉条纹的间距为：x=xk+1-xk=d——两个狭缝中心的间距λ——单色光波波长D——狭缝屏到观测屏（测微目镜焦平面）的距离从实验中测得D，d以及x，即可由上式算出波长。对于屏上距O点为x的P点。当D>>d。D>>x时，有δ／54三、实验仪器1、钠光灯（可加圆孔光阑）2、凸透镜L：f=50mm3、二维调整架：SZ-074、单面可调狭缝：SZ-225、二维调整架：SZ-076、菲涅尔双棱镜：7、测微目镜Le（去掉其物镜头的读数显微镜）三、实验仪器558、读数显微镜架:SZ-389、三维底座：SZ-0110、二维底座：SZ-0211、一维底座：SZ-0312、一维底座：SZ-0313、凸透镜L’：f=150mm14、二维调整架：SZ-0715、通用底座：SZ-01四、仪器实物图及原理图（见图十）8、读数显微镜架:SZ-38四、仪器实物图及原理图（56图十图十57五、实验步骤1、把全部仪器按照图十的顺序在平台上摆放好(图上数值均为参考数值)，并调成共轴系统。钠光灯（可加圆孔光阑）经透镜L聚焦于狭缝上。调节单缝和双棱镜的棱脊平行，而且由单缝射出的光对称地照在棱脊的两侧。2、用白屏H或直接用眼睛观测到干涉条纹后，再用测微目镜中观测。使相干光束处在目镜视场中心，并调节单缝和棱脊的平行度，使干涉条纹最清晰。双棱镜干涉图样，应为等间隔的明暗相间的干涉条纹。五、实验步骤583、用测微目镜测出干涉条纹的间距x，测出单缝到测微目镜叉丝分划板的距离D，再用二次成像法测出两个虚光源的间距d，由x=xk+1-xk=便可求出光波的波长，并与钠灯的波长实际值比较，分析误差原因。（二次成像法，在数据处理中有讲解）。六、数据处理二次成像法：3、用测微目镜测出干涉条纹的间距x，测出单缝到测微目镜叉丝分59保持图中狭缝、双棱镜的位置不动，加入一已知焦距f=150的透镜放在双棱镜后，使单缝与测微目镜间的距离D>4f，移动透镜成像时，可以在两个不同的位置上，从目镜中看到一大一小两个清晰的缝像（既虚光源S1、S2的像），测出两个清晰的像间距d1及d2，根据物象公式，虚光源S1、S2的间距d=（第一成像）。d=(第二次成像)而s1=，=s2，故即代入公式即可求出波长λ。《工程光学实验》课件60实验八偏振光分析返回实验八偏振光分析返回61一、实验目的观察光的偏振现象，分析偏振光，起偏，定光轴二、实验原理偏振光的基本概念光是电磁波，它的电矢量E和磁矢量H相互垂直，且均垂直于光的传播方向c，通常用电矢量E代表代表光的振动方向，并将电矢量E和光的传播方向c所构成的平面称为光振动面。在传播过程中，电矢量的振动方向始终在某一确定方向的光称为平面偏振光一、实验目的62或线偏振光，如附图15（a）。光源发射的光是由大量原子或分子辐射构成的。由于大量原子或分子的热运动和辐射的随机性，它们所发射的光的振动面，出现在各个方面的几率是相同的。故这种光源发射的光对外不显现偏振的性质，称为自然光附图15（b）。在发光过程中，有些光的振动面在某个特定方向上出现的几率大于其他方向，即在较长时间内电矢量在某一方向上较强，这种的光称为部分偏振光，如图附图15（c）所示，还有一些光，其振动面的取向和电矢量的大小随时间作有规律的变化，而电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆。这种光称为椭圆偏振光或圆偏振光。或线偏振光，如附图15（a）。光源发射的光是由大量原子或分子63附图15（a）附图15（b）附图15（c）（二）获得偏振光的常用方法将非偏振光变成偏振光的过程称为起偏，起偏的装置称为起偏器。常用的起偏装置主要有：1、反射起偏器（或透射起偏器）当自然光在两种媒质的界面上反射和折射时，反射光和折射光都将成为部分偏振光。当入射角达到某一特定值时，反射光成为完全偏振光，其振动面垂直于入射面（见附图16）而角就是布儒斯特角，也称为起偏振角，由布儒斯特定律得附图15（a）附图15（b）附图1564例如，当光由空气射向n=1.54的玻璃板时，=57度45679若入射光以起偏振角射到多层平行玻璃片上，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。由多层玻璃片组成的这种透射起偏振器又称为玻璃片堆。见附图17。附图16例如，当光由空气射向n=1.54的玻璃板时，=57度4567652、晶体起偏器利用某些晶体的双折射现象来获得线偏振光，如尼科尔棱镜等。偏振片（分子型薄膜偏振片）聚乙烯醇胶膜内部含有刷状结构的炼状分子。在胶膜被拉伸时，这些炼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取向平行于分子排列方向（此方向称为偏振片的偏振轴）的光通过，利用它可获得线偏振光，其示意图参看附图18。偏振片是一种常用的“起偏”元件，用它可获得截面积较大的偏振光束（它就是本实验使用的元件）。附图172、晶体起偏器附图1766(三)偏振光的检测鉴别光的偏振光状态的过程称为检偏，它所用的装置称为检偏器。实际上，起偏器和检偏器是通用的。用于起偏的偏振片称为起偏振器，把它用于检偏就成为检偏器了。按照马吕斯定律，强度为I0的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为式中为入射光偏振方向与检偏器偏振轴之间的夹角。显然，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=0度时，透射光强度最大；当=90度时，透射光强度最小（消失状态）；当0度<<90度时，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。(三)偏振光的检测67(三)偏振光的检测鉴别光的偏振光状态的过程称为检偏，它所用的装置称为检偏器。实际上，起偏器和检偏器是通用的。用于起偏的偏振片称为起偏振器，把它用于检偏就成为检偏器了。按照马吕斯定律，强度为I0的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为式中为入射光偏振方向与检偏器偏振轴之间的夹角。显然，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=0度时，透射光强度最大；当=90度时，透射光强度最小（消失状态）；当0度<<90度时，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。附图18(三)偏振光的检测附图1868（四）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，其表面平行于晶体的光轴。当一束单色平行自然光正入射到波晶片上时，光在晶体内部便分解为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光和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,e光的为即相应的折射率、不同。设晶片的厚度为L，则两束光通过晶体后就有位相差σ,即（四）偏振光通过波晶片时的情形69式中λ为光波在真空中的波长。的晶片，称为全波片，；称为半波片（λ/2波片）；为λ/4片，上面的k都是任意整数。不论全波片，半波片或λ/4片都是对一定波长而言。以下直角坐标系的选择，是以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，其振动便按此坐标系分解为e分量和o分量。2.光束通过波片后偏振态的改变平行光垂直入射到波晶片后，分解为e分量和o分量，透过晶片，二者间产生一附加位相差σ。离开晶片时合成光波的偏振性质，决定于σ及入射光的性质。（1）偏振态不变的情形式中λ为光波在真空中的波长。的晶片，称为全波片，；称为半波片70（i）自然光通过波晶片，仍为自然光。因为自然光的两个正交分量之间的位相差是无规的，通过波晶片，引入一恒定的位相差σ，其结果还是无规的。（ii）若入射光为线偏振光，其电矢量E平行e轴（或o轴），则任何波长片对它都不起作用，出射光仍为原来的线偏振光。因为这时只有一个分量，谈不上振动的合成与偏振态的改变。除上述二情形外，偏振光通过波晶片，一般其偏振情况是要改变的。（2）λ/2片与偏振光（i）若入射光为线偏振光，在λ/2片的前面（入射处）上分解为ε=0或π（i）自然光通过波晶片，仍为自然光。因为自然光的两个正交分量71出射光表示为讨论二波的相对位相差，上式可写为=故出射光二正交分量的相对位相差为：和这说明出射光也是线偏振光，但振动方向与入射光的不同。如入射光与晶片光轴成角，则出射光与光轴成-角。即线偏振光经λ/2片电矢量振动方向转过了2角。（ii）若入射光为椭圆偏振光，作类似的分析可知，半波片既改变椭圆偏振光长（短）轴的取向，也改变椭圆偏振光（圆偏振光）的旋转方向。出射光表示为72（3）λ/4片与偏振光（i）入射光为线偏振光ε=0或π则出射光为则出射光为此式代表一正椭圆偏振光。对应于右旋，对应于左旋。当时，出射光为圆偏振光。（ii）入射光为圆偏振光此式代表线偏振光。出射光电矢量沿一、三象限；，沿二、四象限。（3）λ/4片与偏振光73（iii）入射光为椭圆偏振光

出射光为可见出射光一般为椭圆偏振光。三、实验仪器1、He—Ne激光器（632.8nm）2、偏振片（起偏器）3、可变口径二维架：SZ-054、偏振片（检偏器）5、手动X轴旋转架：SZ-066、白屏H：SZ-137、通用底座：SZ-048、一维底座：SZ-039、一维底座：SZ-0310、通用底座：SZ-0411、1/4、1/2波片各一片12、公用底座：SZ-04（波片使用）13、手动X轴旋转架：SZ-06（iii）入射光为椭圆偏振光74四、仪器实物图及原理图图十九四、仪器实物图及原理图图十九75五、实验步骤，及数据处理定偏振片光轴：把所有器件按图十九的顺序摆放在平台上，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，这时可看到消光现象。考察平面偏振光通过λ/2波长时的现象：（1）在两块偏振片之间插入λ/2波长片，把X轴旋转架转动360度，能看到几次消光？解释这现象。（2）将λ/2波长转任意角度，这时消光现象被破坏。把检偏器转动360度，观察到什么现象？由此说明通过λ/2波长片后，光变为怎样的偏振状态？五、实验步骤，及数据处理76（3）仍使起偏器和检偏器处于正交（即处于消光现象时），插入λ/2波长，使消光，再将转15度，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。（4）继续将λ/2波长转15度（即总转动角为30度），记录检偏器达到消光所转总角度。依次使λ/2波长总转角为45度，60度，75度，90度，记录检偏器消光时所转总角度。

半波片转动角度检偏器转动角度15度30度45度60度75度90度从上面实验结果得出什么规律？（3）仍使起偏器和检偏器处于正交（即处于消光现象时），插入λ77用波长片产生圆偏振光和椭圆偏振光（1）按图十九使与起偏器和检偏器正交，用λ/4波长片代替λ/2波长片，转动λ/4波片使消光。（2）再将λ/4波片转动15度，然后将检偏器转动360度，观察到什么现象？你认为这时从λ/4波片出来光的偏振状态是怎样？（3）依次将转动总角度为30度，45度，60度，75度，90度，每次将检偏器转动，记录所观察到的现象。λ/4波片转动的角度检偏器转动360度观察到的现象光的偏振性质15度30度45度60度75度90度用波长片产生圆偏振光和椭圆偏振光78ENDEND79工程光学实验

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工程光学实验

主讲教师：李晶闽南理工学院80目录

光学实验预备知识…………2实验一用自准法测薄凸透镜焦距f………………5实验二用位移法测薄凸透镜焦距f………………7实验三目镜焦距fe的测量………9实验四自组显微镜………………11实验五自组透射式幻灯机（投影系统）………13实验六测节点位置及透镜组焦距………………15实验七菲涅尔双棱镜干涉………18实验八偏振光分析………………21目录光学实验预备知识………81光学实验预备知识返回光学实验预备知识返回82光学实验是普通物理实验的一个重要部分。这里先介绍光学实验中经常用到的知识和调节技术。初学者在做实验以前应认真阅读这些内容，并且在实验中遵守有关规则和灵活运用有关知识。一、光学元件和仪器的维护透镜、棱镜等光学元件，大多数是用光学玻璃制成的。它们的光学表面都是经过仔细的研磨和抛光，有些还镀有一层或多层薄膜。对这些元件或其材料的光学性能（例如折射率、反射率、透射率等）都有一定的要求，而它们的机械性能和化学性能可能很差，若使用和维护不当，则会降低光学性能甚至损坏报废。造成损坏的常见原因有：摔坏、磨损、污损、发霉、腐蚀等。为了安全使用光学元件和仪器，必须遵守以下规则：必须在了解仪器的操作和使用方法后方可使用。轻拿轻放，勿使仪器或光学元件受到冲击或震动，特别要防止摔落。不使用的光学元件应随时装入专用盒内并放入平台的箱子内，最好放入干燥器中保存。切忌用手接触元件的光学表面。如必需用手拿光学元件时，只能接触其磨沙面，如透镜的边缘、棱镜的上下底面等（如预备图-1）。光学实验是普通物理实验的一个重要部分。这里先介绍光学实验中经83光学表面上如有灰尘，用实验室专备的干燥脱脂棉轻轻拭去或用橡皮球吹掉。光学表面上若有轻微的污痕或指印，用清洁的镜头纸轻轻拂去，但不要加压擦拭，更不准用手帕、普通纸片、衣服等擦拭。若表面有较严重的污痕或指印，应由实验室人员用丙酮或酒精清洗。所有镀膜面均不能接触或擦拭。防止唾液或其溶液溅落在光学表面上。光学表面上如有灰尘，用实验室专备的干燥脱脂棉轻轻拭去或用橡皮84调整光学仪器时，要耐心细致，一边观察一边调整，动作要轻、慢，严禁盲目及粗鲁操作。仪器用毕后应放回箱内或加罩，防止灰尘沾污。二、消视差光学实验中经常要测量像的位置和大小，经验告诉我们，要测准物体的大小，必须将量度标尺与被测物体紧贴在一起。如果标尺远离被测物体，读数将随眼睛的位置不同而有所改变，难以测准，如预备图-2所示。可是在光学实验中被测物往往是一个看得见摸不着的像，怎样才能确定标尺和待测像是紧贴在一起的呢？利用“视差”现象可以帮助我们解调整光学仪器时，要耐心细致，一边观察一边调整，动作要轻、慢，85决这个问题。为了认识“视差”现象，读者可做一简单实验：双手各伸出一只手指，并使一指在前，一指在后相隔一定距离，且两指平行。用一只眼睛观察，当左右（或上下）晃动眼睛时（眼睛移动方向应与被观察手指垂直），就会发现两指间有相对移动，这种现象称为“视差”。而且还会看到离眼近者，其移动方向与眼睛移动方向相反；离眼远者则与眼睛移动方向相同。若将两指紧贴在一起，则无上述现象，即无“视差”。由此可以利用视差现象来判断测像与标尺是否紧贴。若待测像和标尺间有视差，说明它们没有紧贴在一起，则应该稍稍调节像或标尺位置，并同时微微晃动眼睛观察，直到它们之间无视差后方可进行测量。这一调节步骤，我们常称之为“消视差”。在光学实验中，“消视差”常常是测量前必不可少的操作步骤。决这个问题。为了认识“视差”现象，读者可做一简单实验：双手各86三、共轴调节光学实验中经常要用一个或多个透镜成像。为了获得质量好的像，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。此外透镜成像公式中的物距、像距等都是沿主光轴计算长度的，为了测量准确，必须使透镜的主光轴与带有刻度的标尺平行。为了达到上述要求的调节我们统称为共轴调节。调节方法如下：1、粗调，将光源、物和透镜靠拢，调节它们的取向和高低左右位置，凭眼睛观察，使它们的中心处在一条和标尺平行的直线上，使透镜的主光轴与标尺平行，并且使物（或物屏）和成像平面（或像屏）与平台垂直。这一步因单凭眼睛判断，调节效果与实验者的经验有关，故称为粗调。通常应再进行细调（要求不高时可只进行粗调）。2、细调，这一步骤要靠其他仪器或成像规律来判断和调节。不同的装置可能有不同的具体调节方法。下面介绍物与单个凸透镜共轴的调节方法。使物体与单个凸透镜共轴实际上是指将物上的某一点调到主光轴上。要解决这一问题，首先要知道如何判断物上的点是否在透镜的主光轴上。根据凸透镜成像规律即可判断。如预备图-3所示，当物AB与像屏之间的距离b大于4f时，将凸透镜沿光轴移到O1或O2位置都能在屏上成像，一次成大像A1B1，一次成小像A2B2。物点A位于光轴上，则两次三、共轴调节87像的A1和A2点都在光轴上而且重合。物点B不在光轴上，则两次像的B1和B2一定都不在光轴上，而且不重合。但是，小像的B2点总是比大像的B1点更接近光轴。由此可知，若要将B点调到凸透镜光轴上，只需记住像屏上小像的B2点位置（屏上贴有坐标纸供记录位置时作参照物），调节透镜（或物）的高低左右，使B1向B2靠拢。这样反复调节几次直到B1与B2重合，即说明B点已调到透镜的主光轴上了。 若要调多个透镜共轴，则应先将物上B点调到一个凸透镜的主光轴上，然后，同样根据轴上物点的像总在轴上的原理，逐个增加待调透镜，调节它们使之逐个与第一个透镜共轴。像的A1和A2点都在光轴上而且重合。物点B不在光轴上，则两次88实验一用自准法测薄凸透镜焦距f返回实验一用自准法测薄凸透镜焦距f返回89一、实验目的⑴掌握简单光路的分析和调整方法⑵了解、掌握自准法测凸透镜焦距的原理及方法二、实验原理当发光点（物）处在凸透镜的焦平面时，它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平行光反射回去，反射光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。三、实验仪器一、实验目的901、带有毛玻璃的白炽灯光源S2、品字形物屏P：SZ-143、凸透镜L：f=190mm(f=150mm)4、二维调整架：SZ-075、平面反射镜M二维调整架：SZ-077、通用底座：SZ-048、二维底座：SZ-029、通用底座：SZ-0410、通用底座：SZ-041、带有毛玻璃的白炽灯光源S91四、仪器实物图及原理图

图一四、仪器实物图及原理图92五、实验步骤1、把全部元件按图一的顺序摆放在平台上，靠拢，调至共轴。而后拉开一定的距离。可调成如图一所示的距离2、前后移动凸透镜L，使在物屏P上成一清晰的品字形像。3、调M的倾角，使P屏上的像与物重合。4、再前后微动透镜L，使P屏上的像既清晰又与物同大小。

五、实验步骤935、分别记下P屏和透镜L的位置a1、a2。6、把P屏和透镜L都转180度，重复做前四步。7、再记下P和L的新位置b1、b2。8、分别把f=150mm和f=190mm的透镜各做一遍，并比较实验值和真实值的差异，并分析其原因。9、老师可选择更多规格的透镜进行实验。（选做）六、数据处理被测透镜焦距：f=(fa+fb)/25、分别记下P屏和透镜L的位置a1、a2。94实验二用位移法测薄凸透镜焦距f返回实验二用位移法测薄凸透镜焦距f返回95一、实验目的了解、掌握位移法测凸透镜焦距的原理及方法二、实验原理对凸透镜而言，当物和像屏间的距离L大于4倍焦距时，在它们之间移动透镜，则在屏上会出现两次清晰的像，一个为放大的像，一个为缩小的像。分别记下两次成像时透镜距物的距离O1、O2(e=|O1-O2|)，距屏的距离O1'、O­2'根据光线的可逆性原理，这两个位置是“对称”的。即O1=O2'，O2=O1'则：L－e=O1＋O2'＝２O1＝２O2'O1=O2'＝(L－e)/２而O1'=L－O1＝L－(L－e)/２＝(L+e)/2把结果带入透镜的牛顿公式1/s+1/s'=1/f一、实验目的96得到透镜的焦距为由此便可算得透镜的焦距，这个方法的优点是，把焦距的测量归结为对于可以精确测定的量L和e的测量，避免了在测量u和v时，由于估计透镜中心位置不准确所带来的误差。三、实验仪器带有毛玻璃的白炽灯光源S2、品字形物屏P：SZ-143、凸透镜L：f=190mm(f=150mm)4、二维调整架：SZ-075、白屏H：SZ-136、通用底座：SZ-047、二维底座：SZ-028、通用底座：SZ-049、通用底座：SZ-04四、仪器实物图及原理图（见图二）得到透镜的焦距为由此便可算得透镜的焦距，这个方法的优点是，把97五、实验步骤把全部器件按图二的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴，而后再使物屏P和白屏H之间的距离大于4倍焦距。沿标尺前后移动L，使品字形物在白屏H上成一清晰的放大像，记下L的位置a1。再沿标尺向后移动L，使物再在白屏H上成一缩小像，记下L的位置a2。将P、L、H转180度，重复做前三步，又得到L的两个位置b1、b2。分别把f=150mm和f=190mm的透镜各做一遍，并比较实验值和真实值的差异并分析其原因。老师可选择更多规格的透镜进行实验。（选做）五、实验步骤98六、数据处理透镜焦距：f=(fa+fb)/2六、数据处理99图二图二100实验三目镜焦距fe的测量返回实验三目镜焦距fe的测量返回101一、实验目的了解、掌握用测量物像放大率来求目镜焦距fe的原理及方法二、实验原理焦距的测量可以归结为测量焦点到光学系统的某一指定点的距离。测量焦距时，常用到牛顿公式：。若物空间和像空间的光学介质相同，则。线放大率：。一、实验目的102三、实验仪器1、带有毛玻璃的白炽灯光源S2、1/10mm分划板F3、二维调整架：SZ-074、被测目镜Le(fe=14mm)5、可变口径二维架：SZ-056、测微目镜L(去掉其物镜头的读数显微镜)7、读数显微镜架:SZ-388、三维底座：SZ-019、一维底座：SZ-0310、一维底座：SZ-0311、通用底座：SZ-04三、实验仪器103四、仪器实物图及原理图图三四、仪器实物图及原理图图三104五、实验步骤把全部器件按图三的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴。在F、Le、L的底座距离很小的情况下，前后移动Le，直至在测微目镜L中看到清晰的1/10mm的刻线，并使之与测微目镜中的标尺（mm刻线）无视差。测出1/10mm刻线的宽度，求出其放大倍率m1，并分别记下L和Le的位置a1、b1。把测微目镜L向后移动30—40mm，再慢慢向前移动Le，直至在测微目镜L中又看到清晰且与毫米标尺刻线无视差的1/10mm的刻线像。再测出像宽，求出m2，记下L和Le的位置a1、b2。六、数据处理mx=(像宽/实宽)÷20（20为测微目镜的放大倍数）像距改变量：s=(a1-a2)+(b2-b1)被测目镜焦距：fe=s/(m2-m1)五、实验步骤105实验四自组显微镜返回实验四自组显微镜返回106一、实验目的了解显微镜的基本原理和结构，并掌握其调节、使用和测量它的放大率的一种方法。二、实验原理物镜Lo的焦距fo很短，将F1放在它前面距离略大于fo的位置，F1经Lo后成一放大实像F’1，然后再用目镜Le作为放大镜观察这个中间像F’1，F’1应成像在Le的第一焦点Fe之内，经过目镜后在明视距离处成一放大的虚像F’’1。三、实验仪器1、带有毛玻璃的白炽灯光源S2、1/10mm分划板F1一、实验目的1073、二维调整架：SZ-074、物镜Lo：fo=15mm5、二维调整架：SZ-076、测微目镜Le（去掉其物镜头的读数显微镜）7、读数显微镜架:SZ-388、三维底座：SZ-019、一维底座：SZ-0310、一维底座：SZ-0311、通用底座：SZ-043、二维调整架：SZ-07108四、仪器实物图及原理图图四（1）四、仪器实物图及原理图图四（1）109图四（2）图四（2）110五、实验步骤1、把全部器件按图四的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴。2、把透镜Lo、Le的间距固定为180mm。3、沿标尺导轨前后移动F1（F1紧挨毛玻璃装置，使F1置于略大于fo的位置），直至在显微镜系统中看清分划板F1的刻线。六、数据处理显微镜的计算放大率：M＝（250×）/（f0×fe）其中：=f0-fe，见图示。本实验中的fe=250/20(计算方法可参考光学书籍)五、实验步骤111实验五自组透射式幻灯机返回实验五自组透射式幻灯机返回112一、实验目的了解幻灯机的原理和聚光镜的作用，掌握对透射式投影光路系统的调节。二、实验原理幻灯机能将图片的像放映在远处的屏幕上，但由于图片本身并不发光，所以要用强光照亮图片，因此幻灯机的构造总是包括聚光和成像两个主要部分，在透射式的幻灯机中，图片是透明的。成像部分主要包括物镜L、幻灯片P和远处的屏幕。为了使这个物镜能在屏上产生高倍放大的实像。幻灯片P必须放在物镜L的物方焦平面外很近的地方，使物距稍大于L的物方焦距。聚光部分主要包括很强的光源（通常采用溴钨灯）和透镜L1L2构成的聚光镜。聚光镜的作用是一方面要在未插入幻灯片时，能使屏幕上有强烈而均匀的照度，一、实验目的113并且不出现光源本身结构（如灯丝等）的像；一经插入幻灯片后，能够在屏幕上单独出现幻灯图片的清晰的像。另一方面，聚光镜要有助于增强屏幕上的照度。因此，应使从光源发出并通过聚光镜的光束能够全部到达像面。为了这一目的，必须使这束光全部通过物镜L，这可用所谓“中间像”的方法来实现。即聚光器使光源成实像，成实像后的那些光束继续前进时，不超过透镜L边缘范围。光源的大小以能够使光束完全充满L的整个面积为限。聚光镜焦距的长短是无关紧要的。通常将幻灯片放在聚光器前面靠近L2的地方，而光源则置于聚光器后2倍于聚光器焦距之处。聚光器焦距等于物镜焦距的一半，这样从光源发出的光束在通过聚光器前后是对称的，而在物镜平面上光源的像和光源本身的大小相等。并且不出现光源本身结构（如灯丝等）的像；一经插入幻灯片后，能114三、实验仪器1、带有毛玻璃的白炽灯光源S2、聚光镜L1：f1=50mm3、二维调整架：SZ-074、幻灯底片P5、干板架：SZ-126、放映物镜L2：f2=190mm7、二维调整架：SZ-078、白屏H：SZ-139、三维底座：SZ-0110、一维底座：SZ-0311、二维底座：SZ-0212、一维底座：SZ-0313、通用底座：SZ-04四、仪器实物图及原理图（见图六）三、实验仪器115图六图六116五、实验步骤把全部仪器按图六的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴。将L2与H的间隔固定在间隔所能达到的最大位置，前后移动P，使其经L2在屏H上成一最清晰的像。将聚光镜L1紧挨幻灯片P的位置固定，拿去幻灯片P，沿导轨前后移动光源S，使其经聚光镜L1刚好成像于白屏H上。再把底片P放在原位上，观察像面上的亮度和照度的均匀性。并记录下所有仪器的位置，并算U1、U2、V1、V2的大小。把聚光镜L1`拿去，再观察像面上的亮度和照度的均匀性。注：演示其现象时的参考数据为U1=35，V1=35，U2=300，V2=520。和计算焦距时的数据并不相同。六、数据处理放映物镜的焦距：f2=M/(M+1)平方×D2聚光镜的焦距：f1=D1/(M+1)－D1/(M+1)平方五、实验步骤117实验六测节点位置及透镜组焦距返回实验六测节点位置及透镜组焦距返回118一、实验目的了解透镜组节点的特性，掌握测透镜组节点的方法。二、实验原理光学仪器中的共轴球面系统、厚透镜、透镜组，常把它作为一个整体来研究。这时可以用三对特殊的点和三对面来表征系统在成像上的性质。若已知这三对点和三对面的位置，则可用简单的高斯公式和牛顿公式来研究其成像规律。共轴球面系统的这三对基点和基面是：主焦点（F，F'）和主焦面，主点（H，H'）和主平面，节点（N，N'）和节平面。如附图1，一、实验目的119附图1附图2附图1附图2120实际使用的共轴球面系统——透镜组，多数情况下透镜组两边的介质都是空气，根据几何光学的理论，当物空间和像空间介质折射率相同时，透镜组的两个节点分别与两个主点重合，在这种情况下，主点兼有节点的性质，透镜组的成像规律只用两对基点（焦点，主点）和基面（焦面，主面）就完全可以确定了。实际使用的共轴球面系统——透镜组，多数情况下透镜组两边的介质121根据节点定义，一束平行光从透镜组左方入射，如附图2，光束中的光线经透镜组后的出射方向，一般和入射方向不平行，但其中有一根特殊的光线，即经过第一节点N的光线PN，折射后必须通过第二节点N'且出射光线N'Q平行于原入射光线PN。设N'Q与透镜组的第二焦平面相交于F''点。由焦平面的定义可知，PN方向的平行光束经透镜组会聚于F''点。若入射的平行光的方向PN与透镜组光轴平行时，F''点将与透镜组的主焦点F'重合，如附图3《工程光学实验》课件122综上所述节点应具有下列性质：当平行光入射透镜组时，如果绕透镜组的第二节点N'微微转过一个小角，则平行光经透镜组后的会聚点F'在屏上的位置将不横移，只是变得稍模糊一点儿，这是因为转动透镜组后入射于节点N的光线并没有改变原来入射的平行光的方向，因而N'Q的方向也不改变，又因为透镜组是绕N'点转动，N点不动，附图3综上所述节点应具有下列性质：当平行光入射透镜组时，如果绕透镜123所以N‘Q线也不移动，而像点始终在N’Q线上，故F‘’点不会有横向移动，至于NF‘’的长度，当然会随着透镜组的转动有很小的变化，所以F‘’点前后稍有移动，屏上的像会稍有模糊一点。反之，如果透镜组绕N‘点以外的点转动，则F’‘点会有横向移动，利用节点的这一特性构成了下面的测量方法。使用一个能够转动的导轨，导轨侧面装有刻度尺，这个装置就是节点架。把透镜组装在可以旋转的节点架的导轨上，节点架前是一束平行光，平行光射向透镜组。接着将透镜组在节点架上前后移动，同时使架做微小的转动。两个动作配合进行，直到能得到清晰的像，且不发生横移为止。这时转动轴必通过透镜组的像方节点N'，它的位置就被确定了。并且当N'与H'重合时，所以N‘Q线也不移动，而像点始终在N’Q线上，故F‘’点不124从转动轴到屏的距离为N'F'，即为透镜组的像方焦距f’。把透镜组转180度，使光线由L2进入，由L1射出。利用同样的方法可测出物方节点N的位置。三、实验仪器1、带有毛玻璃的白炽灯光源S2、1/10mm分划板F3、二维调整架：SZ-074、物镜Lo：fo=190mm5、二维调整架：SZ-07从转动轴到屏的距离为N'F'，即为透镜组的像方焦距f’。把1256、透镜组L1、L2：f1=220mm，f2=300mm7、节点架：SZ-258、测微目镜Le（去掉其物镜头的读数显微镜）9、读数显微镜架:SZ-3810、三维底座：SZ-0111、一维底座：SZ-0312、一维底座：SZ-0313、一维底座：SZ-0314、通用底座：SZ-0415、白屏H：SZ-136、透镜组L1、L2：f1=220mm，f2=300126四、仪器实物图及原理图图七四、仪器实物图及原理图图七127五、实验步骤调节由F，Lo组成的“平行光管”使其出平行光，可借助于对无穷远调焦的望远镜来实现。将“平行光管”、待测透镜组、测微目镜，按图七的顺序摆放在平台上，目测调至共轴。前后移动测微目镜，使之能看清F处分划板刻线的像。沿节点调节架导轨前后移动透镜组，（同时也要相应地移动测微目镜），直至转动平台时，F处分划板刻线的像无横向移动为止，此时像方节点N落在节点调节架的转轴上。用白屏H代替测微目镜，使分划板刻线的像清晰的成于白屏H上，分别记下屏和节点调节架在标尺导轨上的位置a、b，再在节点调节架的导轨上记下透镜组的中心位置（用一条刻线标记）与调节架转轴中心（0刻线的位置）的偏移量d。五、实验步骤128把节点调节架转180度，使入射方向和出射方向相互颠倒，重复3、4、5步，从而得到另一组数据a’、b’、d’。六、数据处理1、像方节点N偏离透镜组中心的距离为：d透镜组的像方焦距：f’=a-b物方节点N偏离透镜组中心的距离为：d’透镜组的物方焦距为：f=a’-b’2、用1：1的比例画出该透镜组及它的各个节点的相对位置。把节点调节架转180度，使入射方向和出射方向相互颠倒，重复3129实验七菲涅尔双棱镜干涉返回实验七菲涅尔双棱镜干涉返回130一、实验目的观察双棱镜干涉现象及测定光波波长二、实验原理利用光的干涉现象进行光波波长的测量，首先要获得两束相干光，使之重叠形成干涉，干涉条纹的空间分布既跟条纹与相干光源之间的相对位置有关，又跟光波波长有关，从它们之间的关系式就能测出光波波长。本实验利用双棱镜获得两束相干光，如附图5所示，双棱镜是由两块底边相接、折射棱角α小于1度的直角棱镜组成的，从单缝S发出的单色光的波阵面，经双棱镜折射后形成两束互相重叠的光束，它们相当于从狭缝S的两个虚像S1 和S2射出的两束相干光。于是在波束重叠的区域内产生了干涉，在该区域内放置的屏上可以观测到干涉条纹。一、实验目的131如附图6所示，设S1与S2的间距为d，缝S至观察屏的距离为D，O为观察屏上距S1和S2等距的点，由S1和S2射来的两束光在O点的光程差为零，故在O点处两光波互相加强形成零级亮条纹，而在O点两侧，则排列着明暗相间的等距干涉条纹。附图5附图6如附图6所示，设S1与S2的间距为d，缝S至观察屏的距离为D132对于屏上距O点为x的P点。当D>>d。D>>x时，有δ／d=x/因为D故δ／dx/D即δ=xd/D根据相干条件，当光程差δ满足：（1）δ=2k()时，即在x=k处（k=0、1、2、…），产生亮条纹。（2）δ=（2k-1）时，即在x=（2k-1）处（k=0、1、2、…），产生暗条纹。因此，两相邻亮条纹（或暗条纹）间的距离为干涉条纹的间距为：x=xk+1-xk=d——两个狭缝中心的间距λ——单色光波波长D——狭缝屏到观测屏（测微目镜焦平面）的距离从实验中测得D，d以及x，即可由上式算出波长。对于屏上距O点为x的P点。当D>>d。D>>x时，有δ／133三、实验仪器1、钠光灯（可加圆孔光阑）2、凸透镜L：f=50mm3、二维调整架：SZ-074、单面可调狭缝：SZ-225、二维调整架：SZ-076、菲涅尔双棱镜：7、测微目镜Le（去掉其物镜头的读数显微镜）三、实验仪器1348、读数显微镜架:SZ-389、三维底座：SZ-0110、二维底座：SZ-0211、一维底座：SZ-0312、一维底座：SZ-0313、凸透镜L’：f=150mm14、二维调整架：SZ-0715、通用底座：SZ-01四、仪器实物图及原理图（见图十）8、读数显微镜架:SZ-38四、仪器实物图及原理图（135图十图十136五、实验步骤1、把全部仪器按照图十的顺序在平台上摆放好(图上数值均为参考数值)，并调成共轴系统。钠光灯（可加圆孔光阑）经透镜L聚焦于狭缝上。调节单缝和双棱镜的棱脊平行，而且由单缝射出的光对称地照在棱脊的两侧。2、用白屏H或直接用眼睛观测到干涉条纹后，再用测微目镜中观测。使相干光束处在目镜视场中心，并调节单缝和棱脊的平行度，使干涉条纹最清晰。双棱镜干涉图样，应为等间隔的明暗相间的干涉条纹。五、实验步骤1373、用测微目镜测出干涉条纹的间距x，测出单缝到测微目镜叉丝分划板的距离D，再用二次成像法测出两个虚光源的间距d，由x=xk+1-xk=便可求出光波的波长，并与钠灯的波长实际值比较，分析误差原因。（二次成像法，在数据处理中有讲解）。六、数据处理二次成像法：3、用测微目镜测出干涉条纹的间距x，测出单缝到测微目镜叉丝分138保持图中狭缝、双棱镜的位置不动，加入一已知焦距f=150的透镜放在双棱镜后，使单缝与测微目镜间的距离D>4f，移动透镜成像时，可以在两个不同的位置上，从目镜中看到一大一小两个清晰的缝像（既虚光源S1、S2的像），测出两个清晰的像间距d1及d2，根据物象公式，虚光源S1、S2的间距d=（第一成像）。d=(第二次成像)而s1=，=s2，故即代入公式即可求出波长λ。《工程光学实验》课件139实验八偏振光分析返回实验八偏振光分析返回140一、实验目的观察光的偏振现象，分析偏振光，起偏，定光轴二、实验原理偏振光的基本概念光是电磁波，它的电矢量E和磁矢量H相互垂直，且均垂直于光的传播方向c，通常用电矢量E代表代表光的振动方向，并将电矢量E和光的传播方向c所构成的平面称为光振动面。在传播过程中，电矢量的振动方向始终在某一确定方向的光称为平面偏振光一、实验目的141或线偏振光，如附图15（a）。光源发射的光是由大量原子或分子辐射构成的。由于大量原子或分子的热运动和辐射的随