激光原理及应用实验报告(有详细答案)

实验一实验一 测定空气折射率测定空气折射率 一、实验目的 1、 熟练掌握迈克尔逊干涉光路的调节方法； 2、 学会调出非定域干涉条纹，并测量常温下空气的折射率。 二、实验原理 本实验室建立在迈克尔逊干涉光路的基础上来做的。激光束经短焦距凸透镜会聚后可 得到点光源 S，它发出球面波照射干涉仪，经 G1 分束，及 M1、M2 反射后射向屏 H 的光 可以看成由虚光源 S1、S2 发出的。其中 S1 为点光源 S 经 G1 及 M1 反射后成的像，S2 为 点光源 S 经 M2 及 G1 反射后成的像。这两个虚光源 S1、S2 发出的球面波，在它们能相遇 的空间里处处相干，即各处都能产生干涉条纹。我们称这种干涉为非定域干涉。随着 S1、S2 与屏 H 的相对位置不同，干涉条纹的形状也不同 。当屏 H 与 S1、S2 连线垂直时 （此时 M1、M2 大体平行） ，得到园条纹，圆心在 S1、S2 连线与屏 H 的交点 O 处。当屏 H 与 S1、S2 连线垂直平分线垂直时（此时 M1、M2 于 H 的距离大体相等） ，将得到直线 条纹。 图 1 实验装置 三、实验方法和步骤 1、测空气的折射率 调出非定域条纹干涉后，改变气室 AR 的气压变化，从而使气体折射率改变，引 起干涉条纹“吞”或“吐”N 条。则有，于是得 （1）其中 D 为气室烦人厚度。 理论上，温度一定，气压不太大时，气体折射率的变化量与气压变化量成正比： （常数） 故p，将式（1）代入可得 2、 实验步骤 1）将各器件夹好，靠拢，调等高。 2）调激光光束平行于台面，按图所示，组成迈克耳孙干涉光路（暂不用扩束器） 。 3）调节反射镜 M1 和 M2 的倾角，直到屏上两组最强的光点重合。 4）加入扩束器，经过微调，使屏上出现一系列干涉圆环。 5）紧握橡胶球反复向气室充气，至血压表满量程（40kPa）为止，记为p。 6）缓慢松开气阀放气，同时默数干涉环变化数 N，至表针回零。 7）计算实验环境的空气折射率 四、实验数据与处理 测量次数123456 干涉环变 化数 N 626464636264 平均值63.5 空气折射 率 n 1.00025 五、思考题 1、实验中怎样才能观察到非定域的直条纹和双曲线条纹？ 答：直接用激光加扩束镜干涉前不加毛玻璃，干涉后在毛玻璃屏上观察。 2、 在迈克尔干涉光路中分束板 G1 应使反射光和透射光的光强比接近 1:1，这是为什么？ 答：这样才能使干涉条纹的衬比度最大。两束相干光只有在光强相等时，才能出现暗 条纹强度为零，否则最暗处强度不等于零，使衬比度下降，效果不好。 3、 同一气室，在不同温度下，折射率有何变化？ 答：由于温度不一样的原因，导致空气密度改变，直接影响了折射率，其实主要影响 的是空气的水蒸气。 实验二实验二 全息照相全息照相 一、实验目的 1、 学习掌握全息照相的基本原理和实验技术； 2、 初步掌握拍摄全息照片和再现信息的方法； 3、 了解全息照相技术的主要特点，并与普通照相进行比较； 4、 了解照相显影、定影、冲洗等暗室技术。 二、实验原理 1、 全息照相与普通照相的主要区别 普通照相是根据几何光学成像原理，记录下光波的强度（即振幅）信息，将空间物体 成像在一个平面上。全息照相是利用光的干涉和衍射原理，将物体发射的特定光波以干涉 条纹的形式记录下来，并在一定的条件下使其再现，形成逼真的原物立体像。由于记录了 物体的全部信息（振幅和相位） ，因此称为全息照相。全息照相包含两个过程：记录和再现。 2、 光的干涉全息记录的获得 全息照相是一种干涉技术。激光器射出的激光束通过分束镜分成两束，透射光经反射 镜反射及扩束镜扩束后射到被摄物体上，再经物体漫反射到感光底片上，这束光称为物光。 另一束反射光经反射镜和扩束镜扩束后直接投射到感光底片上，这束光称为参考光。由于 激光是相干光，物光和参考光又都由同一激光器发出，所以在感光底片上迭加的结果会形 成干涉条纹，条纹的疏密和形状反映了物光束的相位，条纹的强度反映了物光束的振幅。 感光底片经显影、定影和漂白后，最后得到的是一块结构复杂的光栅，它记录下物光束的 全部信息，称为全息照片或全息图。 3、 光的衍射全息照相的再现 一张全息图片相当于一块复杂的“衍射光栅” ，而物象再现过程就是光的衍射过程。一 般用相当于拍摄时的激光照射全息图片，就能在全息图片衍射光栅的衍射光波中得到 一列零级衍射光波和两列一级衍射光波。 4、 全息照相的主要特点 （1）立体感强。 （2）具有分割性。 （3）同一张全息底片可重叠多个全息图。 三、实验步骤 （一）全息记录 A、调节光路 1）按装置图的相对位置放好各器件，拿下 L1 和 L2，调等高 2）使物光束与参考光束的光程近似相等，夹角在 30-40之间 3）调 M1 的倾角，使光束射在物的中间部位，调 M2 的倾角，使参考光束射在全息干 板的中部 4）加入 L1，调其支架并前后移动，使扩束镜恰好照全物体，加入 L2，调其支架并前 后移动，使参考光束对准白屏，与物光束的光强比在 5:1-10:1 之间 B、曝光照相 关闭激光器，打开暗绿灯，取下观察屏，安装全息干板后，进行曝光。 C、冲洗处理：显影，停影，定影，清水冲洗、晾干。 （二）全息图像的观察 A、观察再现虚像：将全息照片放回原记录光路中的原位置，遮住物光（最好将原物 体移开） ，用参考光束照亮全息照片，可在全息照片上观察到立体的再现物体的虚像。 B、全息照相特点的研究 四、实验结果 一元硬币的全息照片： 五、思考题 1、在拍摄全息相片时，为什么要求 O 光和 R 光的光程尽量相等？ 答：在拍摄全息相片时，要求 O 光和 R 光满足光的干涉条件。当 O 光和 R 光的光程 差比较大时，O 光和 R 光不在满足光的干涉条件，因而不能拍摄出全息相片。 2、在全息底片重迭处，O 光和 R 光的光强之比为 1:1 时，其拍摄效果是不是最好？为什么？ 答：不是最好。因为在全息底片的乳胶特性曲线中，当光强为零时，其黑度与光强不 成线性关系，此时拍摄出来的全息底片在再现时，会存在一定的畸变。 实验三实验三 电子散斑测量电子散斑测量 一、实验目的 1、 了解电子散斑干涉原理 2、 掌握干涉光路及图像处理软件 二、实验原理和方法 电子散斑干涉法是用激光光束直接照射到测试表 面，再用电子摄像机采集其变形前后表面散斑颗粒干 涉形成的条纹，以测定其离面位移的一种新型、先进 的测试技术。 下图为测量离面位移的光路，有激光器 1 发出的 激光束，经扩束镜 2 及准直镜 3 形成光斑放大了的准 直光，再经分光镜 4 分成两束，一束照射到反射镜 5 在返回，另一束照射到被测物 6 的表面在返回，两束返回的光束干涉形成干涉条纹， 也就是一系列等位移线 N，则离面位移为： 三、实验步骤 1） 把平台摆好，并调平。 2） 各个实验仪器的中心高度调至共轴 3） 使激光器发出的光束平行于工作平台的工作面，分别放入扩束镜和准直镜，调节 准直镜，使通过它的被扩束的激光变成平行光，平行光束应通过放入光路中的部 件的中心且平行于平台。 4） 放入被测物品和 CCD 摄像机，调节分光镜上二维调整台的微调旋钮，使物品反射 的光的中心照射到 CCD 摄像机接收表面上。 5） 放入平面反射镜，调节后得到的图像的干涉条纹最清晰且为中心位置 6） 给物品加上适当的压力，并拍摄下其变形后的干涉条纹 7） 利用电子散斑干涉的处理软件对其图像处理 四、思考题 如果本实验采用平行光照明，从理论上看测试精度将有何变化，光路应做何调整？ 答：平行光照明直接观察其条纹时，还能得到更多的信息。散斑图用平行光照明，在 其前方距离为 S 处设一屏，在屏上任一点 O 开一小孔进行观察，当只考虑散斑图上某一点 P 时，就相当于用逐点进行观察，在前方屏上将出现杨氏条纹，