光学平台组件实验.docx

光学平台组件应用实验实验内容：第一次课熟悉平台组件功能和光路调整，利用光学平台提供的组件完成光学实验， 1.测薄凸透镜焦距2.自组望远镜系统3.平行光产生和检验第二次课利用光学平台提供的组件完成偏振光实验1.偏振光的产生于检验2.布儒斯特角测定3.验证马吕斯定律4.了解波片作用，研究圆偏光和椭偏光产生和检验光学平台组件清单序号型号名称重要指标数量1DH-HNK250氦氖内腔激光器250mm;TEM00;2mW12GCO-01M空间滤波器含40X物镜，三种规格针孔13GCM-085850M 50.8 镜架24GCM-081150M 50.8 镜架35GCL-010212双凸透镜50.8 f150双棱镜干涉26GCL-010101被测目镜6f9.8mm测目镜焦距17GCM-081106M6 镜架18GCL-010215显微物镜 10 f15mm显微镜组装19GCM-081110M10 镜架110GCL-010213物镜50.8 f250mm望远镜组装111GCL-010172聚光镜50.8 f50mm幻灯机组装，双棱镜干涉112GCL-010176放映物镜50.8f200mm幻灯机组装113GCL-01014740 f200214GCL-01014540 f80215GCC-102104反射镜40 加强铝316GCM-085840M40镜架517GCC-411102五五分光平片25.4,450-650nm218GCM-0858254M254镜架219GCM-420101磁座1220GCM-1302干板夹321GCM-03030276 套筒1222GCM-03011276支杆1223GCM-181101M激光管夹持器GCM-180201M124小磁座转接板125GCM-560102M狭缝126GCM-5701M光阑127GCL-200101毛玻璃128GCL-200202白屏100x100x2129GCL-050003偏振片230GCL-0606241/4波片131GCL-0606341/2波片132GCM-0902M偏振片/波片架433GCM-1101M旋转台134GCM-0702M棱镜架135GCI-060411准直光检验器236GCI-060411led光源白光137GCG-YP907二维测量分划板138GCM-081120M分划板镜架139卷尺140双缝（多缝板）杭光141jx8测微目镜杭光142PT-38读数显微镜架杭光143PT-13白屏杭光144PT-14品字形物像屏杭光145平台面包板长富600*1200*8/12不锈钢146光功率计方式1光学平台组件应用实验参考资料目录1.光学平台组件应用实验41.1.光学实验基础知识4基本常识4基本知识41.2.光学平台组件的工作原理及调试方法5实验目的5实验原理5实验步骤10思考题101.3.薄透镜焦距测量及透镜系统基点位置测量101.3.1.自准直法测焦距111.3.2.二次成像法（位移法）测焦距131.3.3.透镜系统基点测量141.4.显微镜与望远镜原理与应用171.4.1.显微镜搭建与光学系统分辨率检测171.4.2.望远系统的搭建和参数测量201.5.偏振光实验23实验目的24实验原理24实验器材28实验步骤281. 光学平台组件应用实验1.1. 光学实验基础知识基本常识光学平台提供水平、稳定的台面，一般平台都需要进行隔振等措施，保证其不受外界因素干扰，使实验正常进行。所有光学镜片(透镜、平面镜、棱镜、光栅、波片、偏振片、分光镜等等)通光面不能用手触摸，需要清洁时必须用专用镜头纸。用于固定镜片的支架上的固定螺钉和调节螺钉要轻扭。白炽灯是复色光源（白光由红、澄、黄、绿、青、蓝、紫色光混合而成）；汞灯是由部分线状谱的光混合成的复色光源；钠灯是准单色光源（有两条非常相近的波长），可以用于干涉实验的光源，只是光强较弱不方便观测；激光是单色光源（一种波长），是用于干涉实验的光源。用于实验的光学仪器，在做实验前应首先了解各部分的调节功能、作用和调节范围，以及标尺的读数方法。基本知识光学实验仪器（如：分光计、迈克尔逊干涉仪、读数显微镜、棱镜摄谱仪），可以用来做多种测试实验。分光计可以用于三棱镜的顶角角度测量，某一波长的色散及色散曲线测量，光栅衍射及光谱观测，某透明体的折射率测量。实验用光源有汞灯、钠灯或激光器。迈克尔逊干涉仪可以用于未知激光波长的实验测量，微位移的测量，当用平行光入射时，还可以进行面形变、气体折射率或温度场的实验观测。读数显微镜以钠灯为光源可以进行微小尺寸、球面半径的测量，还可以进行固体热胀系数、液体折射率等的测量。棱镜摄谱仪可以拍摄各种光源（复色光）的光谱，还可以测量某一线状光的波长。在光具座上可进行的光学实验有：薄透镜的焦距测定，典型光学系统（显微镜、望远镜）的设计，偏振现象的观测，双棱镜的干涉、激光或钠光灯的波长测量等。在光学平台上可以进行各种各样的光学实验，除上述的各种光学实验外，还可以进行许多设计性和研究性的实验、全息干涉测量或全息照相实验。全息照相分为两个步骤：全息记录和再现。从物理角度说，全息记录是两束光（物光和参考光）的干涉图样的拍摄和冲洗；全息再现是通过干涉图片产生的衍射图像。所有干涉类的实验，防震是最重要的要求，其次，根据光的时间相干性，进行干涉的两束激光（或钠光）只能从一个光源分出（分振幅或分波面），且两束光的光程差不能太大。两个同样的激光器会因为此而不能进行干涉。1.2. 光学平台组件的工作原理及调试方法本实验介绍光学系统主要部件的设计原理和基本调试方法，其中基本技能的训练同样适用于其他光学实验。实验目的（1） 了解光学系统主要部件的设计原理，熟悉其调节方法。（2） 学习扩束准直系统的调节和使用。（3） 学习平行光束的调整方法。实验原理1. 光学系统主要部件光学系统，一般由光源、光路转向系统、分光系统、扩束系统、成象系统及各种专用部件构成。（1） 光源：用于产生实验所用的光，根据实验需要采用不同的光源，常用光源有卤素灯、汞灯、钠灯、氦氖激光等。（2） 光路转向系统：主要包括光束升降器及各种反光镜。光束升降器能使激光束的高度提升及转向，有的光束升降器还带有俯仰微调装置；反光镜的功能是使光路转向。这两类组件中的光学元件都是外表面镀膜的反光镜。（3） 分光系统：分光系统的功能是将一束激光按要求的比例分成两束，是全息实验及其它有关实验中不可缺少的部件。分光比 h 定义为式中I1、I2是被分开的两光束的强度。按照分光的原理，可分成几何分光及物理分光两大类。几何分光意味着在能量分配的过程中，光束主要发生几何状态的变化，例如传播方向等，最常见的是利用折射及反射现象的分光镜；物理分光表示伴随能量分配，光波的物理状态（或结构）发生变化。例如偏振态的变化。按照分光比h 的变化范围及形式，又可分为分级分光及连续分光两类。（4） 扩束系统：通常是一个短焦距的透镜或透镜组（例如显微镜的物镜），用以把细窄的激光束扩大，使之照明整个物体或全息干板。扩束时，通常还需进行准直和空间滤波。（5） 成象系统：主要是傅立叶透镜，是一个高质量消象差的透镜。在一般系统中，用一对傅立叶透镜构成4F系统。在简单系统中，一个傅立叶透镜兼变换及成象作用。光学系统各部件除激光器外都安装在可调支架上，通过可调螺旋支架能做上下、左右、前后的平动，及绕水平和垂直轴的小角度转动。调节时手不要碰摸光学元件，不要对着光学元件呼气。各元件间的布局要合理，不要影响调节。部件的底部都有一个磁性表座，调好后，应将磁性表座锁紧在光学平台上。2. 扩束准直系统的调节和使用激光束的面积很小，一般都需经过扩束及准直，必要时还需加上针孔滤波器，使其成为面积较大的均匀光斑。激光扩束镜通常使用半球形扩束镜或显微镜物镜。在扩束镜的焦点上放置针孔滤波器，在针孔滤波器后面放置准直镜。准直透镜与扩束镜构成倒装的伽利略望远镜系统，如图 11。为了获得均匀的平行光，必须使光学元件的方位符合尽量减少像差的条件。首先应使激光束与全息台面平行，其他光学元件必须共轴。而且，要求发散或会聚的光束应朝向扩束镜及准直镜的曲率半径R大的表面或平面；平行光应朝向R小的表面。通常可用灯丝的反射光来判断R的大小。图 11 伽利略望远镜系统1 激光器 2 扩束镜 3 针孔滤波器 4 准直透镜3. 针孔滤波器激光器发生的光束是高度相干的，即使遇到很小的灰尘，散射后的光束也会产生干涉，形成很多斑点。扩束后这种斑点可以看得非常清楚。对于全息图来说，这些斑点就是“噪声”，其存在将影响全息图的质量。针孔滤波器的作用就是让所需要的光束从针孔中通过，而将经灰尘散射后的光挡住。其基本原理如下：由频谱分析的原理我们知道，激光器发出的光束基本上是均匀的，其频谱成分主要是基频（零频），经灰尘散射后所形成的斑点的频谱成分主要是高频。从傅立叶光学关于空间滤波器的原理来分析，针孔滤波器就是一个低通滤波器。细窄平行的激光束射到扩束镜后，在扩束镜的后焦面上得到了频谱，将针孔滤波器放在后焦面（频谱面）上，并且仅让零频通过针孔而挡住了散射光的频谱，这时由针孔出射的就是非常干净的、均匀的光束。当针孔的中心准确地位于扩束镜后焦点时，针孔的出射光强与入射光强几乎没有什么差别。实际调节针孔是一件非常耐心细致的工作，需反复调节。 4. 调整扩束镜(1) 准备工作：先把激光束调到合适的高度，并使光束与工作台面平行。然后放上扩束镜。(a)激光束与扩束镜光轴重合 (b)激光束与扩束镜不同心 (c)激光束与扩束镜方向不同图 12 扩束镜的光轴与激光束的光轴位置示意图 (2) 在扩束镜L1前放一中心带孔的光屏A，孔的直径约为35mm，让激光束无遮挡的通过，在扩束镜后也放一光屏B。A、B两个光屏离扩束镜约在510cm左右。调整好的扩束镜的光轴必须与激光束的光轴重合，如图 12（a）所示，即要求两者同位置同方向。这可借助于A和B两个光屏上的光斑来判断是否达到了要求。可先调L1使屏上的光斑尽可能均匀、对称，可由调节L1的横向坐标来实现。然后在屏上仔细找类似于牛顿环样的干涉圆环。由于光很弱或是没有调整好，圆环出现在远离中心的地方如图 12 (b)所示，甚至看不到圆环。干涉圆环是由扩束镜前后两曲面对入射光的部分反射，在屏上相干涉形成的，仔细找到出现在屏上的圆环，然后慢慢调整扩束镜的两个旋转微调，直到A、B二屏上的圆环中心与激光束重合为止。通常要反复几次调平移微调及旋转微调才能达到。调好的圆环如图 13(a)所示。 (a)已调准 (b)未调准图 13干涉圆环图样5. 调针孔滤波器由于针孔滤波器微调机构的x、y、z三个方向的平移范围很小，一般只有35mm，所以开始要用光屏找到光束会聚点的位置。使针孔的三个微调旋钮都处在可调的中间部位。然后把针孔架放好，使针孔尽可能处于焦点处。一开始从针孔中过来的光可能很少，只能用肉眼对着针孔的后面观察才能看到一点亮光。为了调整有效，这时应把下面的磁性座锁紧。先仔细微调x方向和y方向，使透过的光最强。如看不到通过针孔的光，可采用离焦法。使针孔沿z轴向远离焦点的位置移动几毫米后再观察。这时针孔处于扩展的光场中，易于使光通过针孔，肉眼也便于观察。如果无论如何也看不到针孔的光，就可能是针孔被灰尘堵塞，可用吹气球把灰尘吹掉。6. 微调针孔最佳位置当用肉眼观察到通过针孔的光较强时，即可用光屏观察。依次调节x、y、z三个方向的微动机构，使屏上的光越来越强。由于越接近最佳位置，越容易失调，稍有偏离，屏上的光就会完全消失，所以要尽量仔细、轻微、缓慢的进行。x、y、z三个方向的平移微调钮，要一个一个地调，不要两个一起调。三个调好之后要锁紧，使处于最佳位置。7. 平行光的产生与检验激光束经过扩束镜会聚及针孔滤波器后，由针孔出射的是一束发散的同心光束，一般要用准直镜将它调成平行光。准直镜一般用口径较大焦距较长的双胶合透镜来担任，这样可以得到面积较大的光束，处理较大的图象。在要求不太高的场合，用薄的单片凸透镜也可以。下面介绍用准直镜获得平行光的方法。（1） 把准直镜放在针孔后面，使准直镜较平的一面对着扩束镜，另一面为光束的输出面。（2） 粗略移动准直镜，使其前焦点大致与扩束镜的后焦点（即针孔所在位置）重合。（3） 用光屏放在准直镜后观察输出光束与准直镜边框的影子，横向平移准直镜，使光斑处于框影的中央位置。（4） 旋转准直镜，使光轴与激光传播方向一致。可以从扩束镜前面顺着激光传播方向观察准直镜，可以看到随准直镜光轴转动的三个光点，此三个光点是激光束透过准直镜时，由透镜玻璃的三个球形表面部分反射回来的光形成的。当此三个光点的连线与激光束传播方向重合时（目视）即可认为准直镜的光轴方向已调好。（5） 用平晶检查输出光是否平行。平晶是两个表面严格平行的一块玻璃。由薄膜干涉的理论知道，一束光射到平晶上后，在前、后两个界面反射的光束将发生干涉。由于平晶各处的厚度相等，故光程差由光的入射角度决定。当入射光调整为平行光时，光程差处处相等，整个光场上的光强应均匀分布，看不到干涉条纹。然而由于平晶两表面不可能绝对平行，而且其折射率也存在某种不均匀性，所以即使平行光照射时，也会看到干涉条纹，但这时干涉条纹的间隔应为最大。调节时，将平晶放在准直透镜后面使其与入射光成一角度，观察平晶前后表面反射光形成的干涉条纹，沿z轴平移准直透镜位置，直至条纹间隔为最大。如图 14所示。图 14 平晶检查输出光是否平行示意图（6） 用自准直法检查输出光平行与否。可用一块平面反射镜，放在准直镜后，使准直镜的输出光经平面镜反射回来。并将针孔滤波器拿掉（可在调好平行光后再调针孔滤波器）。用一带孔的光屏放在扩束镜的会聚点上，使激光束从屏孔中无阻挡的通过。这样由平面镜反射回来的光经准直镜后又会聚到带孔的屏上。转动反射平面镜使会聚光斑在小孔的近旁。当前后移动准直镜时可看到光斑的大小在变化。当光斑最小时即认为已经调好，这时由准直镜输出的光为平行光。实验步骤（1） 将出射激光扩束。（2） 用针孔滤波器滤波。（3） 调节平行光，并用平晶和自准直法检查输出光平行度。思考题（1） 用平晶检查输出光时，为什么条纹最少时即为平行光？（2） 用自准直法检查输出光时，为什么会聚光斑最小是即为平行光？1.3. 薄透镜焦距测量及透镜系统基点位置测量透镜分为会聚透镜和发散透镜两类，当透镜厚度与焦距相比甚小时，这种透镜称为薄透镜。如图15所示，设薄透镜的像方焦距为，物距为，对应的像距为，在近轴光线的条件下透镜成像的高斯公式为故图15 透镜成像原理图应用上式时必须注意各物理量所适用的符号法则。在本实验中我们规定，距离自参考点(薄透镜光心)量起。与光线行进方向一致时为正，反之为负，运算时已知量须添加符号，未知量则根据求得结果中的符号判断其物理意义。测量会聚透镜焦距的一般方法有：靠测量物距与像距求焦距。具体方法是：用反射照明光后的实物作为光源，其发出的光线经会聚透镜后，在一定条件下成实像，可用白屏获取实像加以观察，通过测定物距和像距，利用式即可算出。但是此种方法精度不高。1.3.1. 自准直法测焦距自准直法是光学实验中常用的方法。在光学信息处理中，自准直法测量透镜焦距，简单迅速，能直接测得透镜焦距的数值。在光学信息处理中，多使用相干的平行光束，而自准直法作为检测平行光的手段之一，仍不失为一种重要的方法。1. 实验目的（1）学会调节光学系统共轴。（2）掌握薄透镜焦距的常用测定方法。（3）研究透镜成像的规律。2. 基本原理如图 16 自准直法测会聚透镜焦距原理图所示，若物体AB 正好处在透镜L的前焦面处，那么物体上各点发出的光经过透镜后，变成不同方向的平行光，经透镜后方的反射镜M把平行光反射回来，反射光经过透镜后，成一倒立的与原物大小相同的实象AB，像AB位于原物平面处。即成像于该透镜的前焦面上。此时物与透镜之间的距离就是透镜的焦距f ，它的大小可用刻度尺直接测量出来。图 16 自准直法测会聚透镜焦距原理图3. 实验仪器（1） 激光平行光源（包括激光器,扩束镜，准直镜等）（2） 干板架（3） 目标板（4） 待测透镜（ = 40.0mm，f = 200.0mm）（5） 反射镜（6） 二维调节透镜/反射镜支架（7） 光学平台，支杆，调节支座4. 实验步骤（1）参照图 17 自准直光路装配图，沿滑轨装妥各器件，并调至共轴。图 17 自准直光路装配图（2）移动待测透镜，直至在目标板上获得镂空图案的倒立实像；（3）调整反射镜，并微调待测透镜，使像最清晰且与物等大（充满同一圆面积）；（4）分别记下目标板和被测透镜的位置、；（5）计算：；（6）重复几次实验，计算焦距，取平均值。1.3.2. 二次成像法（位移法）测焦距二次成像法（也称位移法）测量焦距是通过两次成像，测量出相关数据，通过成像公式计算出透镜焦距。1. 实验目的（1） 学会调节光学系统共轴。（2） 掌握薄透镜焦距的常用测定方法。（3） 研究透镜成像的规律。2. 基本原理由透镜两次成像求焦距方法如下：图 18 透镜两次成像原理图当物体与白屏的距离时，保持其相对位置不变，则会聚透镜置于物体与白屏之间，可以找到两个位置，在白屏上都能看到清晰的像如图 18 所示，透镜两位置之间的距离的绝对值为，运用物像的共扼对称性质，容易证明 上式表明只要测出和，就可以算出由于是通过透镜两次成像而求得的，这种方法称为二次成像法或贝塞尔法这种方法中不须考虑透镜本身的厚度，因此用这种方法测出的焦距一般较为准确3. 仪器用具（1） 激光平行光源（包括激光器,扩束镜，准直镜等）（2） 干板架（3） 目标板（4） 待测透镜（=40.0mm，f =80.0mm）（5） 光屏（6） 二维调节透镜/反射镜支架（7） 导轨，滑块，支杆，调节支座等4. 实验步骤（1）布置各器件并调至共轴，使目标板与光屏之间的距离；（2）移动待测透镜，使被照亮的目标板在光屏上成一清晰的放大像，记下待测透镜的位置和目标板与分划板间的距离；（3）再移动待测透镜，直至在像屏上成一清晰的缩小像，记下L的位置，判断清晰像时在像屏位置放上反射镜，当目标板成像与目标图案完全重合时，为清晰像；（4）计算：（5）重复几次实验，计算焦距，取平均值。1.3.3. 透镜系统基点测量每个厚透镜及共轴球面透镜组都有六个基点。即两个焦点,；两个主点,；两个节点,。1. 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2. 基本原理（1）主面和主点若将物体垂直于系统的光轴，放置在第一主点处，则必成一个与物体同样大小的正立的像于第二主点处，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 19中的和。（2）节点和节面节点是角放大率的一对共轭点。入射光线（或其延长线）通过第一节点时，出射光线（或其延长线）必通过第二节点，并与的入射光线平行（如图 19）。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。图 19 透镜组光路示意图（3）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称为像方焦点；过垂直于主轴的平面称为像方焦面。第二主点到像方焦点的距离，称为系统的像方焦距。此外，还有物方焦点F及焦面和焦距f。图 110 测量基点示意图综上所述，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）。设L为已知透镜焦距等于的凸透镜，L.S.为代测透镜组，其主点（节点）为H、(、），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.将成像于L.S.的后焦面上。因为，所以，即，所以（3-1）因此我们可以通过测量的大小，从而得到的数值。因为是平行光入射到透镜组上，所以像的位置就是的位置。的位置既然确定，而，因此的位置也就确定了。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，所以和的位置也得到确定。3. 仪器用具（1） 激光平行光源（包括激光器,扩束镜，准直镜等）（2） 干板架（3） 目标板（4） 标准透镜（ = 40.0mm，f = 80.0mm） （5） 一维调节滑块导轨，滑块，支杆，调节支座等（6） 节点器（含两 = 40 透镜，f =200 和f =350）（7） 固定套（8） 支杆底座（GCM-5305M）（9） 反射镜（10） 二维调节透镜/反射镜支架4. 实验步骤（1）安置各器件，调整各光学元件同轴等高。（2）借助反射镜调节目标板（目标板图案为正方形，边长10mm）与标准透镜（透镜焦距为 f0）之间的距离，使目标板（物方图案宽度为h1 ）位于透镜L0的前焦面。（自准直法）（3）借助反射镜找到节点器后方清晰像的位置a ，用分划板替换平面镜，测量清晰像的宽度h2 。记录节点器在导轨上的位置b ，从节点器上读出透镜L2 的偏移量c 。（4）计算像方焦距 像方主点与节点器中透镜光心的距离为 （5）将节点架旋转180，重复第3 步，测得数据，c计算物方焦距，物方主点与节点器中透镜光心的距离。（6）绘图标示节点器中透镜组的主面及基点位置。1.4. 显微镜与望远镜原理与应用1.4.1. 显微镜搭建与光学系统分辨率检测显微镜主要是用来帮助人眼观察近处的微小物体，显微镜与放大镜的区别是二级放大。通过本实验使学生更了解显微镜的原理，自己搭建显微镜，测量相关参数。1. 实验目的（1）学习显微镜的原理及使用显微镜观察微小物体的方法；（2）学习测定显微镜放大倍数的方法；（3）测量显微镜的分辨本领。2. 基本原理最简单的显微镜是由两个凸透镜构成。其中，物镜的焦距很短，目镜的焦距较长。它的光路如图 111所示。图中的为物镜（焦点在和），其焦距为；为目镜，其焦距为。将长度为的被观测物体AB放在的焦距外且接近焦点处，物体通过物镜成一放大倒立实像(其长度为)，此实像在目镜的焦点以内，经过目镜放大，结果在明视距离D上得到一个放大的虚像（其长度为）。虚像对于被观测物AB 来说是倒立的。由图 111可见，显微镜的放大率为 式中，(因 )，为目镜的放大率； （因比大得多），为物镜的放大率。为显微物镜焦点 到目镜焦点之间的距离，称为物镜和目镜的光学间隔。因此式可改写成 由式可见，显微镜的放大率等于物镜放大率和目镜放大率的乘积。在、和D 为已知的情形下，可以利用式算出显微镜的放大率。图 111 简单显微镜的光路图3. 仪器用具（1） 白光点光源（2） 开口式二维调节透镜/反射镜支架（3） 光源探头夹持器（4） 显微目镜（10X，带分划板）（5） 干板架（6） 支杆底座（GCM-5305M）（7） 毛玻璃（8） 干板架（9） 分辨率板（10） 显微物镜（ = 20.0mm, f = 50.0mm）（11） 导轨，滑块，支杆，调节支座等4. 五、实验步骤（1）参照图 111布置各器件，调整光学元件同轴等高。（2）将透镜和之间的距离定位195mm。（3）观测分辨率板上线数对为10 的区间，从目镜分划板上读出此区间的长度。（4）计算显微镜的物镜放大率。（5）观察分辨率板，记录能够清晰分辨的分辨率板区间。1.4.2. 望远系统的搭建和参数测量望远镜是帮助人们看清远处物体以便观察、瞄准与测量的一种助视仪器，通过本实验使学生更加了解望远镜原理，自己搭建望远镜，测量相关参数。1. 实验目的（1）学习了解望远镜的构造及原理；（2）学习测定望远镜放大倍数的方法；（3）理解分辨本领的含义。2. 基本原理望远镜是如何把远处的景物移到我们眼前来的呢？这靠的是组成望远镜的两块透镜。望远镜的前面有一块直径大、焦距长的凸透镜，名叫物镜；后面的一块透镜直径小焦距短，叫目镜。物镜把来自远处景物的光线，在它的后面汇聚成倒立的缩小了的实像，相当于把远处景物一下子移近到成像的地方。而这景物的倒像又恰好落在目镜的前焦点处，这样对着目镜望去，就好象拿放大镜看东西一样，可以看到一个放大了许多倍的虚像。这样，很远很远的景物，在望远镜里看来就仿佛近在眼前一样。常见望远镜可简单分为伽利略望远镜，开普勒望远镜等。伽利略发明的望远镜在人类认识自然的历史中占有重要地位。它由一个凹透镜（目镜）和一个凸透镜（物镜）构成。其优点是结构简单，能直接成正像。但自从开普勒望远镜发明后此种结构已不被专业级的望远镜采用，而多被玩具级的望远镜采用，所以又被称做观剧镜。开普勒望远镜：原理由两个凸透镜构成。由于两者之间有一个实像，可方便的安装分划板，并且各种性能优良，所以目前军用望远镜，小型天文望远镜等专业级的望远镜都采用此种结构。但这种结构成像是倒立的，所以要在中间增加正像系统。图 112 开普勒望远镜光路示意图为能观察到远处的物体，物镜用较长焦距的凸透镜，目镜用较短焦距的凸透镜。远处射来光线（视为平行光），经过物镜后，会聚在它的后焦点外离焦点很近的地方，成一倒立、缩小的实像。目镜的前焦点和物镜的后焦点是重合的。所以物镜的像作为目镜的物体，从目镜可看到远处物体的倒立虚像，由于增大了视角，故提高了分辨能力，见图 112。当观测无限远处的物体时，物镜的焦平面和目镜的焦平面重合，物体通过物镜成像在它的后焦面上，同时也处于目镜的前焦面上，因而通过目镜观察时成像于无限远，此时望远镜的放大率为： 由此可见，望远镜的放大率等于物镜和目镜焦距之比。若要提高望远镜的放大率，可增大物镜的焦距或减小目镜的焦距。当用望远镜观测近处物体时，其成像的光路图可用图 113来表示。图中、和、分别为透镜和成像时的物距和像距，是物镜和目镜焦点之间的距离，即光学间隔（在实用望远镜中是一个不为零的小数量）。由图 113可得 图 113 观察近处物体时望远镜的光路图故观察近处物体时望远镜的放大率为在满足近轴光线和薄透镜条件前提下，利用透镜成像公式，可得为了把放大的虚像与物体直接比较，必须使和处于同一平面内，即要求。同时引入望远镜镜筒长度，并利用和两个表达式，得在测出、和后，由式可算出望远镜的放大率。显然当物距 时，因式中括号内的量接近于1，式变回式。望远镜的分辨本领用它的最小分辨角来表示。由光的衍射理论知：式中， 为照明光波的波长，D 为望远镜物镜的孔径，角度的单位是弧度。即两个物体如果对望远镜的张角小于（理论）值。则望远镜将无法分辨它们是两个物体（两个物体重叠成一个像）。3. 仪器用具（1） 标尺（2） 干板架（3） 磁力表座（4） 物镜（40.0，f 150.0）（5） 一维调节滑块（6） 一维调节滑块（7） 目镜（ =20.0mm，f = 30.0mm； = 20.0mm，f =-40.0）（8） 导轨，滑块，支杆，调节支座等五. 实验内容（1）按照图 112组装开普勒望远镜（物镜选择f =150mm，目镜选择f = 30mm），调整光学元件同轴等高。（2）将标尺安放在距离望远镜物镜大于1 米处，用一只眼睛直接观察标尺，同时用另外一只眼睛通过望远镜的目镜看标尺的像，并对准标尺上两个红色标记间的区间，长度为L。经适应性练习，获得被望远镜放大的和直观的标尺的叠加像。（3）测出红色标记内标尺的长度，则其放大率为（4）量出望远镜的镜筒长度l和物距，按照式计算其放大率，并与实验观察出来的放大率进行比较。（5）替换目镜（f = -40mm），搭建伽利略望远镜，重复（2）（3）（4）步。（6）由波长和物镜孔径，理论计算望远镜的的最小分辨角。1.5. 偏振光实验光波是一种电磁波、因此，光波的传播方向就是电磁波的传播方向，所以光波的速度与电矢量E和磁矢量H相互垂直。在光波的影响中，通常H的影响是较小的， E的影响最大，所以通常把E称为光矢量，光的偏振态也是由E来决定。光的偏振现象是光学中一种重要现象，是验证光是横波的重要依据。本实验通过对偏振现象的理论分析，并从实验操作入手，通过观测各波片之后的偏振态变化和偏振光的光强，对光的偏振现象作出理论与实验的解释。实验目的（1） 了解光的偏振态的性质；（2） 了解波片的作用及圆偏光和椭偏光的；（3） 验证马吕斯定律；利用布儒斯特角测量介质的折射率；实验原理按照光的电磁理论，光波就是电磁波，电磁波是横波，所以光波也是横波。在大多数情况下，电磁辐射同物质相互作用时，起主要作用的是电场，因此常以电矢量作为光波的振动矢量。其振动方向相对于传播方向的一种空间取向称为偏振，光的这种偏振现象是横波的特征。图 Error! 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Main Document Only. 自然光根据偏振的概念，如果电矢量的振动只限于某一确定方向的光，称为平面偏振光，亦称线偏振光；如果电矢量随时间作有规律的变化，其末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆（或圆），这样的光称为椭圆偏振光（或圆偏振光）；若电矢量的取向与大小都随时间作无规则变化，各方向的取向率相同，称为自然光，如图 114所示；若电矢量在某一确定的方向上最强，且各向的电振动无固定相位关系，则称为偏振光。凡是电振动只限于某一确定方向和该方向的负方向的光称为线偏振光（亦称平面偏振光）。在垂直于光传播方向的任一确定平面内，光波电矢量端点随时间作椭圆运动的光称作椭圆偏振光；作圆运动的称作圆偏振光。以上三种统称完全偏振光，若在垂直于光传播方向的平面（简称迎光平面）内，电矢量的取向与大小都随时间作无规则变化，且各方向的取向几率相同，彼此之间没有固定的位相关系，则称为自然光。自然光和线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光三者的任一个组合起来，就成为部分偏振光。1. 获得偏振光的方法（1）非金属镜面的反射，当自然光从空气照射在折射率为n的非金属镜面（如玻璃、水等）上，反射光与折射光都将成为部分偏振光。当入射角增大到某一特定值0时，镜面反射光成为完全偏振光，其振动面垂直于射面，这时入射角称为布儒斯特角，也称起偏振角，由布儒斯特定律得： 其中，n为折射率。（2）多层玻璃片的折射，当自然光以布儒斯特角入射到叠在一起的多层平行玻璃片上时，经过多次反射后透过的光就近似于线偏振光，其振动在入射面内。（3）晶体双折射产生的寻常光（o光）和非常光（e光），均为线偏振光。（4）用偏振片可以得到一定程度的线偏振光。2. 偏振片偏振片是利用某些有机化合物晶体的二向色性，将其渗入透明塑料薄膜中，经定向拉制而成。它能吸收某一方向振动的光，而透过与此垂直方向振动的光，由于在应用时起的作用不同而叫法不同，用来产生偏振光的偏振片叫做起偏器，用来检验偏振光的偏振片叫做检偏器。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：式中为入射偏振光的偏振方向与检偏器偏振化方向之间的夹角，显然当以光线传播方向为轴转动检偏器时，透射光强度I发生周期性变化。当=0时，透射光强最大；当=90时，透射光强为极小值（消光状态）；当090时，透射光强介于最大和最小之间。自然光通过起偏器后可变为线偏振光，线偏振光振动方向与起偏器的透光轴方向一致。因此，如果检偏器的透光轴与起偏器的透光轴平行，则在检偏器后面可看到一定光强，如果二者垂直时，则无光透过，如图 115所示。其中（a）图为起偏器透光轴P1与检偏器透光轴P2平行的情况；（b）图为起偏器透光轴P1与检偏器透光轴P2垂直的情况。此时透射光强为零，此种现象称为消光。在实验中要经常利用“消光”现象来判断光的偏振状态。图 115 偏振光3. 马吕斯定律如果光源中的任一波列（用振动平面E表示）投射在起偏器P上（图3-2），只有相当于它的成份之一的（平行于光轴方向的矢量）能够通过，另一成份（）则被吸收。与此类似，若投射在检偏器A上的线偏振光的振幅为，则透过A的振幅为（这里是P与A偏振化方向之间的夹角）。由于光强与振幅的平方成正比，可知透射光强随而变化的关系为 这就是马吕斯定律。4. 布儒斯特角当光从折射率为的介质（例如空气）入射到折射率为的介质（例如玻璃）交界面，而入射角又满足：时，反射光即成完全偏振光，其振动面垂直于入射面。称布儒斯特角，上式即布儒斯特定律。显然，角的大小因相关物质折射率大小而异。若表示的是空气折射率，（数值近似等于1）上式可写成：图 116 布儒斯特定律5. 波片波片也称相位延迟片，是由晶体制成的厚度均匀的薄片，其光轴与薄片表面平行，它能使晶片内的o光和e光通过晶片后产生附加相位差。根据薄片的厚度不同，可以分为1/2波长片，1/4波长片等，所用的1/2、1/4波长片皆是对钠光而言的。当线偏振光垂直射到厚度为L，表面平行于自身光轴的单轴晶片时，则寻常光（o光）和非常光（e光）沿同一方面前进，但传播的速度不同。这两种偏振光通过晶片后，它们的相位差为：其中，为入射偏振光在真空中的波长，no和ne分别为晶片对o光和e光的折射率，L为晶片的厚度。6. 椭圆偏振光和圆偏振光我们知道，两个互相垂直的，同频率且有固定相位差的简谐振动，可用下列方程表示（通过晶片后o光和e光的振动）：从两式中消去t，经三角运算后得到全振动的方程式为： 由此式可知；当=K（K=0，1.2.）时，为线偏振光。当（K=0，1.2.）时，为正椭圆偏振光。在Ao=Ae时，为圆偏振光。当为其他值时，为椭圆偏振光。在某一波长的线偏振光垂直入射于晶片的情况下，能使o光和e光产生相位差= (2K+1)（相当于光程差为/2的奇数倍）的晶片，称为对应于该单色光的二分之一波片（