仪器光学基础.doc

目 录实验一 几何光学成像实验1实验二 光的干涉4实验三 光的衍射和偏振8实验一 几何光学成像实验一. 实验目的 1. 掌握透镜、平面反射镜、球面反射镜、棱镜等常用成像元件的成像规律；2. 掌握共轭法及物距像距法测量凸、凹透镜的焦距；二实验设备光学演示仪、光具座、透镜、平面反射镜、棱镜等。三实验原理双平面反射镜成像规律如图1-1，双平面反射镜入射光线与出射光线的夹角与双平面反射镜角的关系为：=2利用折射棱镜最小偏向角测玻璃折射率n如图1-2，单色光入射到折射棱镜上，折射光与入射光的最小夹角min与棱镜顶角间满足关系：（1-1） 图1-1 如果已知棱镜顶角，并测出最小偏向角min，则根据式（1-1）可算出玻璃折射率n。凹面镜成像观察物体到凹面镜的距离取以下不同值时的成像情况：大于两倍焦距；小于两倍焦距大于一倍焦距；位于焦面上；小于焦距。 图1-2凹面镜成像的物像计算公式： （1-2）1共轭法测量凸透镜焦距 测量原理如图1-3图1-3当透镜位于1位置时，在像屏上观察到物体放大的倒立像；保持物、像的距离L不变，移动透镜到位置2时再次在像屏上观察到物体缩小的倒立像，则透镜的焦距为： （1-3）2物距像距法测量凹透镜的焦距测量原理如图1-4图1-4凸透镜成像于D，在凸透镜和像之间放凹透镜，成像于，测出两次像的位置、，根据式（1-4）即可算出凹透镜的焦距。 （1-4）四实验步骤双平面反射镜成像规律（1）将双平面镜转轴插入光学演示仪度盘孔中。（2）按图1-1调整分束器，使光线投射在双平面镜上，当度盘转动时（即双平面镜转动时），出射光线保持不动，测出和角之间的关系。1利用折射棱镜最小偏向角测玻璃折射率n（1）把等边棱镜转轴插入度盘孔内，使顶角的平分线与度盘孔0-0线重合。（2）调整分束器，使光线沿水平方向射向度盘上棱镜。（3）转动度盘，出射光线方向发生变化，在某一位置时，度盘虽再按原方向继续转动，但出射光线基本不动，此时入射光线和出射光线的夹角为最小偏向角0。记下读数0。这时在棱镜内部光线平行其底边。（4）根据式（1-1）求出棱镜材料折射率n。2凹面镜成像物体到凹面镜的距离大于两倍焦距时的成像情况（1）凹面镜对称地置于度盘孔0-0线上。（2）调整分束器，使上光线通过球心C，中光线平行光轴，下光线和0-0线（光轴）重合，可得到物体的缩小、倒立像。物体到凹面镜的距离小于两倍焦距大于一倍焦距时的成像情况（1）凹面镜对称地置于度盘孔0-0线上。（2）调整分束器，使上光线平行于0-0线，中心线和0-0线（光轴）重合，下光线通过凹面镜球心，可得到物体的放大、倒立像。物体位于焦面上时的成像情况凹面镜对称地置于度盘孔0-0线上。按图1-5调整上光线、中光线、下光线，物体AB的像在无穷远处。物体到凹面镜的距离小于焦距时的成像情况（1）凹面镜对称地置于度盘孔0-0线上。 （2）调整分束器，中光线作为凹面镜光轴，上光线平行其光轴，下光线通过凹面镜球心C，实物成放大虚像。3共轭法测量凸透镜焦距参照图1-3（1）在光具座上移动物屏和像屏，使其间距大于4倍待测焦距；（2）移动凸透镜至1位置，使像屏上出现清晰放大倒像AB，从光具座上读出该位置的刻度值u；（3）然后移动凸透镜至2位置，使像屏上出现清晰缩小的倒像AB，并从光具座上读出该位置的刻度值v；（4）按式（1-3）计算待测凸透镜的焦距。4物距像距法测量凹透镜的焦距（1）在光具座上移动物屏和像屏，使其间距适当；（2）移动凸透镜位置，使像屏上出现清晰倒像，从光具座上读出此时像屏的刻度位置u；（3）将待测凹透镜放在凸透镜右侧适当位置，向右移动像屏，使屏上出现清晰放大的倒像，并记下此时像屏位置和两透镜的间距v；（4）按式（1-4）计算待测凹透镜的焦距。五分析与讨论1推导凸透镜的焦距计算公式（1-3）式；2列出实验数据及结果；3分析实验误差产生的原因。实验二 光的干涉一实验目的 1. 通过观察双缝干涉、等厚、等倾干涉，掌握光的干涉规律；2. 熟悉迈克尔逊干涉仪的结构及调整；3. 利用迈克尔逊干涉仪实现激光波长的测量。二实验设备 氦氖激光器、迈克尔逊干涉仪、光学演示仪及附件等三实验原理1双光束干涉原理当满足干涉条件的两束光在空间相遇，在相遇区域会观察到明暗相间的干涉条纹，这就是光的干涉现象。干涉光强的分布规律是： （21）当两光束的相位差满足：2k（k0，1，2）干涉光强最大，为亮条纹；当两光束的相位差满足：（2k1）（k0，1，2）干涉光强最小，为暗条纹。对于图21双缝干涉，相位差 （22）图21双缝干涉光路图对于图22等厚/等倾干涉, 相位差 （23）图22等厚、等倾干涉光路2.利用迈克尔逊干涉仪实现激光波长的测量如图23迈克尔逊干涉仪图23迈克尔逊干涉仪原理图从光源S 发的光照射到分光镜D上，光被分成两束，反射光入射到平面反射镜M1,透射光经补偿镜C入射到平面反射镜M2，两束光分别被M1、M2反射，重新在D处会合，若满足相干条件就会产生干涉效应。迈克尔逊干涉仪产生干涉的原理与“空气平板”所产生的干涉相同，在测量光波长时，首先将仪器调出较少的等倾条纹，仪器的附加光程为/2。则中央处的光程差：=2h+/2 （2 4）式中： h M1与M2之间的距离 光源的波长若中央调成一个暗斑时，则光程差 =（m +1/2） （2 5）由式（2 4） 和 （2 5）得：2 h = m 2h = m其中： h = h1 - h2 m = m1 - m2式中： h M1 移动的距离 m 暗斑变化的次数当 m = 1时, 则h =/2 就是说，当中心暗斑变化一次（即移动一个条纹）时，M1移动了/2的距离，所以= 2h/m (2 6)用上式就可计算出被测光源的波长。四实验步骤1观察双缝干涉、等厚、等倾干涉（1） 按图21在光学演示仪上搭建光路，观察双缝干涉条纹；（2） 在自身平面内移动双缝屏，观察干涉条纹是否变化；（3） 改变单缝屏大小，观察干涉条纹是否变化；（4） 在自身平面内移动单缝屏，观察干涉条纹是否变化；2观察等厚、等倾干涉（1） 按图22在光学演示仪上搭建光路；（2） 观察牛顿环、劈尖形成的等厚干涉条纹；3迈克尔逊干涉仪的调整 图22迈克尔逊干涉仪结构简图（1）开启激光光源，使之扩束、准直后照射G1；（2）目测反射镜M1、M2到G1的距离近似相等。通过旋转粗调手轮移动M1，使M1调整至适当位置；（3）当平面反射镜M1和M2不垂直时，由E方向观察视场中形成平行等间距直条纹，即等厚条纹；（4）若继续调节M2上三个螺钉及M2下方两手轮，使得M1与M2垂直，由E方向观察视场，可以看到由同心圆环组成的干涉条纹，这就是等倾干涉条纹；（5）将仪器调出较少的等倾干涉条纹，使中心出现一个暗斑；旋转微动手轮，使条纹变化50次，测出h；（6）按公式（23）计算出波长。五分析与讨论1. 解释在双缝干涉、等厚、等倾干涉试验中观察到的现象。2. 等倾干涉条纹的疏密程度与M1和M2组成的“空气平板”厚度关系？实际中如何判断“空气平板”厚度的增减？（请用实验现象说明） 3如何利用迈克尔逊干涉仪实现尺寸的测量？注意事项：1. 测量过程中要匀速旋转微动手轮，不可太快，否则条纹变化很快，容易出现变化次数漏记现象，造成较大的测量误差。2. 注意消除读数机构中螺纹空程带来的读数误差，提高测量精度。实验三 光的衍射和偏振一实验目的 1观察各种孔径的夫朗和费衍射图样，掌握光的衍射规律；2掌握偏振光的产生及检验方法。3了解偏振光的应用。二实验设备 光学演示仪及附件、偏振光实验仪、起偏器、检偏器等三实验原理1夫朗和费衍射现象及规律图31夫朗和费衍射装置图如图31，当采用不同形状、大小的衍射屏时，在观察屏上可以看到不同形状的夫朗和费衍射条纹。2.偏振光的产生及检验 当自然光经过起偏器后，可获得线偏振光，再入射到1/4波片上，被分解为两个振动分量（o光和e光）。由于它们在晶体内的传播速度不同，会产生一定的位相差d。不同的位相差将对应不同性质的偏振光，如：线偏光、圆偏光和椭圆偏振光。3.偏振光的应用（测定糖水浓度）由于糖溶液为天然的旋光物质，当线偏振光通过时其光矢量的振动方向会发生转动，转动角度为：=cL式中：旋光常数，L玻璃管长度，c糖水浓度由于、L为常数，测出转动角则可计算出糖水浓度。四实验步骤1. 夫朗和费衍射现象及规律（1）在光学演示仪上按图31搭建光路，分别取单缝衍射片、矩形孔衍射片、圆孔衍射片、三角孔衍射片观察相应的衍射图样及变化规律；（2）将衍射片在自身平面内平移，观察衍射图样有无变化；（3）将光源在自身平面内平移，观察衍射图样有无变化；（4）分别取双缝衍射片、四缝衍射片、衍射光栅，观察夫朗和费多缝衍射图样及变化规律；（5）观察互补衍射屏的衍射图样及变化规律；2. 偏振光的产生及检验按实验原理图32安排光路，使各光学元件共轴；去掉1/4波片，旋转检偏器，观察当起偏器和检偏器透光轴夹角不同时，透射光强度的变化规律；放入1/4波片，使其快（慢）轴与起偏器成任意角度，旋转检偏器，观察当起偏器和检偏器透光轴夹角不同时，透射光强度的变化规律；使1/4波片快（慢）轴与起偏器成45角，旋转检偏器，观察当起偏器和检偏器透光轴夹角不同时，透射光强度的变化规律；3. 偏振光的应用（1）旋转检偏器P2，使其透光轴方向与检偏P1相同，并记下此时的刻度数；（2）装上旋光管，检偏器P2透出的光会变暗；（3）旋转检偏器P2，使其透出的光达