GCS-JDGX-I近代光学系列实验

GCS JDGX IGCS JDGX I 近代光学系列实验近代光学系列实验 缺图片缺图片 建议将几个典型实验拼成一幅图片建议将几个典型实验拼成一幅图片 byg byg 特点特点 本系列实验覆盖了应用光学 物理光学 傅里叶信息光学和全息学的多个 知识点和典型实验 内容丰富 和教学内容结合紧密 有助于学生系统 全面 地理解相关理论知识 培养学生的基本实验能力 教师可根据具体情况选用 把本系列实验为相关课程的演示实验或综合实验开出 涉及课程涉及课程 光学 几何光学 物理光学 信息光学 傅里叶光学 相干光学 对学生的要求 对学生的要求 具有相关课程的基本知识 有搭建普通物理实验的经验 实验内容 实验内容 光学实验主要仪器 光路调整与技 巧 菲涅耳衍射与针孔滤波实验 夫琅和费衍射实验 二次成像法测透镜焦距 用自准直法测透镜焦距 镜头节点测量 望远镜工作原理 马赫 曾德尔干涉系统 自组麦克尔逊干涉仪观察干涉现象 萨格奈特干涉仪的搭建 各种全息光栅的制作 光栅参数特性研究 光学图象相减 利用复合光栅实现光学微分处理 空间调制伪彩色编码 阿贝成像原理和空间滤波 全息照相 全息透镜制作 全息图复制 彩虹全息 全息资料存储 1 1 光学实验主要仪器 光路调整与技巧光学实验主要仪器 光路调整与技巧 简介 简介 近代光学的许多实验是在实验平台上进行的 不论光学系统如何复杂 精 密 主要的实验系统都是由一些通用性很强的光学元器件组成 因此熟悉常用 的光学元器件的结构 性能 特点和使用方法 掌握光路的基本调整方法 是 进行光学实验必不可少的基础训练 实验目的 实验目的 1 掌握光学实验中基本元件的结构和功能 2 学习调整光路的基本方法 主要包括共轴调节 调平行光和针孔滤波 知识点 知识点 激光光源 光学元件 共轴系统 滤波等 2 2 菲涅耳衍射与针孔滤波实验菲涅耳衍射与针孔滤波实验 基本原理 基本原理 菲涅耳衍射菲涅耳衍射 波在传播过程中遇到障碍物时能偏离直线传播 波场中能量重新分布 产 生明暗相间的条纹 称为衍射 近场区的衍射为菲涅耳衍射 本实验是根据菲 涅耳近似条件搭建的衍射实验 针孔滤波针孔滤波 激光光束通过针孔滤波器后 光场的高频噪声被过滤 改善了光场质量 使其具有平滑的光强分布 实验目的 实验目的 3 观察和验证圆孔和单缝菲涅耳衍射现象 4 改变衍射屏大小形状和距离 观察衍射图样变化的规律 5 学会使用针孔滤波来改善光场质量的方法 知识点 知识点 菲涅耳衍射 针孔滤波器 高频滤波 噪声 原理示意图 原理示意图 3 3 夫琅和费衍射实验夫琅和费衍射实验 基本原理 基本原理 波在传播过程中遇到障碍物时能偏离直线传播 波场中能量重新分布 产生 明暗相间的条纹 称为衍射 远场区的衍射为夫琅和费衍射 本实验是根据夫 琅和费近似条件搭建的衍射实验 实验目的 实验目的 1 近一步理解夫琅和费衍射的基本原理 2 研究产生夫琅和费衍射的各种光路 3 改变衍射物的大小 形状 观察验证夫琅和费衍射图样的变化规律 知识点 知识点 夫琅和费衍射 爱里斑 原理示意图 原理示意图 4 4 二次成像法测透镜焦距二次成像法测透镜焦距 基本原理 基本原理 设待测透镜焦距为 使物与屏的距离大于且保持不变 待测透镜在物与f4 f 屏之间移动的过程中 两次成像 由两次成像的位置数据和物与屏之间的距离 可得到待测透镜的焦距 f 实验目的 实验目的 1 学习等高 共轴 成像等光学实验的基本调整技术 2 掌握二次成像法测量薄透镜焦距的方法 3 研究透镜成像的规律 知识点 知识点 共轭距 物距 像距 二次成像法 共轭法 原理示意图 原理示意图 5 5 用自准直法测透镜焦距用自准直法测透镜焦距 基本原理 基本原理 在光路中利用待测镜片的自准直成像原理 当反射像和物等大时 物面到待 测镜片的距离即为近似的待测镜片焦距 实验目的 实验目的 1 学习等高 共轴 成像等光学实验的基本调整技术 2 掌握自准直法测量薄透镜焦距的方法 3 研究透镜成像的规律 知识点 知识点 物距 相距 自准直法 原理示意图 原理示意图 6 6 透镜组节点测量透镜组节点测量 基本原理 基本原理 通过利用几何光学相关知识来计算透镜组的实际参数 实验目的 实验目的 1 了解透镜组的基点和基面的一般特性 2 学习测定透镜组基点和焦距的方法 知识点 知识点 主面 主点 节点 节面 焦点 焦面 原理示意图 原理示意图 7 7 望远镜工作原理望远镜工作原理 基本原理 基本原理 由两组正透镜组成伽利略式望远系统 对远端物体进行放大观察 实验目的 实验目的 1 学习望远镜的原理 2 学习使用望远镜测量距离的方法 3 学习测定望远镜放大倍数的方法 4 理解分辨本领的含义 测量望远镜的分辨本领 知识点 知识点 伽利略望远镜 分辩本领 原理示意图 原理示意图 8 8 马赫 曾德尔干涉系统马赫 曾德尔干涉系统 基本原理 基本原理 激光束经扩束准直后 通过两个反射镜和两个 1 1 分束镜组成马赫 曾德 尔干涉仪 其中心光路构成一个平行四边形 出射光是两束光程和强度都接近 而且夹角易于调节的平行光束 在两束出射平行光相交区域将形成干涉条纹 用全息干板将干涉条纹拍摄下来便是一块全息光栅 实验目的 实验目的 1 熟悉所用仪器及光路调整 观察两束平行光的干涉现像 2 观察 确定全息台 光学实验台 的稳定性 3 了解全息光栅的原理 学习制作全息光栅 知识点 知识点 马赫 曾德尔干涉仪 全息光栅 原理示意图 原理示意图 9 9 自组麦克尔逊干涉仪观察干涉现象自组麦克尔逊干涉仪观察干涉现象 基本原理 基本原理 激光束经扩束准直后 通过分光元件分成两束光 这两束光沿互相垂直的 路径前进 经两个反射镜反射后 两束光重新重合在一起形成非定域的干涉场 将观察屏垂直于光束方向放在干涉场中 在屏幕上可看到干涉条纹 实验目的 实验目的 1 组装并调节迈克尔逊干涉仪 学会根据实验要求安排光路 选择所需 部件 2 观察等倾干涉和等厚干涉条纹 加深对薄膜干涉原理的理解 3 了解这些干涉条纹的形成条件 特点和区别 知识点 知识点 迈克尔逊干涉仪 光程 等倾干涉 等厚干涉 原理示意图 原理示意图 10 萨格奈特干涉仪的搭建萨格奈特干涉仪的搭建 基本原理 基本原理 用若干个反射镜 一个分光元件 一个激光器和一个探测器搭建的一种干 涉仪 其中两路光线在此系统中沿顺时针和逆时针方向通过这些反射镜并在分 光元件处叠加 形成干涉现像 实验目的 实验目的 1 学习搭建萨格奈特干涉仪 2 了解萨格奈特效应和光纤陀螺在此方面的应用 知识点 知识点 萨格奈特干涉 激光陀螺 原理示意图 原理示意图 11 11 各种全息光栅的制作各种全息光栅的制作 基本原理 基本原理 两束相干平行光成一定角度相交时 在两束光相交区域将形成干涉条纹 用全息干板将干涉条纹记录下来便是一块全息光栅 全息光栅在光谱研究 光 学精密测量和光波调制等方面都有重要的应用 利用迈克耳逊干涉仪光路 马 赫 曾德尔干涉仪光路以及其它能形成两束相干平行光干涉的光路都可制作全息 光栅 实验目的 实验目的 1 了解全息光栅的原理 2 学习用马赫 曾德尔干涉仪搭建光路并拍摄各种全息光栅 3 学习对全息光栅的后处理 知识点 知识点 马赫 曾德尔干涉仪 全息光栅 正交光栅 复合光栅 原理示意图 原理示意图 12 12 光栅参数特性研究光栅参数特性研究 实验目的 实验目的 1 了解全息光栅的基本原理 2 观察光栅光谱 测量光栅的主要特性 3 用所制作的光栅测光波波长 知识点 知识点 光栅常数 分辨本领 角色散率 衍射效率 原理示意图 原理示意图 13 13 光学图像相减光学图像相减 基本原理 基本原理 将两幅光学图像放在系统 光学信息处理系统 的输入面 在频谱面放4 f 置正弦光栅做为滤波器 在系统的输出面可实现两幅图像相减 4 f 实验目的 实验目的 1 深入理解空间滤波的概念 2 深入理解光学图像相加和相减的基本理论 3 了解利用正弦光栅作滤波器 实现对光学图像进行相加和相减的方 法 知识点 知识点 正弦光栅 系统 光学傅里叶变换 滤波 4 f 原理示意图 原理示意图 14 14 利用复合光栅实现光学微分处理利用复合光栅实现光学微分处理 基本原理 基本原理 在标准的 4f 成像系统中 物面上放置待处理的图像 在频谱面上放置一个 复合光栅作为滤波器 在像面上可以观察到原图像的微分图像 突出了其边缘 和轮廓 这常用于图像特征识别 实验目的 实验目的 1 理解光学微分的基本理论 2 学会利用复合光栅实现光学微分处理的技术 知识点 知识点 4f 系统 复合光栅 光学微分 原理示意图 原理示意图 15 15 空间调制伪彩色编码空间调制伪彩色编码 基本原理 基本原理 白光照明情况下 利用不同取向的几部分光栅对光学图像的不同部分进行 调制 称为调制 在频谱面进行滤波处理 在输出面上可实现图像的伪彩色 实验目的 实验目的 1 深入理解系统和空间滤波的原理 4 f fff f 2 巩固和加深对光栅衍射基本理论的理解 3 掌握调制伪彩色编码的原理 获得伪彩色编码图像 知识点 知识点 调制 伪彩色编码 系统 4 f 原理示意图 原理示意图 16 16 阿贝成像原理和空间滤波阿贝成像原理和空间滤波 基本原理 基本原理 阿贝成像原理阿贝成像原理 相干光照明物体经由凸透镜成像过程可分为两步 第一步是入射光场经物 平面发生衍射 在透镜后焦面上形成物的傅里叶频谱分布 第二步是频谱作为 新的次波源发出球面次波到达像面 在像面上相互叠加 综合成与物相似的像 空间滤波空间滤波 在频谱面 透镜的后焦面 放置滤波器 通过改变物频谱 例如减弱某些 空间频率成份或改变某些空间频率成份的相位 导致像发生相应的变化 实验目的 实验目的 1 加深对阿贝成像原理和傅里叶光学中关于空间频率 空间频谱和空 间滤波等概念的理解 2 熟悉空间滤波的光路及各种滤波的方法 知识点 知识点 阿贝成像原理 4f 系统 空间频率 空间滤波 原理示意图 原理示意图 17 17 全息照相全息照相 基本原理 基本原理 全息照相包括记录和再现两个过程 相干光束经过分光后形成两束光 一 束光照明待记录的物体 从物体上散射的光波称为物光 另一束光与物光成一 定的角度直接照明干板 称为参考光 物光和参考光相干叠加 产生类似光栅 的精细干涉条纹 被记录在干板上 形成一张全息图底片 称全息图的记录 用原参考光照明全息图后 其衍射光波重建了记录时的物光波前 即可再现出 与原物相同的三维立体像 实验目的 实验目的 1 学习全息照相的基本原理 2 掌握全息照相的基本技术和方法 3 通过对全息照片的拍摄和观察 了解全息照相的特点 知识点 知识点 全息图的记录和再现 干涉 衍射 衍射光栅 原理示意图 原理示意图 18 18 全息透镜制作全息透镜制作 基本原理 基本原理 物光 参考光 全息透镜又叫全息波带片 类似菲涅耳波带片 具有和普通透镜类似的光学 性质 采用两个相干的点源球面波或用一个球面波和一个平面波进行干涉 在 干涉场的适当位置放入感光板 可记录下圆环状的干涉图样 制成全息透镜 实验目的 实验目的 1 学习相干光学信息处理光路的基本调整方法 2 了解全息透镜的性质 特点和应用价值 3 学习制作透射式同轴全息透镜 知识点 知识点 全息透镜 干涉 平面波 球面波 焦距 物像公式等 原理示意图 原理示意图 19 19 全息图复制全息图复制 基本原理 基本原理 用单色光源照明全息图母板 以衍射再现的物光束当做物光 而以零级透射 光束 或另一束相干的参考光束 为参考光 在复制干版上制作新的全息图 实验目的 实验目的 1 了解复制全息图的原理 2 学会全息图的复制方法 知识点 知识点 复制全息图 接触复制法 热压复制法 原理示意图 原理示意图 20 20 彩虹全息彩虹全息 基本原理 基本原理 彩虹全息是在记录全息图时在物体和全息干板之间插入一个狭缝 再现时形 成物体虚像的同时也再现了狭缝像 如果用白光再现 当视线在垂直于狭缝像 的方向移动时 由于色散 将看到颜色按波长顺序变化的再现像 实验目的 实验目的 1 掌握像面全息图的记录和重现原理 2 掌握制作一步彩虹全息图的原理和方法 并制作一张一步彩虹全息图 在白光下观察其重现像 知识点 知识点 像面全息 一步彩虹全息图 二步彩虹全息图 原理示意图 原理示意图 21 21 全息资料存储全息资料存储 基本原理 基本原理 全息大容量存储是通过记录傅里叶变换全息图来实现的 对于要存储的图 文信息先进行傅里叶变换 然后通过全息照相的方法记录其频谱函数 由于一 般图文频谱函数的波段不宽 每幅图文傅里叶谱的记录在底片上占的面积很小 可制作成一个直径约为 1mm 的全息图 一块干板上可记录多个全息图排成的点 阵形式 实验目的 实验目的 1 掌握应用傅里叶变换全息图进行图文信息高密度存储的原理和光路设 计 并做出相应的实验结果 2 分析实验光路中对各光学元件的要求 从而加深对光路设计的理解 知识点 知识点 全息存储 傅里叶变换全息图 原理示意图 原理示意图 技术指标技术指标 系统 可完成 21 项物理光学 几何光学 激光全息 信息光学实验内容 零部件 光学元件 1 材料 K9 精退火 分光片 1 Nd 2B f 物面 图文 谱面 f 2 焦距 f 2 3 直径 0 20mm 4 中心厚 Tc 0 1mm 5 中心偏 3 6 光圈 1 5 7 局部光圈 0 2 0 5 8 表面质量 60 40 scratch dig 机械和调整部件 1 直线精度 0 1mm 2 分辨率 0 001mm 激光器 2mW TEM00 白光源 光纤输出白光点光源 1mm 光纤输出 150W 卤素光源 亮度可调 2 Nf Nc 2B 3 光学均匀性 2 3 4 双折射 2 3 5 光吸收系数 2 3 6 条纹度 2B 7 气泡度 2B 8 分光面 T R 5 5 9 1 分光 450 650nm 45 入射 9 单层 MgF2增透 10 楔角 4 3 光学平台 1 优质高导磁不锈钢台面 2 整体框架刚性支撑结构 3 方便移动脚轮 4 25X25mmM6 螺纹孔阵 5 台面平面度 0 1 1000mm 主要配置主要配置 序号序号名称名称规格规格数量数量 1 氦氖内腔激光器 250mm TEM00 2mW1 2 光纤式白光点光源组件含调节支座 磁性表座 1 3 调制滤波器组件含调节支座 磁性表座 1 4 精密电子定时器及快门定时精度 0 1s 快门口径 5mm 配套支架 1 5 针孔滤波器组件含 40X 物镜 三种规格针孔 含支架 1 6 分光光楔组件 50mm 4 楔角 T R 5 5 2 7 分光光楔组件 50mm 4