光学实验中基本测量仪器.doc

光学实验的基本知识光学实验与之前学过的力学、电磁学实验相比，有自身特别之处。光学实验要求与理论的联系更为紧密。在理论的指导下进行实验现象的分析，仪器的调节、操作；同时，光学理论课程的学习，也必须通过实验的观察测量，才能够更好的理解。光学系统是非常复杂和精密的，它们都是由一些通用性很强的光学元器件组成，掌握一些常用的光学元器件的结构、性能，特点及使用方法，对以后正确使用光学元器件有重要的作用。总的要求是通过光学实验的学习，能够正确地使用基本光学仪器，如分光仪，光具座，干涉仪等；能够掌握光学实验的光路调整及基本光学量(如折射率，焦距，波长等)的测量方法；同时还要能正确使用一些常用的光源，如钠灯，汞灯及氦氖激光等。一、基本常识1. 取放光学仪器的零件时动作要轻巧，各仅器，零件及用具都应放在妥当的地方，以免黑暗中碰掉而损坏。2. 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) 都是十分光滑的，要爱护，切忌用手及硬物触碰。取放光学元件时，只能拿住其毛边或毛面，需要清洁时必须用专用镜头纸擦拭。3. 玻璃元件比较脆弱又很贵重，使用时应避免碰撞，迭落。4. 光学仪器都很比较精密，为了不损伤仪器，一定要掌握使用方法后再动手调节。调节时动作应轻巧缓慢，用于固定镜片的锁紧螺钉和调节螺钉要轻扭。5. 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），是用于干涉实验的理想光源。二、基本知识1. 部分光学实验仪器（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（n-曲线）测量，光谱观测及光栅衍射，某透明体的折射率测量等等。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，微小长度和位移的测量，当用平行光入射时，还可以进行面形、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，固体热胀系数、液体折射率等的测量。2. 在光具座上可以进行的光学实验有：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。3. 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。4. 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。5. 在所有干涉类的实验中，防震是最基本的要求，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。三、光学实验仪器概述:主要含：激光光源，光学元件，观察屏或信息记录介质1. 激光光源;激光器即Laser(Light Amplification by stimulated emission of radiation)，原意是利用受激辐射实现光的放大然而实际上的激光器,一般不是放大器,而是振荡器,即利用受激辐射实现光的振荡,或产生相干光。图1标有安培表和电压表激光器示意图（HeNe激光）.Anode正极 cathode负极 dc power supply直流电压源 discharge tube增益管mirror反光镜 brewster window布儒斯特窗1960年,梅曼制成了世界上第一台红宝石激光器.而现在被广泛用于各行各业。激光的特性:(1)高度的相干性(2)光束按高斯分布激光器的分类:(1)气体激光器He-Ne激光器,Ar离子激光器(2)液体激光器染料激光器(3)固体激光器半导体激光器,红宝石激光器实验中常用的激光器是气体型He-Ne内腔式激光器,波长为632.8nm的红光，功率2mW。个别实验中还会用到半导体激光器。2、用于光学实验的元件一般包括：防震平台、分束镜、扩束镜、反射镜、成像透镜、准直镜、多自由度微调器、可变光栏、傅立叶变换透镜、观察屏等部件。如果是全息实验还需要快门、干版架、记录干版、自动曝光和显定影定时器等。防震平台 光学实验需要一个稳定的防震平台。特别是全息图制作实验，记录的是参考波和物光波干涉条纹，如果在曝光过程中因为振动导致两光波有变化，就会影响干涉条纹的调制度。通常要求该光波的振动变化小于十分之一个波长。因此使用防震平台是很有必要的，同时记录全息图时室内不要通风，工作人员不要大声讲话，操作时保持身体离开工作台有一定距离。光学元件分束镜: 分束镜是将激光束分为两束，在干涉类实验中可产生两束有一定夹角的相干光，在全息制作实验中可产生参考光和照射物体的物光光波。分束镜一般是在玻璃板上镀干涉膜。干涉膜有两种：多层介质膜和金属膜。扩束器(扩束镜): 部分实验要使用一定范围的面激光是，因激光束的发散角很小，就需要使用扩束镜来加大光束的发散角。通常可用20倍或40倍的显微物镜或者焦距很短的单片正透镜或负透镜来实现。双凸透镜: 准直镜、成像透镜、傅立叶变换透镜之功能均可使用不同内径和焦距的双凸透镜来实现。为了提高光的透射率，透镜面要镀增透膜。在选用透镜时，要选用没有缺陷和污脏的透镜.(因为它们会使观察或记录图像产生噪声)反射镜: 当光入射到普通反射镜的玻璃基版上时，要先经过折射再反射，反射光的损失通常非常大。同时玻璃片基的两面会因多次反射而引入杂散光。所以光学实验需用表面平整度高和涂有多层反射膜的高反射率反射镜。其它: 常用的一些辅助元件：多自由度微调器，可三维控制镜架的位置和方向；可变光阑包括可调的狭缝和圆孔光阑、观察屏可用白纸或白屏；电子计时器用来控制曝光时间等。3、光学信息的记录介质在全息类实验中。光学信息的记录主要有两大类材料,一类银盐感光材料，另一类非银盐感光材料，其中非银盐感光材料又包括，重铬酸盐明胶、光致聚合物等材料。银盐感光材料灵敏度高，但是衍射效率低。非银盐感光材料响应速度快，能及时的记录和显示，材料分辨率高，有些材料能多次反复使用，不用贵金银，免除了暗室的显影定影操作，加工过程简便快速，但灵敏度低。它们各有优缺点，而且不同的非银盐感光材料的性能也是不一样的。(二)、共轴调节：光学实验经常会遇到用多个透镜成像的项目，为了获得较好的像，必须使各个透镜的主光轴在一条水平线上（即共轴），并使物体位于透镜的主光轴附近。另外，为了最大限度利用激光扩束后的面光源，所有透镜的主轴都需要大致通过光斑中心，才能获得清晰的像。因此共轴调节的方法分为两步进行：第一步粗调，即用眼睛观察，使物、屏与透镜中心大致在一条直线上；具体方法如下：通过前后移动白屏的方法先使激光光束与台面平行，再将透明物、扩束镜、双凸透镜依次摆好，调节它们的取向和高低左右位置，凭眼睛观察，再让光斑、物、镜的几何中心处在一条直线上，这样便使镜的主光轴与平台面平行且共轴，光斑也最大限度得到利用。图2过程为：调节透