(新)工程光学实验.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,工程光学实验,主讲教师：李晶,闽南理工学院,实践教学中心,目 录,光学实验预备知识,2,实验一 用自准法测薄凸透镜焦距,f 5,实验二 用位移法测薄凸透镜焦距,f 7,实验三 目镜焦距,fe,的测量,9,实验四 自组显微镜,11,实验五 自组透射式幻灯机（投影系统）,13,实验六 测节点位置及透镜组焦距,15,实验七 菲涅尔双棱镜干涉,18,实验八 偏振光分析,21,光学实验预备知识,返回,光学实验是普通物理实验的一个重要部分。这里先介绍光学实验中经常用到的知识和调节技术。初学者在做实验以前应认真阅读这些内容，并且在实验中遵守有关规则和灵活运用有关知识。,一、光学元件和仪器的维护,透镜、棱镜等光学元件，大多数是用光学玻璃制成的。它们的光学表面都是经过仔细的研磨和抛光，有些还镀有一层或多层薄膜。对这些元件或其材料的光学性能（例如折射率、反射率、透射率等）都有一定的要求，而它们的机械性能和化学性能可能很差，若使用和维护不当，则会降低光学性能甚至损坏报废。造成损坏的常见原因有：摔坏、磨损、污损、发霉、腐蚀等。为了安全使用光学元件和仪器，必须遵守以下规则：,必须在了解仪器的操作和使用方法后方可使用。,轻拿轻放，勿使仪器或光学元件受到冲击或震动，特别要防止摔落。不使用的光,学元件应随时装入专用盒内并放入平台的箱子内，最好放入干燥器中保存。,切忌用手接触元件的光学表面。如必需用手拿光学元件时，只能接触其磨沙面，,如透镜的边缘、棱镜的上下底面等（如预备图,-1,）。,光学表面上如有灰尘，用实验室专备的干燥脱脂棉轻轻拭去或用橡皮球吹掉。,光学表面上若有轻微的污痕或指印，用清洁的镜头纸轻轻拂去，但不要加压擦拭，,更不准用手帕、普通纸片、衣服等擦拭。若表面有较严重的污痕或指印，应由实验室人员用丙酮或酒精清洗。所有镀膜面均不能接触或擦拭。,防止唾液或其溶液溅落在光学表面上。,调整光学仪器时，要耐心细致，一边观察一边调整，动作要轻、慢，严禁盲目及,粗鲁操作。,仪器用毕后应放回箱内或加罩，防止灰尘沾污。,二、消视差,光学实验中经常要测量像的位置和大小，经验告诉我们，要测准物体的大小，必须将量度标尺与被测物体紧贴在一起。如果标尺远离被测物体，读数将随眼睛的位置不同而有所改变，难以测准，如预备图,-2,所示。可是在光学实验中被测物往往是一个看得见摸不着的像，怎样才能确定标尺和待测像是紧贴在一起的呢？利用“视差”现象可以帮助我们解,决这个问题。为了认识“视差”现象，读者可做一简单实验：双手各伸出一只手指，并使一指在前，一指在后相隔一定距离，且两指平行。用一只眼睛观察，当左右（或上下）晃动眼睛时（眼睛移动方向应与被观察手指垂直），就会发现两指间有相对移动，这种现象称为“视差”。而且还会看到离眼近者，其移动方向与眼睛移动方向相反；离眼远者则与眼睛移动方向相同。若将两指紧贴在一起，则无上述现象，即无“视差”。由此可以利用视差现象来判断测像与标尺是否紧贴。若待测像和标尺间有视差，说明它们没有紧贴在一起，则应该稍稍调节像或标尺位置，并同时微微晃动眼睛观察，直到它们之间无视差后方可进行测量。这一调节步骤，我们常称之为“消视差”。在光学实验中，“消视差”常常是测量前必不可少的操作步骤。,三、共轴调节,光学实验中经常要用一个或多个透镜成像。为了获得质量好的像，必须使各个透镜的主光轴重合（即共轴）并使物体位于透镜的主光轴附近。此外透镜成像公式中的物距、像距等都是沿主光轴计算长度的，为了测量准确，必须使透镜的主光轴与带有刻度的标尺平行。为了达到上述要求的调节我们统称为共轴调节。调节方法如下：,1,、粗调，将光源、物和透镜靠拢，调节它们的取向和高低左右位置，凭眼睛观察，使它们的中心处在一条和标尺平行的直线上，使透镜的主光轴与标尺平行，并且使物（或物屏）和成像平面（或像屏）与平台垂直。这一步因单凭眼睛判断，调节效果与实验者的经验有关，故称为粗调。通常应再进行细调（要求不高时可只进行粗调）。,2,、细调，这一步骤要靠其他仪器或成像规律来判断和调节。不同的装置可能有不同的具体调节方法。下面介绍物与单个凸透镜共轴的调节方法。,使物体与单个凸透镜共轴实际上是指将物上的某一点调到主光轴上。要解决这一问题，首先要知道如何判断物上的点是否在透镜的主光轴上。根据凸透镜成像规律即可判断。如预备图,-3,所示，当物,AB,与像屏之间的距离,b,大于,4f,时，将凸透镜沿光轴移到,O1,或,O2,位置都能在屏上成像，一次成大像,A1B1,，一次成小像,A2B2,。物点,A,位于光轴上，则两次,像的,A1,和,A2,点都在光轴上而且重合。物点,B,不在光轴上，则两次像的,B1,和,B2,一定都不在光轴上，而且不重合。但是，小像的,B2,点总是比大像的,B1,点更接近光轴。由此可知，若要将,B,点调到凸透镜光轴上，只需记住像屏上小像的,B2,点位置（屏上贴有坐标纸供记录位置时作参照物），调节透镜（或物）的高低左右，使,B1,向,B2,靠拢。这样反复调节几次直到,B1,与,B2,重合，即说明,B,点已调到透镜的主光轴上了。,若要调多个透镜共轴，则应先将物上,B,点调到一个凸透镜的主光轴上，然后，同样根据轴上物点的像总在轴上的原理，逐个增加待调透镜，调节它们使之逐个与第一个透镜共轴。,实验一 用自准法测薄凸透镜 焦距,f,返回,一、实验目的,掌握简单光路的分析和调整方法,了解、掌握自准法测凸透镜焦距的原理及方法,二、实验原理,当发光点（物）处在凸透镜的焦平面时，它发出的光线通过透镜后将成为一束平行光。若用与主光轴垂直的平面镜将此平行光反射回去，反射光再次通过透镜后仍会聚于透镜的焦平面上，其会聚点将在发光点相对于光轴的对称位置上。,三、实验仪器,1,、带有毛玻璃的白炽灯光源,S,2,、品字形物屏,P,：,SZ-14,3,、凸透镜,L,：,f=190mm(f=150mm),4,、二维调整架：,SZ-07,5,、平面反射镜,M,二维调整架：,SZ-07,7,、通用底座：,SZ-04,8,、二维底座：,SZ-02,9,、通用底座：,SZ-04,10,、通用底座：,SZ-04,四、仪器实物图及原理图,图一,五、实验步骤,1,、把全部元件按图一的顺序摆放在平台上，靠拢，调 至共轴。而后拉开一定的距离。可调成如图一所示的距离,2,、前后移动凸透镜,L,，使在物屏,P,上成一清晰的品字形像。,3,、调,M,的倾角，使,P,屏上的像与物重合。,4,、再前后微动透镜,L,，使,P,屏上的像既清晰又与物同大小。,5,、分别记下,P,屏和透镜,L,的位置,a1,、,a2,。,6,、把,P,屏和透镜,L,都转,180,度，重复做前四步。,7,、再记下,P,和,L,的新位置,b1,、,b2,。,8,、分别把,f=150mm,和,f=190mm,的透镜各做一遍，并比较实验值和真实值的差异，并分析其原因。,9,、老师可选择更多规格的透镜进行实验。（选做）,六、数据处理,被测透镜焦距：,f=(fa+fb)/2,实验二 用位移法测薄凸透镜焦距,f,返回,一、实验目的,了解、掌握位移法测凸透镜焦距的原理及方法,二、实验原理,对凸透镜而言，当物和像屏间的距离,L,大于,4,倍焦距时，在它们之间移动透镜，则在屏上会出现两次清晰的像，一个为放大的像，一个为缩小的像。分别记下两次成像时透镜距物的距离,O1,、,O2(e=|O1-O2|),，距屏的距离,O1,、,O2,根据光线的可逆性原理，这两个位置是“对称”的。即,O1=O2,，,O2=O1,则：,L,e=O1,O2,O1,O2,O1=O2,(L,e)/,而,O1=L,O1,L,(L,e)/,(L+e)/2,把结果带入透镜的牛顿公式,1/s+1/s=1/f,得到透镜的焦距为由此便可算得透镜的焦距，这个方法的优点是，把焦距的测量归结为对于可以精确测定的量,L,和,e,的测量，避免了在测量,u,和,v,时，由于估计透镜中心位置不准确所带来的误差。,三、实验仪器,带有毛玻璃的白炽灯光源,S,2,、品字形物屏,P,：,SZ-14,3,、凸透镜,L,：,f=190mm(f=150mm),4,、二维调整架：,SZ-07,5,、白屏,H,：,SZ-13,6,、通用底座：,SZ-04,7,、二维底座：,SZ-02,8,、通用底座：,SZ-04,9,、通用底座：,SZ-04,四、仪器实物图及原理图（见图二）,五、实验步骤,把全部器件按图二的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴，而后再使物屏,P,和白屏,H,之间的距离大于,4,倍焦距。,沿标尺前后移动,L,，使品字形物在白屏,H,上成一清晰的放大像，记下,L,的位置,a1,。,再沿标尺向后移动,L,，使物再在白屏,H,上成一缩小像，记下,L,的位置,a2,。,将,P,、,L,、,H,转,180,度，重复做前三步，又得到,L,的两个位置,b1,、,b2,。,分别把,f=150mm,和,f=190mm,的透镜各做一遍，并比较实验值和真实值的差异并分析其原因。,老师可选择更多规格的透镜进行实验。（选做）,六、数据处理,透镜焦距：,f=(fa+fb)/2,图二,实验三 目镜焦距,fe,的测量,返回,一、实验目的,了解、掌握用测量物像放大率来求目镜焦距,fe,的原理及方法,二、实验原理,焦距的测量可以归结为测量焦点到光学系统的某一指定点的距离。,测量焦距时，常用到牛顿公式：。,若物空间和像空间的光学介质相同，则。,线放大率：。,三、实验仪器,1,、带有毛玻璃的白炽灯光源,S,2,、,1/10mm,分划板,F,3,、二维调整架：,SZ-07,4,、被测目镜,Le(fe,=14mm),5,、可变口径二维架：,SZ-05,6,、测微目镜,L(,去掉其物镜头的读数显微镜,),7,、读数显微镜架,:SZ-38,8,、三维底座：,SZ-01,9,、一维底座：,SZ-03,10,、一维底座：,SZ-03,11,、通用底座：,SZ-04,四、仪器实物图及原理图,图三,五、实验步骤,把全部器件按图三的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴。,在,F,、,Le,、,L,的底座距离很小的情况下，前后移动,Le,，直至在测微目镜,L,中看到清晰的,1/10mm,的刻线，并使之与测微目镜中的标尺（,mm,刻线）无视差。,测出,1/10mm,刻线的宽度，求出其放大倍率,m1,，并分别记下,L,和,Le,的位置,a1,、,b1,。,把测微目镜,L,向后移动,3040mm,，再慢慢向前移动,Le,，直至在测微目镜,L,中又看到清晰且与毫米标尺刻线无视差的,1/10mm,的刻线像。,再测出像宽，求出,m2,，记下,L,和,Le,的位置,a1,、,b2,。,六、数据处理,mx,=(,像宽,/,实宽,)20,（,20,为测微目镜的放大倍数）,像距改变量：,s=(a1-a2)+(b2-b1),被测目镜焦距：,fe,=s/(m2-m1),实验四 自组显微镜,返回,一、实验目的,了解显微镜的基本原理和结构，并掌握其调节、使用和测量它的放大率的一种方法。,二、实验原理,物镜,Lo,的焦距,fo,很短，将,F1,放在它前面距离略大于,fo,的位置，,F1,经,Lo,后成一放大实像,F1,，然后再用目镜,Le,作为放大镜观察这个中间像,F1,，,F1,应成像在,Le,的第一焦点,Fe,之内，经过目镜后在明视距离处成一放大的虚像,F1,。,三、实验仪器,1,、带有毛玻璃的白炽灯光源,S,2,、,1/10mm,分划板,F1,3,、二维调整架：,SZ-07,4,、物镜,Lo,：,fo=15mm,5,、二维调整架：,SZ-07,6,、测微目镜,Le,（去掉其物镜头的读数显微镜）,7,、读数显微镜架,:SZ-38,8,、三维底座：,SZ-01,9,、一维底座：,SZ-03,10,、一维底座：,SZ-03,11,、通用底座：,SZ-04,四、仪器实物图及原理图,图四（,1,）,图四（,2,）,五、实验步骤,1,、把全部器件按图四的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴。,2,、把透镜,Lo,、,Le,的间距固定为,180mm,。,3,、沿标尺导轨前后移动,F1,（,F1,紧挨毛玻璃装置，使,F1,置于略大于,fo,的位置），直至在显微镜系统中看清分划板,F1,的刻线。,六、数据处理,显微镜的计算放大率：,M,（,250,）,/,（,f0fe,）,其中：,=f0-fe,，见图示。,本实验中的,fe,=250/20(,计算方法可参考光学书籍,),实验五 自组透射式幻灯机,返回,一、实验目的,了解幻灯机的原理和聚光镜的作用，掌握对透射式投影光路系统的调节。,二、实验原理,幻灯机能将图片的像放映在远处的屏幕上，但由于图片本身并不发光，所以要用强光照亮图片，因此幻灯机的构造总是包括聚光和成像两个主要部分，在透射式的幻灯机中，图片是透明的。成像部分主要包括物镜,L,、幻灯片,P,和远处的屏幕。为了使这个物镜能在屏上产生高倍放大的实像。幻灯片,P,必须放在物镜,L,的物方焦平面外很近的地方，使物距稍大于,L,的物方焦距。,聚光部分主要包括很强的光源（通常采用溴钨灯）和透镜,L1L2,构成的聚光镜。聚光镜的作用是一方面要在未插入幻灯片时，能使屏幕上有强烈而均匀的照度，,并且不出现光源本身结构（如灯丝等）的像；一经插入幻灯片后，能够在屏幕上单独出现幻灯图片的清晰的像。另一方面，聚光镜要有助于增强屏幕上的照度。因此，应使从光源发出并通过聚光镜的光束能够全部到达像面。为了这一目的，必须使这束光全部通过物镜,L,，这可用所谓“中间像”的方法来实现。即聚光器使光源成实像，成实像后的那些光束继续前进时，不超过透镜,L,边缘范围。光源的大小以能够使光束完全充满,L,的整个面积为限。聚光镜焦距的长短是无关紧要的。通常将幻灯片放在聚光器前面靠近,L2,的地方，而光源则置于聚光器后,2,倍于聚光器焦距之处。聚光器焦距等于物镜焦距的一半，这样从光源发出的光束在通过聚光器前后是对称的，而在物镜平面上光源的像和光源本身的大小相等。,三、实验仪器,1,、带有毛玻璃的白炽灯光源,S,2,、聚光镜,L1,：,f1=50mm,3,、二维调整架：,SZ-07,4,、幻灯底片,P,5,、干板架：,SZ-12,6,、放映物镜,L2,：,f2=190mm,7,、二维调整架：,SZ-07,8,、白屏,H,：,SZ-13,9,、三维底座：,SZ-01,10,、一维底座：,SZ-03,11,、二维底座：,SZ-02,12,、一维底座：,SZ-03,13,、通用底座：,SZ-04,四、仪器实物图及原理图（见图六）,图六,五、实验步骤,把全部仪器按图六的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴。,将,L2,与,H,的间隔固定在间隔所能达到的最大位置，前后移动,P,，使其经,L2,在屏,H,上成一最清晰的像。,将聚光镜,L1,紧挨幻灯片,P,的位置固定，拿去幻灯片,P,，沿导轨前后移动光源,S,，使其经聚光镜,L1,刚好成像于白屏,H,上。,再把底片,P,放在原位上，观察像面上的亮度和照度的均匀性。并记录下所有仪器的位置，并算,U1,、,U2,、,V1,、,V2,的大小。,把聚光镜,L1,拿去，再观察像面上的亮度和照度的均匀性。,注：演示其现象时的参考数据为,U1=35,，,V1=35,，,U2=300,，,V2=520,。和计算焦距时的数据并不相同。,六、数据处理,放映物镜的焦距：,f2=M/(M+1),平方,D2,聚光镜的焦距：,f1=D1/(M+1),D1/(M+1),平方,实验六 测节点位置及透镜组焦距,返回,一、实验目的,了解透镜组节点的特性，掌握测透镜组节点的方法。,二、实验原理,光学仪器中的共轴球面系统、厚透镜、透镜组，常把它作为一个整体来研究。这时可以用三对特殊的点和三对面来表征系统在成像上的性质。若已知这三对点和三对面的位置，则可用简单的高斯公式和牛顿公式来研究其成像规律。共轴球面系统的这三对基点和基面是：主焦点（,F,，,F,）和主焦面，主点（,H,，,H,）和主平面，节点（,N,，,N,）和节平面。如附图,1,，,附,图,1,附图,2,实际使用的共轴球面系统,透镜组，多数情况下透镜组两边的介质都是空气，根据几何光学的理论，当物空间和像空间介质折射率相同时，透镜组的两个节点分别与两个主点重合，在这种情况下，主点兼有节点的性质，透镜组的成像规律只用两对基点（焦点，主点）和基面（焦面，主面）就完全可以确定了。,根据节点定义，一束平行光从透镜组左方入射，如附图,2,，光束中的光线经透镜组后的出射方向，一般和入射方向不平行，但其中有一根特殊的光线，即经过第一节点,N,的光线,PN,，折射后必须通过第二节点,N,且出射光线,NQ,平行于原入射光线,PN,。,设,NQ,与透镜组的第二焦平面相交于,F,点。由焦平面的定义可知，,PN,方向的平行光束经透镜组会聚于,F,点。,若入射的平行光的方向,PN,与透镜组光轴平行时，,F,点将与透镜组的主焦点,F,重合，如附图,3,综上所述节点应具有下列性质：当平行光入射透镜组时，如果绕透镜组的第二节点,N,微微转过一个小角，则平行光经透镜组后的会聚点,F,在屏上的位置将不横移，只是变得稍模糊一点儿，这是因为转动透镜组后入射于节点,N,的光线并没有改变原来入射的平行光的方向，因而,NQ,的方向也不改变，又因为透镜组是绕,N,点转动，,N,点不动，,附图,3,所以,NQ,线也不移动，而像点始终在,NQ,线上，故,F,点不会有横向移动，至于,NF,的长度，当然会随着透镜组的转动有很小的变化，所以,F,点前后稍有移动，屏上的像会稍有模糊一点。反之，如果透镜组绕,N,点以外的点转动，则,F,点会有横向移动，利用节点的这一特性构成了下面的测量方法。使用一个能够转动的导轨，导轨侧面装有刻度尺，这个装置就是节点架。把透镜组装在可以旋转的节点架的导轨上，节点架前是一束平行光，平行光射向透镜组。,接着将透镜组在节点架上前后移动，同时使架做微小的转动。两个动作配合进行，直到能得到清晰的像，且不发生横移为止。这时转动轴必通过透镜组的像方节点,N,，它的位置就被确定了。并且当,N,与,H,重合时，,从转动轴到屏的距离为,N F,，即为透镜组的像方焦距,f,。把透镜组转,180,度，使光线由,L2,进入，由,L1,射出。利用同样的方法可测出物方节点,N,的位置。,三、实验仪器,1,、带有毛玻璃的白炽灯光源,S,2,、,1/10mm,分划板,F,3,、二维调整架：,SZ-07,4,、物镜,Lo,：,fo,=190mm,5,、二维调整架：,SZ-07,6,、透镜组,L1,、,L2,：,f1=220mm,，,f2=300mm,7,、节点架：,SZ-25,8,、测微目镜,Le,（去掉其物镜头的读数显微镜）,9,、读数显微镜架,:SZ-38,10,、三维底座：,SZ-01,11,、一维底座：,SZ-03,12,、一维底座：,SZ-03,13,、一维底座：,SZ-03,14,、通用底座：,SZ-04,15,、白屏,H,：,SZ-13,四、仪器实物图及原理图,图七,五、实验步骤,调节由,F,，,Lo,组成的“平行光管”使其出平行光，可借助于对无穷远调焦的望远镜来实现。,将“平行光管”、待测透镜组、测微目镜，按图七的顺序摆放在平台上，目测调至共轴。,前后移动测微目镜，使之能看清,F,处分划板刻线的像。,沿节点调节架导轨前后移动透镜组，（同时也要相应地移动测微目镜），直至转动平台时，,F,处分划板刻线的像无横向移动为止，此时像方节点,N,落在节点调节架的转轴上。,用白屏,H,代替测微目镜，使分划板刻线的像清晰的成于白屏,H,上，分别记下屏和节点调节架在标尺导轨上的位置,a,、,b,，再在节点调节架的导轨上记下透镜组的中心位置（用一条刻线标记）与调节架转轴中心（,0,刻线的位置）的偏移量,d,。,把节点调节架转,180,度，使入射方向和出射方向相互颠倒，重复,3,、,4,、,5,步，从而得到另一组数据,a,、,b,、,d,。,六、数据处理,1,、像方节点,N,偏离透镜组中心的距离为：,d,透镜组的像方焦距：,f=a-b,物方节点,N,偏离透镜组中心的距离为：,d,透镜组的物方焦距为：,f=a-b,2,、用,1,：,1,的比例画出该透镜组及它的各个节点的相对位置。,实验七 菲涅尔双棱镜干涉,返回,一、实验目的,观察双棱镜干涉现象及测定光波波长,二、实验原理,利用光的干涉现象进行光波波长的测量，首先要获得两束相干光，使之重叠形成干涉，干涉条纹的空间分布既跟条纹与相干光源之间的相对位置有关，又跟光波波长有关，从它们之间的关系式就能测出光波波长。,本实验利用双棱镜获得两束相干光，如附图,5,所示，双棱镜是由两块底边相接、折射棱角,小于,1,度的直角棱镜组成的，从单缝,S,发出的单色光的波阵面，经双棱镜折射后形成两束互相重叠的光束，它们相当于从狭缝,S,的两个虚像,S1,和,S2,射出的两束相干光。于是在波束重叠的区域内产生了干涉，在该区域内放置的屏上可以观测到干涉条纹。,如附图,6,所示，设,S1,与,S2,的间距为,d,，缝,S,至观察屏的距离为,D,，,O,为观察屏上距,S1,和,S2,等距的点，由,S1,和,S2,射来的两束光在,O,点的光程差为零，故在,O,点处两光波互相加强形成零级亮条纹，而在,O,点两侧，则排列着明暗相间的等距干涉条纹。,附图,5,附图,6,对于屏上距,O,点 为,x,的,P,点。当,Dd,。,Dx,时，有,d=x/,因为,D,故,dx,/D,即,=,xd,/D,根据相干条件，当光程差,满足：,（,1,）,=2k(),时，即在,x=k,处（,k=0,、,1,、,2,、,），产生亮条纹。,（,2,）,=,（,2k-1,）时，即在,x=,（,2k-1,）处（,k=0,、,1,、,2,、,），产生暗条纹。,因此，两相邻亮条纹（或暗条纹）间的距离为,干涉条纹的间距为：,x=xk+1-xk=d,两个狭缝中心的间距,单色光波波长,D,狭缝屏到观测屏（测微目镜焦平面）的距离,从实验中测得,D,，,d,以及,x,，即可由上式算出波长。,三、实验仪器,1,、钠光灯（可加圆孔光阑）,2,、凸透镜,L,：,f=50mm,3,、二维调整架：,SZ-07,4,、单面可调狭缝：,SZ-22,5,、二维调整架：,SZ-07,6,、菲涅尔双棱镜：,7,、测微目镜,Le,（去掉其物镜头的读数显微镜）,8,、读数显微镜架,:SZ-38,9,、三维底座：,SZ-01,10,、二维底座：,SZ-02,11,、一维底座：,SZ-03,12,、一维底座：,SZ-03,13,、凸透镜,L,：,f=150mm,14,、二维调整架：,SZ-07,15,、通用底座：,SZ-01,四、仪器实物图及原理图（见图十）,图十,五、实验步骤,1,、把全部仪器按照图十的顺序在平台上摆放好,(,图上数值均为参考数值,),，并调成共轴系统。钠光灯（可加圆孔光阑）经透镜,L,聚焦于狭缝上。调节单缝和双棱镜的棱脊平行，而且由单缝射出的光对称地照在棱脊的两侧。,2,、用白屏,H,或直接用眼睛观测到干涉条纹后，再用测微目镜中观测。使相干光束处在目镜视场中心，并调节单缝和棱脊的平行度，使干涉条纹最清晰。双棱镜干涉图样，应为等间隔的明暗相间的干涉条纹。,3,、用测微目镜测出干涉条纹的间距,x,，测出单缝到测微目镜叉丝分划板的距离,D,，再用二次成像法测出两个虚光源的间距,d,，由,x=xk+1-xk=,便可求出光波的波长，并与钠灯的波长实际值比较，分析误差原因。（二次成像法，在数据处理中有讲解）。,六、数据处理,二次成像法：,保持图中狭缝、双棱镜的位置不动，加入一已知焦距,f=150,的透镜放在双棱镜后，使单缝与测微目镜间的距离,D4f,，移动透镜成像时，可以在两个不同的位置上，从目镜中看到一大一小两个清晰的缝像（既虚光源,S1,、,S2,的像），测出两个清晰的像间距,d1,及,d2,，根据物象公式，虚光源,S1,、,S2,的间距,d=,（第一成像）。,d=(,第二次成像,),而,s1=,，,=s2,，故,即 代入公式即可求出波长,。,实验八 偏振光分析,返回,一、实验目的,观察光的偏振现象，分析偏振光，起偏，定光轴,二、实验原理,偏振光的基本概念,光是电磁波，它的电矢量,E,和磁矢量,H,相互垂直，且均垂直于光的传播方向,c,，通常用电矢量,E,代表代表光的振动方向，并将电矢量,E,和光的传播方向,c,所构成的平面称为光振动面。在传播过程中，电矢量的振动方向始终在某一确定方向的光称为平面偏振光,或线偏振光，如附图,15,（,a,）。光源发射的光是由大量原子或分子辐射构成的。由于大量原子或分子的热运动和辐射的随机性，它们所发射的光的振动面，出现在各个方面的几率是相同的。故这种光源发射的光对外不显现偏振的性质，称为自然光附图,15,（,b,）。在发光过程中，有些光的振动面在某个特定方向上出现的几率大于其他方向，即在较长时间内电矢量在某一方向上较强，这种的光称为部分偏振光，如图附图,15,（,c,）所示，还有一些光，其振动面的取向和电矢量的大小随时间作有规律的变化，而电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆。这种光称为椭圆偏振光或圆偏振光。,附图,15,（,a,）附图,15,（,b,）附图,15,（,c,）,（二）获得偏振光的常用方法,将非偏振光变成偏振光的过程称为起偏，起偏的装置称为起偏器。常用的起偏装置主要有：,1,、反射起偏器（或透射起偏器）,当自然光在两种媒质的界面上反射和折射时，反射光和折射光都将成为部分偏振光。,当入射角达到某一特定值时，反射光成为完全偏振光，其振动面垂直于入射面（见附图,16,）而角就是布儒斯特角，也称为起偏振角，由布儒斯特定律得,例如，当光由空气射向,n=1.54,的玻璃板时，,=57,度,45679,若入射光以起偏振角射到多层平行玻璃片上，经过多次反射最后透射出来的光也就接近于线偏振光，其振动面平行于入射面。由多层玻璃片组成的这种透射起偏振器又称为玻璃片堆。见附图,17,。,附图,16,2,、晶体起偏器,利用某些晶体的双折射现象来获得线偏振光，如尼科尔棱镜等。,偏振片（分子型薄膜偏振片）,聚乙烯醇胶膜内部含有刷状结构的炼状分子。在胶膜被拉伸时，这些炼状分子被拉直并平行排列在拉伸方向上，拉伸过的胶膜只允许振动取向平行于分子排列方向（此方向称为偏振片的偏振轴）的光通过，利用它可获得线偏振光，其示意图参看附图,18,。偏振片是一种常用的“起偏”元件，用它可获得截面积较大的偏振光束（它就是本实验使用的元件）。,附图,17,(,三,),偏振光的检测,鉴别光的偏振光状态的过程称为检偏，它所用的装置称为检偏器。实际上，起偏器和检偏器是通用的。用于起偏的偏振片称为起偏振器，把它用于检偏就成为检偏器了。,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,式中为入射光偏振方向与检偏器偏振轴之间的夹角。显然，当以光线传播方向为轴转动检偏器时，透射光强度,I,将发生周期性变化。当,=0,度时，透射光强度最大；当,=90,度时，透射光强度最小（消失状态）；当,0,度,90,度时，透射光强度介于最大值和最小值之间。因此，根据透射光强度变化的情况，可以区别光的不同偏振状态。,(,三,),偏振光的检测,鉴别光的偏振光状态的过程称为检偏，它所用的装置称为检偏器。实际上，起偏器和检偏器是通用的。用于起偏的偏振片称为起偏振器，把它用于检偏就成为检偏器了。,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,式中为入射光偏振方向与检偏器偏振轴之间的夹角。显然，当以光线传播方向为轴转动检偏器时，透射光强度,I,将发生周期性变化。当,=0,度时，透射光强度最大；当,=90,度时，透射光强度最小（消失状态）；当,0,度,90,度时，透射光强度介于最大值和最小值之间。因此，根据透射光强度变化的情况，可以区别光的不同偏振状态。,附图,18,（四）偏振光通过波晶片时的情形,1.,波晶片,波晶片是从单轴晶体中切割下来的平行平面板，其表面平行于晶体的光轴。,当一束单色平行自然光正入射到波晶片上时，光在晶体内部便分解为,o,光与,e,光。,o,光电矢量垂直于光轴,;e,光电矢量平行于光轴。而,o,光和,e,光的传播方向不变，仍都与表面垂直。但,o,光在晶体内的速度为,e,光的为即相应的折射率、不同。,设晶片的厚度为,L,，则两束光通过晶体后就有位相差,即,式中,为光波在真空中的波长。的晶片，称为全波片，；称为半波片（,/2,波片）；为,/4,片，上面的,k,都是任意整数。不论全波片，半波片或,/4,片都是对一定波长而言。,以下直角坐标系的选择，是以,e,光振动方向为横轴，,o,光振动方向为纵轴。沿任意方向振动的光，正入射到波晶片的表面，其振动便按此坐标系分解为,e,分量和,o,分量。,2.,光束通过波片后偏振态的改变,平行光垂直入射到波晶片后，分解为,e,分量和,o,分量，透过晶片，二者间产生一附加位相差,。离开晶片时合成光波的偏振性质，决定于,及入射光的性质。,（,1,）偏振态不变的情形,（,i,）自然光通过波晶片，仍为自然光。因为自然光的两个正交分量之间的位相差是无规的，通过波晶片，引入一恒定的位相差,，其结果还是无规的。,（,ii,）若入射光为线偏振光，其电矢量,E,平行,e,轴（或,o,轴），则任何波长片对它都不起作用，出射光仍为原来的线偏振光。因为这时只有一个分量，谈不上振动的合成与偏振态的改变。,除上述二情形外，偏振光通过波晶片，一般其偏振情况是要改变的。,（,2,）,/2,片与偏振光,（,i,）若入射光为线偏振光，在,/2,片的前面（入射处）上分解为,=0,或,出射光表示为,讨论二波的相对位相差，上式可写为,=,故出射光二正交分量的相对位相差为：,和这说明出射光也是线偏振光，但振动方向与入射光的不同。如入射光与晶片光轴成角，则出射光与光轴成,-,角。即线偏振光经,/2,片电矢量振动方向转过了,2,角。,（,ii,）若入射光为椭圆偏振光，作类似的分析可知，半波片既改变椭圆偏振光长（短）轴的取向，也改变椭圆偏振光（圆偏振光）的旋转方向。,（,3,）,/4,片与偏振光,（,i,）入射光为线偏振光,=0,或,则出射光为,则出射光为,此式代表一正椭圆偏振光。对应于右旋，对应于左旋。当时，出射光为圆偏振光。,（,ii,）入射光为圆偏振光,此式代表线偏振光。出射光电矢量沿一、三象限；，沿二、四象限。,（,iii,）入射光为椭圆偏振光,出射光为,可见出射光一般为椭圆偏振光。,三、实验仪器,1,、,He,Ne,激光器（,632.8nm,）,2,、偏振片（起偏器）,3,、可变口径二维架：,SZ-05,4,、偏振片（检偏器）,5,、手动,X,轴旋转架：,SZ-06,6,、白屏,H,：,SZ-13,7,、通用底座：,SZ-04,8,、一维底座：,SZ-03,9,、一维底座：,SZ-03,10,、通用底座：,SZ-04,11,、,1/4,、,1/2,波片各一片,12,、公用底座：,SZ-04,（波片使用）,13,、手动,X,轴旋转架：,SZ-06,四、仪器实物图及原理图,图十九,五、实验步骤，及数据处理,定偏振片光轴：把所有器件按图十九的顺序摆放在平台上，调至共轴。旋转第二个偏振片，使起偏器的偏振轴与检偏器的偏振轴相互垂直，这时可看到消光现象。,考察平面偏振光通过,/2,波长时的现象：,（,1,）在两块偏振片之间插入,/2,波长片，把,X,轴旋转架转动,360,度，能看到几次消光？解释这现象。,（,2,）将,/2,波长转任意角度，这时消光现象被破坏。把检偏器转动,360,度，观察到什么现象？由此说明通过,/2,波长片后，光变为怎样的偏振状态？,（,3,）仍使起偏器和检偏器处于正交（即处于消光现象时），插入,/2,波长，使消光，再将转,15,度，破坏其消光。转动检偏器至消光位置，并记录检偏器所转动的角度。,（,4,）继续将,/2,波长转,15,度（即总转动角为,30,度），记录检偏器达到消光所转总角度。依次使,/2,波长总转角为,45,度，,60,度，,75,度，,90,度，记录检偏器消光时所转总角度。,半波片转动角度检偏器转动角度,15,度,30,度,45,度,60,度,75,度,90,度,从上面实验结果得出什么规律？,用波长片产生圆偏振光和椭圆偏振光,（,1,）按图十九使与起偏器和检偏器正交，用,/4,波长片代替,/2,波长片，转动,/4,波片使消光。,（,2,）再将,/4,波片转动,15,度，然后将检偏器转动,360,度，观察到什么现象？你认为这时从,/4,波片出来光的偏振状态是怎样？,（,3,）依次将转动总角度为,30,度，,45,度，,60,度，,75,度，,90,度，每次将检偏器转动，记录所观察到的现象。,/4,波片转动的角度检偏器转动,360,度观察到的现象光的偏振性质,15,度,30,度,45,度,60,度,75,度,90,度,END,