综合项目工程光学实验讲义.doc

实验一 光学实验重要仪器、光路调节与技巧1. 引言无论光学系统如何复杂，精密，它们都是由某些通用性很强光学元器件构成，因而，掌握某些惯用光学元器件构造，光学性能、特点和用法，对于安排实验光路系统时，对的选取和使用光学元器件具备重要作用。2. 实验目1) 掌握光学专业基本元件功能；2) 掌握基本光路调试技术，重要涉及共轴调节和调平行光。3. 实验原理3.1光学实验仪器概述:光学实验仪器重要涉及：光源，光学元件，接受器等。3.1.1惯用光源光源是光学实验中不可缺少构成某些，对于不同观测目，常需选用适当光源，如在干涉测量技术中普通应使用单色光源，而在白光干涉时又需用能谱持续光源（白炽灯）；在某些实验中，对光源尺寸大小尚有点、线、面等方面规定。光学实验中惯用光源可分为如下几类：1） 热辐射光源热辐射光源是运用电能将钨丝加热，使它在真空或惰性气体中达到发光光源。白炽灯属于热辐射光源，它发光光谱是持续， 分布在红外光、可见光到紫外光范畴内，其中红外成分居多，紫外成分很少，光谱成分和光强与钨丝温度关于。热辐射光源涉及如下几种：普通灯泡，汽车灯泡，卤钨灯。2）热电极弧光放电型光源此类光源电路基本上与普通荧光灯相似，必要通过镇流器接入220V点源，它是使电流通过气体而发光光源。实验中最惯用单色光源重要涉及如下两种：纳光灯（重要谱线：589.3nm、589.6nm），汞灯（重要谱线：623.4nm、579.0nm、577.0nm、546.1nm、491.6nm、435.8nm、407.9nm、404.7nm）3）激光光源激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，缩写： LASER)，是指通过辐射受激辐射而实现光放大，即受激辐射光放大。激光器作为一种新型光源，与普通光源有明显差别。它是运用受激辐射原理和激光腔滤波效应，使所发光束具备一系列新特点。激光器发出光束有极强方向性，即光束发散角很小；激光单色性好，或者说相干性好，其相干长度可以达十米甚至数百米；激光器输出功率密度大，即能量高度集中。 因此激光光源是一种单色性和方向性都好强光源，已应用于许多科技及生产领域中。当前惯用激光器重要有气体激光器（如：He-Ne激光器、Ar离子激光器）、液体激光器（如：染料激光器）、固体激光器（如：红宝石激光器、钕玻璃激光器）和半导体激光器（如GaAs、CaSb 激光器）。.图1-1 激光器示意图（HeNe激光） 本实验，选取光源是气体型He-Ne内腔式激光器如图1-1所示,波长为632.8nm红光，功率2mW。3.1.2 惯用光学元件光学实验中基本部件是光学元件，如透镜、平面反射镜、分束镜、棱镜、偏振元件、光栅、滤光片，可变光阑涉及可调狭缝和圆孔光阑等。1）透镜透镜有成像作用，运用它可传递物和像图像。准直镜、成像透镜、傅立叶变换透镜均可使用不同孔径和焦距透镜来实现。为了提高光透射率，透镜表面要镀增透膜。在选用透镜时，要选用没有缺陷和污脏透镜（由于它们会使观测或记录图像产生噪声）。2）分束镜 分束镜是光学实验系统一种重要元件，它作用是将入射光束提成具备一定光强比两束光，在干涉仪系统组装实验中可产生两束有一定夹角相干波，在全息制作实验中可产生参照光和物光。分束镜普通是通过在玻璃板上镀干涉膜而制成，分光比可以持续变化或分段变化。3）扩束器（扩束镜） 因激光束发散角很小，需要用一种扩束镜以增大光束发散角。普通可用20倍、40倍显微物镜或焦距很短单片正透镜或负透镜实现。本实验中，扩束镜采用是40倍显微物镜。4）平面反射镜 平面反射镜普通用于折转光路，其直径大小应依照所折转光束直径而定。用于转折宽光束反射镜，除了有一定孔径规定之外，尚有表面平面度规定。此外，当光入射到普通反射镜玻璃基板上时，要先通过折射然后再反射，反射光损失很大。同步玻璃片基两面会因多次反射引入杂散光。为了消除附加反射光影响，反射镜普通都是在前表面上镀制反射膜。因此光学实验需用表面平整度高和涂有多层反射膜高反射率反射镜。3.1.3 惯用机械部件防震平台、光学镜架，读数平台、多自由度微调器、光纤调节架等。1）防震平台 光学实验需要一种稳定减震工作平台，特别是对于干涉和全息图制作实验，所记录都是参照光波和物光波干涉条纹，如果在曝光过程中由于振动导致两光波有变化，就要影响干涉条纹调制度。普通规定该光波振动变化不大于十分之一波长。影响稳定性因素有震动、空气流和热变化等。震动重要影响来自地基震动，如果记录系统部件机构有松动就会把震动放大，因此必要对工作台采用减震办法。专用气浮工作台是最佳减震台。简朴减震办法可用砂箱、微塑料、气垫（用汽车、飞机轮子内胎）和重1000kg铸铁或花岗岩，并应安装一种隔离罩。如果不用隔离罩，做实验时室内不要通风，工作人员不要大声发言和距离工作台远某些。2） 光学镜架光学镜架是一种典型对装有光学元件（如反射镜、透镜）镜框进行固定机械装置。3） 读数平台光学实验室备有各种规格和精密读数机械平台，以便依照实验需要选用。3.1.4 惯用接受器 实验中惯用接受器重要涉及：观测屏（白板）、光电池、光电接受器、CCD成像器件、CMOS成像器件等。3.2 光路调试技术 在光学实验中，光学元件同轴等高调节是实验中必不可少一种重要环节，它关系到成像质量好坏、能否得到预期光学现象和满意测量成果。可以说调节好光路是进行光学研究和光学实验应具备技能。下面简介光路基本调节办法。3.2.1共轴调节光学实验中经常要遇到用一种或各种透镜同步成像，为了获得较好像，必要使各个透镜主光轴重叠（即共轴），并使物体位于透镜主光轴附近。此外，为了最大限度运用激光扩束背面光源，所有透镜主轴都需要大体通过光斑中心，才干获得清晰像。共轴调节使物、观测屏中心处在透镜光轴上，并使各光学元件共轴，达到共轴能保证近轴光线条件成立。共轴调节普通分为两环节进行：1）第一步粗调，即用眼睛观测，使物、观测屏与透镜中心大体在一条直线上。粗调办法如下：通过先后移动白屏办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，调节它们取向和高低左右位置，凭眼睛观测，再让光斑、物、镜几何中心处在一条直线上，这样便使透镜镜主光轴与平台面平行且共轴，光斑也最大限度得到运用。2）第二步细调，即移动透镜，当两次成像中心重叠即达到共轴，若不重叠，须视状况针对性地调节各光学元件，直至两次成像中心重叠。如果系统有两个以上透镜，先加入一种透镜调节共轴，然后再依次加入透镜，使每次所加透镜都与原系统共轴。反射镜共轴调节办法类似。3.2.2平行光束获得与检测在光学实验中，经常要用到准直性良好平行光束。这可以在扩束镜和针孔滤波器之后加入准直透镜来获得。准直透镜前焦点应于扩束镜后焦点重叠，并且两者光轴也应一致。准直透镜普通使用口径较大、焦距较长双胶合透镜，这样可以获得截面较大光束，以便解决较大某些图像。在规定不太高实验中，也可使用单片正透镜作为准直透镜。平行光束调节环节如下：1）调节扩束镜和准直镜共轴，如图1-2所示。激光器图1-2 共轴调节示意图2）粗调自准直法。沿光束传播方向，先后轴向移动准直透镜，直到从自准直反射镜反射回来自准直像落在针孔表面，并于针孔重叠。或者在准直镜后放一观测屏，如图13所示，先后移动，观测准直后光斑变化，若在一种较大范畴内光斑直径几乎无变化，可视为准直成功，完毕粗调。在调节中要注意光斑变化和准直镜移动方向关系，从而不久达到粗调效果。观测屏激光器图1-3 平行光路粗调示意图3）细调剪切干涉法。如有条件，可以选用平晶进行细调。在准直镜后，倾斜放置一平行平晶，观测平晶两表面反射光束重叠某些产生剪切干涉条纹，如图1-4所示，沿光轴先后微移动准直透镜，使条纹徐徐由密变疏，直到条纹最宽或成均匀光，如图1-5所示，这时准直镜处在最佳位置，出射光为平行光。剪切干涉法只能用于相干光束调节，非相干照明时，可用自准直法调节。平晶准直镜观测屏图1-4 细调产生干涉条纹图观测屏（条纹变化，使之越来越少）图1-5 平行光检测示意图4. 实验器材1） 氦氖激光器8）燕尾式平移台2） 激光夹持器9）分化板3） 显微物镜10）透镜/反射镜支架 （40.0）4） 物镜接圈11）干板架5） 开口透镜/反射镜支架（20.0）12）毛玻璃6） 一维调节滑块13）平行平晶7）K9平凸透镜（40.0，f150.0）14）导轨，滑块，支杆，调节支座，磁力表座等5. 实验内容1） 参照图1-6，沿导轨装妥各器件（先不安装扩束显微物镜和准直平凸透镜某些），并调至共轴；图1-6 激光平行光路调试装配示意图2）一方面，将分划板中心通孔高度定为光轴高度，然后将分划板移至贴近激光器位置，调节激光器高度，使激光束通过度划板中心圆孔。再将分划板移至较远处，调节激光夹持器，使激光束再次通过度划板中心圆孔（近端调高低，远端调俯仰）。重复二三次高低和俯仰调节，使激光束在适当高度保证基本水平；3）在系统中加入扩束物镜和准直透镜，恰当调节激光束和扩束镜，准直透镜共轴，且准直透镜在扩束镜前焦面上。先后移动分划板，观测分划板上圆斑大小与否变化。若变化，则先后移动准直透镜，直到先后移动分划板，板上圆斑大小不发生变化，完毕平行光粗调;4）将分划板替代为平行平晶，将毛玻璃放在在平行平晶反射光路上，先后移动准直透镜，使得毛玻璃上可以观测到干涉条纹;5）细微调节平移台丝杆，观测干涉条纹变化，使得条纹数逐渐减少到一条或半条条纹，完毕细调。6. 思考题1）调节平行光时，由近及远移动准直镜产生光斑如何变化？为什么？2）如何运用平晶检测平行光质量？实验二 平行光管实验1. 引言平行光管是一种长焦距、大口径，并具备良好像质仪器，与前置镜或测量显微镜组合使用，既可用于观测、瞄准无穷远目的，又可作光学部件，光学系统光学常数测定以及成像质量评估和检测。2. 实验目1）理解平行光管构造及工作原理；2）掌握平行光管调节办法；3）学会用平行光管测量薄透镜焦距。3. 实验原理3.1 平行光管构造及工作原理依照几何光学原理,无限远处物体通过透镜后将成像在焦平面上;反之,从透镜焦平面上发出光线经透镜后将成为一束平行光。如果将一种物体放在透镜前焦平面上,那么它将成像在无限远处。图2-1 为平行光管构造原理图。它由物镜及置于物镜焦平面上分划板,光源以及为使分划板被均匀照亮而设立毛玻璃构成。由于分划板置于物镜前焦平面上,因而,当光源照亮分划板后,分划板上每一点发出光通过透镜后,都成为一束平行光。又由于分划板上由依照实验需要而刻成分划线或图案,这些刻线或图案将成像在无限远处。这样,对观测者来说,分划板又相称于一种无限远距离目的。图2-1 平行光管构造原理图依照平行光管规定不同,分划板可刻有各种各样图案。图2-2 是几种常用分划板图案形式。图2-2（a）是刻有十字线分划板,惯用于仪器光轴校正;图2-2 (b) 是带角度分划分划板,惯用在角度测量上;图2-2 (c) 是中心有一种小孔分划板,又被称为星点板;图2-2 (d) 是鉴别率板,它用于检查光学系统成像质量。鉴别率板图样有许各种,这里只是其中一种;图2-2 (e) 是带有几组一定间隔线条分划板,普通又称它为玻罗板,它用在测量透镜焦距平行光管上。图2-2 分划板几种形式3.2用平行光管测量凸透镜焦距原理 用平行光管法测量凸透镜焦距光路图，如图2-3所示,从图中可以看出:玻罗板平行光管物镜待测透镜图2-3 平行光管法测量凸透镜焦距光路图 由于平行光管射出是平行光，且通过透镜光心光线不变化方向，因而 （6-1）其中为平行光管物镜焦距，为玻罗板上选取线对长度，为用显微目镜读出玻罗板上线对像距离。用这种办法测量凸透镜焦距比较简朴，核心是要保证各光学元件要等高共轴，平行光管出射平行光。4. 实验器材1） 平行光管；2）反射镜；3）二维调节透镜/反射镜支架；4）待测透镜（40.0，f150.0）；5）测微目镜（10X，带分划板）；6）开口式二维调节透镜/反射镜支架；7）导轨，滑块，支杆，调节支座等。5. 实验内容1）把平行光管实验系统按照图2-4所示放好；图2-4 平行光管实验装图2）打开平行光管外盖，观测平行光管内部构造，理解基本原理；3）调节放在平行光管前反射镜（反射镜上有调节水平螺丝和垂直螺丝），使平行光管射出光线重新返回平行光管。这时能通过显微目镜看到分划板上有一种反射回来像。先后移动分划板，直到目镜里清晰地观测到十字叉丝像。表白分划板已经调节在物镜前焦平面上了；4）平行光管调好后，拿下平面镜，将被测凸透镜组置于平行光管前方，在凸透镜前方放上测微目镜，调节平行光管、被测凸透镜和测微目镜，使它们在同一光轴上，尽量让测微目镜拉近到实验人员以便观测位置；5）先后移动凸透镜，使被测凸透镜在平行光管中玻罗板成像于测微目镜标尺和叉丝上，表白凸透镜焦平面与测微目镜焦平面重叠；6）用测微目镜测出玻罗板像中=0.553毫米两刻线间距测量值，重复测量五次，将各数据填入自拟表格中；7）依照平行光管物镜焦距，计算出被测凸透镜像方焦距，并计算其平均值和均方根误差。6. 思考题1）不同波长光源对所测透镜焦距有何影响？实验三 望远系统搭建和参数测量1. 引言望远镜重要是用来协助人眼看清远处目的以便观测、瞄准与测量一种助视仪器，其重要作用在于增大被观测物体对人眼张角，起着视角放大作用。本实验旨在使学生更加理解望远镜原理，自己搭建望远镜，测量有关参数。2. 实验目1）学习理解望远镜构造及其原理；2）学习测定望远镜放大倍数办法；3）理解辨别本领含义。3. 实验原理望远镜可用来观测远处物体。最简朴望远镜由两块凸透镜构成。望远镜前面有一块直径大、焦距长凸透镜，名叫物镜；背面一块透镜直径小焦距短，叫目镜。物镜把来自远处景物光线，在它背面汇聚成倒立缩小了实像，相称于把远处景物一下子移近到成像地方。而这景物倒像又正好落在目镜前焦点处，这样对着目镜望去，就好象拿放大镜看东西同样，可以看到一种放大了许多倍虚像。这样，很远很远景物，在望远镜里看来就好像近在眼前同样。常用望远镜可简朴分为伽利略望远镜和开普勒望远镜等。伽利略创造望远镜在人类结识自然历史中占有重要地位。它是由正光焦度物镜和负光焦度目镜构成，其视觉放大率不不大于1，形成正立像，不需加转像系统，但无法安装分划板，应用较少，可应用于观剧，倒置伽利略望远镜可用于门镜。开普勒望远镜是由两个正光焦度物镜和目镜构成，因而成倒像。为使经系统形成倒像转变成正立像，需加入一种透镜或棱镜转像系统。因开普勒望远镜物镜在其后焦平面上形成一种实像，故可在中间像位置放置一分划板，用作瞄准或测量。由于开普勒望远镜各种性能优良，因此当前军用望远镜，小型天文望远镜等专业级望远镜都采用此种构造。图3-1 开普勒望远镜光路示意图 为能观测到远处物体，开普勒望远镜物镜用较长焦距凸透镜，目镜用较短焦距凸透镜。远处射来光线（视为平行光），通过物镜后，会聚在它后焦点外离焦点很近地方，成一倒立、缩小实像。目镜前焦点和物镜后焦点是重叠。因此物镜像作为目镜物体，从目镜可看到远处物体倒立虚像，由于增大了视角，故提高了辨别能力，见图3-1。当观测无限远处物体时，物镜焦平面和目镜焦平面重叠，物体通过物镜成像在它后焦面上，同步也处在目镜前焦面上，因而通过目镜观测时成像于无限远，此时望远镜视觉放大率为： （3-1）由此可见，望远镜视觉放大率等于物镜和目镜焦距之比。若要提高望远镜视觉放大率，可增大物镜焦距或减小目镜焦距。当用望远镜观测近处物体时，其成像光路图可用图3-2来表达。图中、和、分别为透镜和成像时物距和像距，是物镜和目镜焦点之间距离，即光学间隔（在实用望远镜中是一种不为零小数量）。由图3-2可得图3-2 观测近处物体时望远镜光路图故观测近处物体时望远镜视觉放大率为 （3-2）在满足近轴光线和薄透镜条件前提下，运用透镜成像公式，可得为了把放大虚像与物体直接比较，必要使和处在同一平面内，即规定。同步引入望远镜镜筒长度，并运用和两个表达式，得 （3-3） 在测出、和后，由式（4-3）可算出望远镜放大率。显然当物距时，因式(4-3)中括号内量接近于1，式（4-3）变回式（4-1）。望远镜辨别本领用它最小辨别角j来表达。由光衍射理论，按瑞利判断可知：式中，为照明光波波长，D为望远镜物镜孔径，角度j单位是弧度。即两个物体如果对望远镜张角不大于j（理论）值。则望远镜将无法辨别它们是两个物体（两个物体重叠成一种像）。4. 实验器材1） 标尺；2）干板架；3）磁力表座；4）物镜（40.0，f 150.0；40.0，f 200.0）；5）一维调节滑块；6）一维调节滑块；7）目镜（20.0，f 30.0；20.0，f -40.0）；8）导轨，滑块，支杆，调节支座等5. 实验内容 1）按照图3-3组装成开普勒望远镜（物镜选取f150，目镜选取f30），调节光学元件同轴等高；图3-3 望远镜系统装配示意图 2）将标尺安放在距离望远镜物镜不不大于1米处，用一只眼睛直接观测标尺，同步用此外一只眼睛通过望远镜目镜看标尺像，并对准标尺上两个红色标记间区间，长度为L。经适应性练习，获得被望远镜放大和直观标尺叠加像；3）测出红色标记内标尺长度，多次重复测量，则其视觉放大率为；4）测量出望远镜镜筒长度和物距，按照公式（3-3）计算其放大率，并与实验观测出来放大率进行比较； 5）替代物镜（f200）和目镜（f-40），搭建伽利略望远镜，重复（2）（3）（4）步；6）由波长和物镜孔径，理论计算望远镜最小辨别角j。6. 思考题1）望远镜放大率与哪些因素关于？2）评价天文望远镜时常提起物镜口径有多大，而不提它有多大倍数，为什么？实验四 显微镜搭建与光学系统辨别率检测1. 引言显微镜重要是用来协助人眼观测近处微小物体，显微镜与放大镜区别是二级放大。通过本实验使学生更理解显微镜原理，自己搭建显微镜，测量有关参数。2. 实验目1）学习显微镜原理及使用显微镜观测微小物体办法；2）学习测定显微镜放大倍数办法；3）测量显微镜辨别本领。3. 实验原理最简朴显微镜是由物镜和目镜构成。其中，物镜焦距很短，目镜焦距较长。它光路如图4-1所示。图中Lo为物镜（焦点在和），其物方焦距为；Le为目镜，其物方焦距为。将高度为y1被观测物体AB放在Lo物方焦点外且接近焦点Fo处，物体通过物镜成一放大倒立实像(其高度为y2)，此实像在目镜焦点以内，通过目镜放大，成果在明视距离D上得到一种放大虚像（其高度为y3）。虚像对于被观测物AB来说是倒立。由图4-1可见，显微镜视觉放大率为BA1y0oFAeFeFBeL0L2y-BA3y-BA1y0FoFAeFeFBeL0L2y-BA3y-1l-l2Dl=-2D1l-BA1y0FoFAeFeFBeL0L2y-BA3y-BA1y0FoFAeFeFBeL0L2y-BA3y-1lDl=-2D1l-图4-1 简朴显微镜光路图 （4-1）式中，（因），为目镜放大率； （因比大得多），为物镜放大率。为显微物镜焦点到目镜焦点之间距离，称为物镜和目镜光学间隔。因而式（5-1）可改写成（4-2）由式（4-2）可见，显微镜放大率等于物镜放大率和目镜视觉放大率乘积。在、和D为已知情形下，可以运用式（4-2）计算出显微镜视觉放大率。4. 实验器材1） 白光点光源7） 显微目镜（10X，带分划板）2） 光源探头夹持器8） 支杆底座（GCM-5305M）3） 干板架9） 齿轮齿条移动台4） 辨别率板10） 一维调节滑块5） 显微物镜（20.0，f50.0）11） 一维调节滑块6） 开口式二维调节透镜/反射镜支架 12）导轨，滑块，支杆，调节支座等5. 实验内容1）参照图4-1和图4-2布置各器件，调节光学元件同轴等高；图4-2 组装显微镜光路图2）将透镜Lo和Le 之间距离定位195mm；3）观测辨别率板上线数对为10区间,任意选用物高度为y1，从目镜分划板上读出此物像长度y3，重复测量多次，依照下式直接计算其视觉放大率；4）按公式（4-2）计算显微镜视觉放大率G，并与G进行比较；5）观测辨别率板，记录可以清晰辨别辨别率板区间。6. 思考题1）显微镜放大率与哪些因素关于？