应用物理学 专业实验指导书(第四版).pdf

目录一、光学实验预备知识.41.实验教学的基本要求.42.实验室注意事项.53.常用装置、器件和基本实验技术.63.1 常用装置、器件.63.1.1光学防振台.63.1.2光学部件.73.1.3机械部件.113.1.4常用光源.133.1.5常用光电探测器.163.1.6其他电子仪器.173.2基本实验技术.173.2.1激光器性能因素.173.2.2光路调试的基本技术.19二、物理光学实验类.23实验一杨氏双缝干涉实验.23实验二菲涅尔双棱镜干涉.27实验三夫琅和费单缝衍射实验.30实验四夫琅和费圆孔衍射实验.33实验五菲涅耳单缝衍射实验.35实验六菲涅耳圆孔衍射实验.37实验七偏振光分析实验.39实验八全息照相实验.46实验九制作全息光栅实验.52实验十 阿贝成像原理和空间滤波实验.55实验十一 0调制和颜色合成实验.59实验十二测量空气折射率实验.61三、激光原理与技术实验类.65实验十三Nd3+：YAG激光器阈值与斜效率测量实验.66实验十四Nd3+：YAG激光器电光调Q实验.73实验十五Nd3+：YAG激光器倍频实验.82实验十六Nd3+：YAG激光器选模实验.86实验十七半导体激光器输出特性测量实验.88实验十八半导体激光器发散角测定实验.90实验十九半导体激光器偏振度测量实验.92实验二十半导体激光器光谱特性测试实验.94四、光信息、光通讯器件、光传感实验类.96实验二H-液晶电光效应实验.97实验二十二液晶光阀微结构衍射理论测量实验.104实验二十三计算全息光学实验.106实验二十四光学傅立叶变换性质及全息性质验证实验.111实验二十五 激光散斑干涉测量微位移实验.1152实验二十六光纤与光源耦合方法及光纤数值孔径N4测量实验.127实验二十七光纤传输损耗性质及测量实验.130实验二十八掺饵光纤放大器原理实验.132实验二十九 波分复用(WDM)原理实验.134实验三十开路音频模拟信号传输实验.135实验三4-一光纤温度传感原理实验.136实验三十二光纤压力传感原理实验.137五、光电技术相关电子学实验类.138实验三十三 A/D、I/O数据采集实验.139实验三十四RS 232光纤通信实验.141附录：M-Z光纤干涉实验.1433一、光学实验预备知识实验是人们认识自然和进行科学研究的重要手段，一个科学设想需要进行大 量的实验研究才能得以实现，一个创新的理论也必须用实验来验证它的正确性。光学和其他学科一样，也是经过长期的实践，在大量的实验基础上才逐渐发展和 完善的。光学发展离不开各种光学实验，现代光学发展同样离不开基础理论和实 验方法，几百年的光学发展充分证明，光学实验是光学发展的策源地和策动力。1.实验教学的基本要求实验是一门与讲授课程同样重要的独立课程。通过实验，可以学习和掌握基 本的实验技能、实验原理和实验方法，训练综合运用各种知识、培养独立思考、分析问题、解决问题的能力，同时培养促进知识创新和拓展的能力。实验教学 是人才培养的重要环节，并且实验课程所具有的独特的教学内容、教学方式和教 学目的是不能用理论思维能力来代替的。除了必要的知识介绍外，实验课程分以下三阶段。(1)预习：这是实验前的课前准备阶段。根据实验目的、学习实验指导书中的实 验原理和书本有关内容，参考指导书中的实验方法，拟出实验方案，列出实 验步骤，画好实验数据的记录表格。(2)实验：首先按照实验方案选取安装与调整仪器及部件，这是实验的关键。实 验过程中必须认真观察现象，及时发现问题、解决问题。测试时还需记录原 始数据，若有可疑之处须反复测试，发现其规律。(3)撰写实验报告：撰写实验报告也是一种实验能力和科学总结能力的培养，其 内容应包括：实验题目和实验目的；实验原理包括实验的理论根据，必要的公式及必要的原理示意图；实验装置包括实验装置布置，测试仪器和测试物；实验步骤主要写出实验测试方法，调试过程和发现的现象。特别鼓 励捕捉新的实验现象；数据处理包括试验数据分析、计算、列表；结论和讨论一一总结实验已达到的目的，讨论测量误差，并分析观察到 的实验现象，得出科学的结论；解答思考题应从实验的观点来回答，不能单纯地从理论上回答。42.实验室注意事项(1)光学仪器大多是精密贵重仪器，取放仪器时，要思想集中，动作轻慢。在没 有了解清楚仪器的使用方法前切勿乱拧螺丝、碰动仪器或随意接通电源；(2)大部分光学元件用玻璃制成，光学而经过精细抛光，使用时要轻拿轻放，勿 使元件相互碰撞、挤压，更要避免摔坏。暂时不用的元件要放回原处，不要 随意乱放，以免损坏；(3)人的手指带有汗渍油脂类分泌物，用手触摸光学表面会污染该光学面，影响 其透光性和其他光学性质。因此，任何时候都不能用手去触摸光学表面，只 能拿原件的磨砂面。正确的姿态如图1所示；(4)不要对着光学元件和光学系统讲话，打喷嚏和咳嗽，以免涎液溅落镜面造成 污痕；(5)光学面若落有灰尘，应先用干净，柔软的脱脂毛刷轻轻弹除，或用橡皮球吹 除。严禁用嘴去吹。一般不能随意擦拭光学表面。必要时可用脱脂棉球蘸上 酒精乙醴混和液轻轻擦拭，切忌用布直接擦拭；(6)光学面上若有油污等斑渍时，不要立即动手擦拭。因为很多光学表面镀有特 殊的光学薄膜，在擦拭之前，一定要了解清楚情况，然后再在教师或实验工 作人员的指导下，采取相应措施，精心处理；(7)光学仪器中有很多经过精密加工的部件，如光谱仪和单色仪的狭缝，迈克耳 逊干涉仪的涡轮蜗杆，分光计的读数盘等，实验时要小心使用，按规律操作,切忌拆卸仪器，乱拧旋钮；(8)实验中用到许多精密调节件，动作要稳、慢，切勿调整过头，以影响精度；(9)实验中使用大量的电子仪器，应遵照使用规则调节使用；(10)实验中使用的激光是强光光源，切莫对着激光观测以免损伤眼睛；(11)要讲究清洁卫生，文明礼貌，不得大声喧哗，更不能打闹嬉笑；(12)实验完毕，要向指导教师或实验工作人员报告实验结果和仪器的使用情况,整理好仪器，填写仪器使用卡，经允许后方可离开实验室。53.常用装置、器件和基本实验技术本节介绍光学实验中普遍使用的装置、器件、光源、接收器和基本实验调试 技术。熟悉和掌握其结构、原理、特征和调试方法，有利于实验的正常进行和对 实验现象进行分析。3.1 常用装置、器件光学实验的一般装置通常由光学防振台、光学部件、机械部件、光源和接收 器组成。国内生产的光学实验和系列实验组合套件一般多采用组合式结构，零部 件品种多，通用性强。可以灵活地拼搭光学方面的实验光路，能够满足光学实验 的要求。3.1.1 光学防振台由于光学实验的要求较高，实验精度和光信息记录密度大，一般要求形成的 条纹的移动量小于1/8-1/4波长间隔，必须保持高度的稳定性。因此，光学实验 通常都应在优良防振性能的光学防振台上进行。光学防振台通常由台板、台架和防振装置组成。台板是供布置光路用的，其尺寸有各种规格，一般宽度为0.6-1.2m,长度为 l-3mo用铸铁、铁磁不锈钢和铝材制成。台板的工作表面称为光学台面，应具 有较高的平面度，以便于光路的调整。光学台而有光学平台和光学平板两种。铁磁不锈钢材料刚性好，但密度大，硬重比小，抗振性差。不锈钢温度膨胀 系数小，耐腐蚀，能吸附磁性底座，因此常用于制作光学平台。目前国内厂家生 产的光学平台内芯采用蜂窝制成的结构，其合理的硬重比提供了良好的抗振性 能。一般精心加工的铁磁不锈钢台面平面度高，有乌光效果，特别适用于光学实 验，不刺激眼睛，能减少杂散光。铝材的硬重比大，有一定的抗振性，温度传导性好，不良环境中温度形变小，加上重量轻，易搬动，易加工，成本低，且阳极氧化后美观，耐磨，常用于制作 光学平板的材料。但刚性差，不能悬空支撑。光学平台和光学平板上阵列的标准孔距螺纹孔便于固定各种调整架，也可用 磁吸装置直接将机械调整架固定在光学台板上，形成稳定的系统装置。台架用于支撑台板，一般连接有防振装置,用于隔绝振源于平台之间的联系。简易的小型防振台通常不必使用台架，可以将台板直接安放在防振装置上。防振装置是防振台的主要部件。它能够对于外界振动，如人员走动、汽车行 驶等引起的干扰起到隔除作用；且能迅速消除自身的冲击（如碰撞工作台，触碰 光学元件等）和振动干扰。6衡量防振台性能主要看其固有振动频率。防振台的质量越大，弹性越好，固 有频率就越低，与外界干扰频率差别就越大，防振效果就越好。由于外界干扰的 频率一般在10HZ以上，因此，防振台的固有振动频率应控制在10HZ以下。防振装置主要由气浮式、防振弹簧等构成。一般高档的防振装置多采用气浮 式,甚至装有自动平衡装置；中低档的防振装置多采用乳胶泡沫层垫或防振弹簧。国内新近生产的光学隔振台由光学平台支架代替，台架和防振装置采用优质结构 钢制造，高弹性橡胶垫与台面接触。抗振动能力强，刚性好，稳定性特佳。支点 用精加工螺旋连接，高度可调，保证台面的水平和垂直。3.1.2 光学部件各种光学部件以及支撑这些光学部件的精密机械调节装置的组合，构成光学 实验的各种光路，能够满足实验的各种要求，了解这些光学部件的特性、特点、适合场所，选择合理的部件，是完成实验的重要保证。1.平面反射镜平面反射镜主要用于折射光路，其直径大小应根据所折转的光束直径而定。对用于转折宽光束的反射镜，除了对孔径有一定的要求之外，还有对表面平面度 的要求。一般选用平面以及平晶。另外为了消除附加反射光的影响，反射镜通常 都是在前表面上镀制反射膜。根据反射镜上镀制的反射膜的类型,通常反射镜分两类:一类为铝膜反射镜,另一类为介质膜反射镜。铝膜反射镜是真空镀铝后经阳极氧化加固而成，或铝膜 外加一层一氧化硅薄膜。其主要优点是其反射率几乎与入射角无关，不存在明显 色散。缺点是反射率不够高，仅84%左右，膜层的机械强度不够高，膜层表面 容易损伤，一般只允许用吹气球吹去灰尘，必要时用1:7酒精、乙醴混合液轻轻 擦拭。介质反射膜通常是在玻璃基片上交替蒸镀1921层氟化镁和硫化锌膜系或 者氧化钛和一氧化硅膜系而制成。其优点是反射率高，一般可达99%以上。缺 点是反射率会随光的波长和入射角的改变而改变。垂直入射时反射率最高，随入 射角度增大反射率迅速下降。入射角大于45。时反射率很快下降为零。2.分束镜分束镜主要是用来将入射光束分成具有一定光强比的两束光，其主要性能参 数是分束比，即透射光束强度T与反射光束强度火的比值，又称透反比。分束镜通常有两类：固定分束比分束镜和可变分束比分束镜。前者分束比不 7能调整，可在宽光束中使用；后者分束比可以调整，但一般只用在未经扩束的激 光细光束中。可变分束比分束镜又分为阶跃分束镜和连续渐变分束镜两种。固定分束比分束镜是在玻璃基片上镀制均匀的析光膜而制成的，选用不同的 膜系可获得不同的分束比。常见的分束镜的透反比有1:1、1:4、1:7、1:9、9:1 等规格。阶跃分数镜是在玻璃基片上的不同区域分别镀制不同的膜系，每个区域具 有不同的分束比。连续渐变分束镜是在玻璃基片镀制厚度连续变化的折光膜。由 于膜厚连续变化，吸收率也随之连续变化，借此连续变化改变透反比。连续渐变 分束镜有条形和圆形两种。条形渐变分束镜（图2 的镜架具有精密平移装置，当分束镜平移时，透反比将随之变化。圆形渐变分束镜（图3 镜架具有精密旋 转装置，通过转动分束镜来改变透反比。为了避免多次反射光对实验的干扰，一 般分束镜的前后表面应有一楔角。图2条形渐变分束镜1-分束镜2-分束镜架3-平移手轮4-俯仰微调手轮图3圆形渐变分束镜1-分束镜2-旋转装置3-圆盘4-紧定旋钮5-杆架6-磁性座3.偏振分光镜在偏振光的光路系统中，一般采用偏振分光原理的分束器实现连续变分光。图4所示是利用渥拉斯顿棱镜的分光镜。这种棱镜常常用来决定光束的两个平面 偏振成分的相对强度。因为光在棱镜中不会沿光轴方向行进,也不会发生旋光性,所以，两束光的相对强度总是正比于入射光束的水平偏振分量和垂直分量的强 度，即取决于入射光振动方向与第一块晶体光轴之夹角&当旋转放置于棱镜前 的半波片尸1时，e角随之变化，从而能够实现分束比的连续可调。转动半波片 尸2,可使从棱镜出射的两束光的振动方向一致。当严格控制P1的方位和转动精 度时，能使改变分束比的过程中两出射光束的方向不变。图5所示的偏振分光镜是根据反射和折射原理产生偏振光的一种光学部8件。它是在两直角玻璃棱镜之间交替地镀上高、低折射率的膜层，然后胶合成一 块立方棱镜。这些膜层起着反射和透射型偏振器的作用。入射自然光垂直于棱镜 表面,以分开45。方向入射到多层介质膜上，经膜层的反射和折射，反射光与透射 光垂直于棱镜表面以分开90。方向出射。同样地，在反射光束通路中引入半波片 和反射镜，使反射光束平行于透射光束，且有相同的振动方向；如果使入射线偏 振光经半波片后射入偏振分光镜，则旋转半波片，同样可以使从分光镜出射的两 束光的分束比连续变化。图4利用偏振分光原理的分束镜图5偏振分光镜4.波片和偏振光与偏振有关的实验中，要用到偏振片和波片。普通的偏振片有利用二向色性 原理人工制作的偏振片。这种偏振片在整个可见光范围内偏振度可达98%,但它的透明度低，最佳波段上自然光入射时最大透射比为42%,且对各色可见 光有选择地吸收。但它的有效孔径几乎达180。，可做得薄而大，且价廉，是最 常用的偏振片。在偏振度和透射比要求高时，采用晶体材料做成的偏振片棱镜作 为偏振器，一般加工要求高，价格较贵。波片一般称为相位延迟片，它可以使偏振光的两个互相垂直的线偏振光之间 产生一个相对的相位延迟，从而改变光的偏振态。波片是由透明晶体制成的平行 平面薄片，其光轴与表面平行。常用的波片由半波片、1/4波片、全波片等，波 片的快轴方向一般在样品上标明，运用时注意其使用的波长。5.扩束.准直系统扩束-准直系统（图6 用于将激光细光束扩展为平行的宽光束。它包括扩 束镜、针孔滤液器和准直透镜三部分。扩束镜一般采用显微物镜，其放大倍率有 10 20 40 x等，根据具体的光路选取；准直透镜应该选用优质透镜，以形成9均匀的光波，其焦距由系统要求决 定。扩束镜和准直透镜的焦点重合,两者构成逆望远镜系统。在两透镜 的公共焦点上放置针孔滤波器。扩 束镜将激光细光束变换为球面波。准直透镜则是把这个球面波变成较 大直径的平面波，针孔滤波器用来 消除高频噪声，提高光束质量，准直透镜C-图6扩束.准直光路以获得亮度均匀的宽光束。6.傅里叶变换透镜傅里叶变换透镜是光学信息处理系统中最常用的基本部件，它可以作为一般 透镜使用，但在信息光学实验中对图像进行傅里叶变换构成系统时，必须成 对使用，审联构成相干光学信息处理系统。根据透镜的傅里叶变换性质，当物体置于透镜的前焦面上时，在其后焦面上 将获得物体的傅里叶变换频谱。对于这种透镜，首先要求能很好地消除焦平面像 差，即要求前焦面上不同点源发射的光经透镜以后都能变成平行光，不同方向的 平行光经透镜后都能很好地聚焦于后焦面上。而且由于在光信息处理中，该类透 镜兼有频谱分析和成像两方面的作用，故要求傅里叶透镜既能消除焦平面像差，同时又能对特定的一对物像共物而校正像差，即设计傅里叶变换透镜时，需要对 两对共加面（即物方焦平面-像方无穷远，物方无穷远-像方焦平面）同时校正 相差，而且一般只能在一定范围内近似消除相差。用于白光信息处理系统中时，还应具有消除焦平面色差的良好性能，因此一个傅里叶透镜都由多个镜片胶合而 成，价格较贵。为 心 巳傅里叶透镜的相对孔 I 径一般不大，在 1/31/10 1 A左右，待处理的图片线度 小一.（视场）约为透镜孔径的一 工 一半为宜。傅里叶变换透镜 f的视场取决于镜头的孔-径，能得到准确傅里叶变 图7傅立叶变换透镜的视场和最大空间频率值换的最大空间频率取决透镜的孔径和焦距。由傅里叶光学知识可知，其最大空间频率值（图7 为：DUM=W(1-1)10式中，。为透镜的孔径，/为焦距，丸为光波波长。7.平行平晶平行平晶主要用于光学平面平整度的检测，或构成剪切干涉仪检测光束的准 直度。要求两面有较高的平面度(2/10)和平面平行度(4f,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Si、S2的像），测 出两个清晰的像间距由及分，根据物象公式，虚光源Si、S2的间距4=邑4/4（第 一次成像）。d=s2d2/s（第二次成像）而，s；=$2故/二（一）（_ 4出，Si s2即 d=J d、d 2,代入公式A=Nxd I。即可求出波长九图2-4二次成像光路图29实验三夫郎和费单缝衍射实验、实验目的1、观察夫郎和费衍射图样；2、利用单缝衍射公式测钠光波长。二、实验原理平行光通过狭缝时产生的衍射条纹定位于无穷远，称作夫郎和费单缝衍射。它的衍射图样比较简单，便于用菲涅耳半波带法计算各级加强和减弱的位置。设狭缝AB的宽度为。（如图3-1,入射光波长为九。点是缝宽的中点，0P0 是AB面的法线方向。图3原理图AB波阵面上大量子波发出的平行于该方向的光线经透镜L会聚于尸o点，这 部分光波因相位相同而得到加强。就AB波阵面均分为4。、50两个波阵面而言，若从每个波带上对应的子波源发出的子波光线到达尸o点时光程差为2,此处的 光波因干涉相消成为暗点，屏幕上出现暗条纹。如此讨论，随着角的增大，单 缝波面被分为更多个偶数波带时，屏幕上会有另外一些暗条纹出现。若波带数为 奇数，则有一些次级子波在屏上别的一些位置相干出现亮条纹。如波带为非整数,则有明暗之间的干涉结果。总之，当衍射光满足：BC=a sin 0=k%（k=1,2,-时产生暗条纹；当满足：BC=asin（p=2 左+1 2/2（k=0,1,2,）时产生明条纹。在使用普通单色光源的情况下（钠灯），满足上述原理要求的 实验装置一般都需要在衍射狭缝前后各放置一个透镜。但是一种近似的方法也是 可行的，就是使光源和观测屏距衍射缝都处在“远区”位置。川一个长焦距的凸透 镜L使狭缝光源Spi成像于观测屏S上（如图3-2,其中S与Spi的距离稍大于四 倍焦距，透镜大致在这个距离中间，在仅靠L安放一个衍射狭缝Sp2,屏S上即 出现夫郎和费衍射条纹。30图3-2夫郎和费衍射图样设狭缝Sp2与观测屏S的距离为人第k级亮条纹与衍射图样中心距离为队，则 tg（p=Xb由于。角极小，因而tg（p sino又因为衍射图样中心位置不易准确测定,所以总是量出两条同级条纹间的距离2网。由产生明条纹的公式可知：2人二 2 左+1 2 2,a由此可见，为了求得入射光波长，须测量2网，。和b三个量。三、实验仪器1、钠光灯（加缝或孔光栏）2、凸透镜L1：/=50mm3、二维调整架：SZ-074、单面可调狭缝：SZ-225、凸透镜L2：/=70mm6、二维调整架：SZ-077、测微目镜Le（去掉物镜的读数显微镜）8、读数显微镜架：SZ-389、三维底座:SZ-0110、二维底座：SZ-0211、一维底座:SZ-0312、一维底座：SZ-03四、仪器实物图及原理图31曼克孔北世L1 单曼 L2 Le1II50.60610-iso _12图3-3仪器实物图及原理图五、实验步骤1、把钠灯光通过透镜聚焦到单缝上成为缝光源。再把所有器件按图3-3的顺 序摆放在平台上，调至共轴。其中小孔（，=lmm 和微测目镜之间的距 离必须保证满足远场条件。（图中数据均为参考数据）2、调节焦距为70的透镜直至能在微测目镜中看到衍射条纹。如果无条纹，可去调节小孔的大小。直到找到合适的小孔为止。3、仔细调节狭缝的宽度，直到目镜视场内的中央条纹两侧各有可见度较好的3,4条亮纹。记录单缝和微测目镜的位置，计算出两者间的距离儿4、读出狭缝宽度内并且记录下来。六、数据处理加2 _ 24而Z 一为了便于计算波长可以设助/。=z,2网为两条同级条纹间的距离，先对不同的次级k求出Z值，求平均，计算波长。y _ aA-Z 一 b七、注：多孔架的8孔大小分别为：,0.10mm,00.15mm,00.20mm,00.30mm,00.50mm,0.60mm,01.0mm,2.0mm。32实验四夫郎和费圆孔衍射实验、实验目的1、观察夫郎和费圆孔衍射图样;2、计算艾里斑的直径。二、实验原理把实验三的单缝衍射装置中的单缝以一小孔代替，应用钠灯光源，可以在透 镜的焦平面上看到圆孔衍射图样，衍射图样是一组同心的明暗相间的圆环，可以 证明以第一暗环为范围的中央亮斑的光强占整个入射光束光强的84%,这个中央 光斑称为艾里斑。经计算可知，艾里斑的半角宽度为：Aesina=0.61=1.22 R D式中D是圆孔的直径。图4-1夫郎和费圆孔衍射原理图若透镜力2的焦距为了，则艾里斑的线半径由图4-1可知，为:A/=/-tgOx由于仇一般很小，故tgO sini A6io贝UA/=1.22歹/。三、实验仪器1、钠光灯（加圆孔光栏）2、多孔架 01mm：SZ-213、凸透镜L：/=70mm4、二维调整架：SZ-076、读数显微镜架：SZ-387、三维底座：SZ-018、二维底座：SZ-049、一维底座：SZ-015、测微目镜Le（去掉物镜的读数显微镜）33四、仪器实物图及原理图图4-2仪器实物图及原理图五、实验步骤1、把所有器件按图4-2的顺序摆放在平台上，调至共轴。其中光栏和微测目 镜之间的距离必须保证满足远场条件。其中衍射孔的大小为1mm。（图中 数据均为参考数据）2、调节透镜直至能在微测目镜中看其中心为亮斑到衍射条纹。3、记录下艾里斑的直径,和计算值进行比较。六、数据处理用测微目镜测出艾里斑的直径由已知衍射小孔直径。=lmm,焦距/=70mm,验证e=1.224/7。公式的正确性。34实验五菲涅尔单缝衍射实验一、实验目的观察菲涅尔单缝衍射现象。二、实验原理菲涅尔衍射和夫郎和费衍射是研究衍射现象的两种方法，前者是不需要用任 何仪器就可以直接观察到衍射现象，在这种情况下，观察点和光源（或其中之一）与障碍物（或孔）间的距离有限，在计算光程和叠加后的光强等问题时，都难免 遇到繁琐的数学运算。而后者研究的是观察点和光源距障碍物都是无限远（平行 光束）时的衍射现象，在这种情况下计算衍射图样中的光强分布时，数学运算就 比较简单。所谓光源无限远，实际上就是把光源置于第一个透镜的焦平面上，得 到平行光束；所谓观察点无限远，实际上就是在第二个透镜的焦平面上观察衍射 图样。三、实验仪器1、He-Ne激光器 632.8nm 2、小孔径扩束镜L：/=6.2mm3、二维调整架：SZ-074、单面可调狭缝：SZ-226、公用底座:SZ-047、一维底座：SZ-038、一维底座：SZ-039、公用底座:SZ-04图5-1仪器实物图及原理图35四、仪器实物图及原理图（如图5-1 五、实验步骤把所有器件按图5-1的顺序摆放在平台上，调至共轴。激光器通过扩束镜（以 不满足远场条件）投射到单缝上，即可在屏幕上出现衍射条纹，缓慢地连续地将 单缝由窄变宽，同时注意屏幕上的图样，即可观察到与理论分析结果一致的由夫 郎和费单缝衍射图样过渡到菲涅尔单缝衍射图样。也可不加扩束镜。（图中数据 均为参考数据）36实验六菲涅尔圆孔衍射实验一、实验目的观察菲涅尔圆孔衍射现象。二、实验原理图6菲涅尔圆孔衍射原理图如图6-1所示：S-单色光源，P-光场中任一点，S与尸之间有一带圆孔的光屏 M,圆孔中心在SP连线上。这时S对P的作用就只是内露出的一部分波面E上的那 些次波源在尸点所产生的光振动的叠加。按照波带法，分别以尸为中心，什2/九 什九.为半径将露出的波面分成若干个波带，各波带在尸点产生振动的振幅为：A.=%/2 Q,./2当圆孔露出奇数个波带时，尸点的光强度是约等于亮点，而当圆孔露出偶数 个波带时，尸点是光强度接近于零的喑点。1、改变圆孔大小时，尸点周围明暗相间的圆形条纹会发生亮暗交替变化。2、若将尸点处的白屏沿轴向移动时，中心点也会产生亮暗交替变化。三、实验仪器1、He-Ne激光器(632.8nm)6、公用底座:SZ-042、小孔径扩束镜L：/=6.2mm7、一维底座：SZ-033、二维调整架：SZ-078、一维底座：SZ-034、多孔架（0 0.5mm：SZ-219、公用底座:SZ-045、白屏H：SZ-1337四、仪器实物图及原理图图6-2仪器实物图及原理图五、实验步骤把所有器件按图6-2的顺序摆放在平台上，调至共轴。只是将实验五中的衍 射单缝换成直径0.5mm的衍射圆孔，将屏幕逐渐远离圆孔，将看到中心点由亮-暗-亮的衍射结果，当距离为400mm时，中心是一个暗点，210mm和600mm时为 亮点（图中数据均为参考数据）。也可去掉扩速镜，找到合适的圆孔，观察艾里 斑。38实验七偏振光分析实验一、实验目的1、观察光的偏振现象；2、分析偏振光，起偏和定光轴，总结实验结果。二、实验原理(-)偏振光的基本概念光是电磁波，它的电矢量和磁矢量8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，如图7-1(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(图7-1(b)。在发光过程中，有些光的振动而在某个 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(图7-1(c),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。图74偏振光电矢量取向图(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这时，反射光成为完全偏振光，其振动而垂 直于入射面(见图7-2)而角内就是布儒斯特角，也称为起偏振角，由布儒斯特39定律得tg6=%/珥例如，当光由空气射向=1.54的玻璃板时，M=57。,若入射光以起偏振角。b 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，其振动而平行于人射面。由多层玻璃片组成的这种透射起偏振器又称为玻璃片 堆。见图7-3。图7-2反射起偏器原理图图7-3玻璃片堆原理图图7-4线偏振光的获得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。3、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链状分子。在胶膜被拉伸时，这些链状 40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 示意图如图7-4。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（本实验使用的元件）。（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/o的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为：1=1。cos?0式中e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9=0。时，透射光强度 最大；当8=90。时，透射光强度最小（消失状态）；当0。兴90。时，透射光强度 介于最大值和最小之间。因此，根据透射光强度变化的情况，可区别光的不同偏 振状态。（四）偏振光通过波晶片时的情形L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。光与e光。光电 矢量垂直与光轴；e光电矢量平行于光轴。而。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Vo，e光的为Ve,即相应的折射率%0、”不同。设晶片的厚度为，则两束光通过晶体后就有位相差：式中丸为光波在真空中的波长。2左的晶片称为全波片，2版土万称为半 波片（或2波片）；a=2k7T7r/2称为4片，其中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，。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。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。分量，透过晶片，二者间产生 41一附加位相差b。离开晶片时合成光波的偏振性质，决定于b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 差是无规则的，通过波晶片，引入一恒定的位相差5其结果还是无规则的。(ii)若入射光为线偏振光，其电矢量平行e轴(或。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Ee=Ae cos cotEo=Ao cos(。/+e)s=0或出射光表示为l/27r 7、纹=4 COS(血一丁 4/)AL/2兀 八纥=Ao cos(Z+-nQl)A讨论二波的相对位相差，上式可写为Ee=Ae cos cot27r 2TCEo=Ao cos(。/+s-nJ+nJ)=Ao cos(&+s a=7r出射光二正交分量的相对位相差由决定。现在一。=0 一 乃=一万 和-O=7C-71=0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 成牖，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)力4片与偏振光(i)入射光为线偏振光Ee-Ae cos cotEo=Ao cos(如+E)s=0或%则出射光为42Ee=Ae cos cotJIEo=Ao cos(血+-cr),a=-此式代表一正椭圆偏振光。s o +/2对应于右旋，E-b=-;z72对应于左 旋。当4=4。时，出射光为圆偏振光。(ii)入射光为圆偏振光Ee=Ae cos cot兀Eo-Ao cos(&+),s=此式代表线偏振光。=0出射光电矢量出沿一、三象限；8(7 71,出沿 二、四象限。(iii)入射光为椭圆偏振光Ee-Ae cos cotEo=Ao cos(&+E),由 出射光为Ee=Ae cos cotEo=Ao cos(如+-cr),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、可变口径维架：SZ-054、偏振片(检偏器)5、X轴旋转二维架：SZ-06(两个)6、白屏H：SZ-13四、仪器实物图及原理图E-油J+才壬意取值,71O=+27、通用底座：SZ-048、一维底座:SZ-039、一维底座:SZ-0310、通用底座：SZ-0411、万4、4/2波片各一片12、公用底座：SZ-04(波片使用)43图7-5仪器实物图及原理图五实验步骤及数据处理1、定偏振片光轴：把所有器件按图7-5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。2、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，把后由旋转二维架转动360。，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。，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。，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)继续将力2波长转15。(即总转动角为30。)，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。，60,75,90,记录检偏器消光时所 转总角度。44半波片转动角度检偏器转动角度153045607590从上面实验结果得出什么规律？3、用波片产生圆偏振光和椭圆偏振光(1)按图7-5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。，然后将检偏器转动360。，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。,45,60,75,90,每次将检偏器转动，记 录所观察到的现象。九/4波片转动角度检偏器转动360。观察到的现象光的偏振性质15304560759045实验八全息照相实验一、实验目的1、理解光学全息照相的原理与特点；2、学习拍摄全息图与再现立体图像的方法。二、实验原理全息照相是一种新型的照相技术。早在1948年伽柏(DGabor)就提出了全 息原理。60年代初激光的发明使全息技术得到迅速的发展，并在许多领域得到了 广泛的应用。无论从基本原理上，还是从拍摄和观察方法上，全息照相与普通照 相都有本质的区别。普通照相基于几何光学的透镜成像原理，它所记录的是物通 过透镜成像后，像平面上的光强分布，而失掉了光波的另一个信息位相，因 而只能呈现一个平面图像，而失去了立体感。全息照相是基于干涉、衍射的原理。它的关键是引入一束相干的参考光波，使其和来自物体的物光波在全息干板处相 干涉，底片上以干涉条纹的形式记录下物光波的全部信息强度和位相，这就 是全息照相名称的由来。经过显影定影等暗室处理后，底片上形成明暗相间的复 杂的干涉条纹，这就是全息图。若用与参考光相同的光束以同样的角度照射全息 图，全息图上密密的干涉条纹相当于一块复杂的光栅，在光栅的衍射光中，会出 现原来的物光波，能形成原物体的立体像。因此，全息照像可分为全息记录和波 前重现两个基本过程，它们的本质就是干涉和衍射。(一)透射式全息照相透射式全息照相是指重现时所观察的是全息图透射光的成像。下面对平面全 息图的情况做具体的数学描述。1、全息记录设来自物体的单色光波在全息干板平面(平面)上的复振幅分布为：。(羽团=4(x/)expz%(x/)(1)上式称为物光波。同一波长的参考光波在平板平面上的复振幅分布为：R(x,j)=AR(x/)expz(X/)上式称为参考光波。平板上总的复振幅分布为：U(x,y)=。(兀歹)+K(x/)干板上的光强分布为：I(x,y)=U(x4)U*(x/)(4)将,(2),(3)式代入(4)式中,得出:46/(X9J)=+4+44 exp，(“o-)+ARA0 expz(-()(5)适当控制曝光量和冲洗条件，可以使全息图的振幅透过率j)与曝光量(与光 强I成正比)成线性关系，即Z(x9j)x/(x?y)设 心/)=。+例(X/)(6)a,分为常数。这就是全息图的记录过程。由上面的描述可知，底片上干涉条纹的反衬度为：I-I.o _ max mm人十2 2其中,max=|4+4，(”|4一 J。干涉条纹的间距则决定于(心-“0)随位置变化的快慢。对一定的灭,4来 说，干涉条纹的明暗对比反映了物光波的振幅大小，即强度因子，干涉条纹的形 状间隔反映了物光波的位相分布。因此底片记录了干涉条纹，也就记录了物光波 前的全部信息振幅和位相。2、波前重视用与参考光完全相同的光束照射全息图，透过光的复振幅分布是：ut(X4)=R(x,y)t(x,y)(7)将(2),(6)式代入上式，整理得出：。(苍小=闻仪+例4：+或)exp(，%)+/；4expao)+44 exp(，(2%)(8)式中的第一项，具有再现光的特性，是衰减了的再现光，这是。级衍射。(8)式的第二项，是原来的物光波乘一系数，它具有原来物光波的特性，如果用眼睛 接收到这个光波，就会看到原来的“物”，这个再现象是虚像，称为原始像。(8)中的第三项，具有与原物光波共辄的位相exp(-，Z),说明它代表一束会聚光，应形成