光學(xué)平臺26項實驗

光學(xué)平臺26項實驗一、自準(zhǔn)法測凸透鏡焦距按圖所示將磁力座靠緊平臺鋼尺，擺好實驗裝置，白熾燈源照亮小孔光欄透過小孔的光束照射到反射鏡上，在小孔與反射鏡之間放入待測透鏡，然后沿鋼尺移動透鏡，在小孔板接近小孔的地方看到清晰的小孔像，此時透鏡到小孔屏之間的距離即為透鏡的焦距，（可從尺上直接讀?。?。圖1.白熾燈2.小孔光欄3.凸透鏡4.二維調(diào)整架5.反射鏡6.二維反射鏡調(diào)整架7.二維平移臺8.三維平移臺9.一維平移臺二、兩次成像法測凸透鏡焦距實物經(jīng)正的薄透鏡成一實像，物和像之間的距離必須不小于透鏡到四倍焦距。當(dāng)滿足此條件時，在物和屏之間透鏡可兩個位置，但其在位置A處時，屏上出現(xiàn)放大的三孔屏的像，當(dāng)透鏡在B位置時屏上將出現(xiàn)縮小的像。調(diào)整好光路，使物屏和黑白屏間的距離大于四倍的焦距。放入待測透鏡先找到靠近物屏處的放大的實像，記下物屏到黑白屏之間的距離D及放大像時透鏡的位置。然后移動透鏡直到出現(xiàn)清晰的縮小的實像，記下此時透鏡的位置量出AB間距離d由公式即可求出透鏡的焦距。圖1.白熾燈源2.物屏（三孔屏）3.凸透鏡4.二維透鏡夾5.黑白屏6.一維座7.二維座三、凹透鏡焦距的測定按自準(zhǔn)法調(diào)出白熾燈平行光，即在較遠處看到一燈絲的像，此時接近平行光，將凸透鏡2作為輔助透鏡（焦距F1位已知），與待測凹透鏡3貼在一起合成組合透鏡（可以認(rèn)為兩鏡間的距離為0）這樣可以把組合透鏡看成一薄凸透鏡，在屏上可得一實像此實像位置即為組合透鏡的焦距面F2，測出組合透鏡的焦距f實際上是凹透鏡3的像距，其物距為凸透鏡的焦距f1（已知）。由物像關(guān)系公式：因此即可求出凹透鏡的焦距。圖1.白熾燈源2.凸透鏡3.凹透鏡4.二維透鏡夾5.黑白屏6.一維座7.三維座四、由物像關(guān)系放大率側(cè)目鏡焦距按圖調(diào)整好光路，在測微目鏡中能清楚地看到微尺的像，并測量微尺像的高度，以微尺高度為物高，像高/物高=像距/物距，測出物距，根據(jù)上式即可求出目鏡的焦距。圖1.白熾燈源2.微尺（10：100）3.二維三爪鏡架4.待測目鏡5.二維鏡夾6.測微目鏡架7.測微目鏡8.三維座9.一維座五、組裝顯微鏡并粗測其放大率顯微鏡的成像原理顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)如圖L1為顯微物鏡，L2為顯微鏡的目鏡L1的焦距很短（如100倍的物鏡焦距只有1-2毫米）。它的作用是將小物體AB放大成實像,此實像作為目鏡L2的物，通過L2在明視距離（一般為So-25厘米）處成一放大的虛像。虛像成為眼睛這一光學(xué)系統(tǒng)的物，它在視網(wǎng)膜上成的像，就是眼睛通過顯微鏡對物AB所獲的最后的像。這個像對瞳孔的張角較放在離眼為So的物體AB對瞳孔的張角大許多倍。為提高放大率，實像應(yīng)成目鏡L2的第一焦點以內(nèi)的焦深范圍里。圖中代表鏡筒長度，通常顯微鏡用標(biāo)準(zhǔn)筒長，其長度I=16厘米，A代表物鏡第二焦點F1到F2的距離，叫做光學(xué)間隔。因為是固定的，為使成像清晰，在使用顯微鏡時，只能調(diào)節(jié)物體到物鏡的距離。1.從兩塊焦距不同的凸透鏡中選一塊作物鏡，另一塊作目鏡限定筒長（約為16厘米），調(diào)正兩透鏡是它們的光軸在同一直線上。2.在物鏡前放置被觀察的小物體2（微尺）使其在兩透鏡的光軸上，移動被觀察物（微尺）直到眼睛從目鏡觀察到清晰放大的虛像，記下物與物鏡間距離，在眼睛位置放上毫米刻尺，使像成在刻尺上，看到微尺在刻尺上的大小可測出其放大率。圖1.白熾燈源2.微尺（10：100）3.二維三爪鏡架4.物鏡（f=50mm）5.二維鏡夾6.目鏡（f=30mm）7.毫米刻尺（30mm左右）8.干板夾9.一維座10.三維座六、組裝簡單望遠鏡將準(zhǔn)直物鏡（含膠合透鏡）做物鏡，另一片凸透鏡做目鏡，調(diào)整兩鏡片同軸，前方在不同距離處放標(biāo)尺，調(diào)正兩鏡片間的間隔將能看清標(biāo)尺的像。當(dāng)改變兩鏡間的距離時望遠系統(tǒng)的倍率放生著變化。另外將準(zhǔn)直物鏡換上一般的凸透鏡，將看到標(biāo)尺的像的質(zhì)量會發(fā)生變化，可作比較。圖1.標(biāo)尺（或遠方景物）2.凸透鏡（含膠合透鏡較好）3.光鏡二維架（三爪夾）4.目鏡（f=50）七、組裝帶正像棱鏡的望遠鏡將六系統(tǒng)中在適當(dāng)位置加正像棱鏡，由于加入正像棱鏡光路將縮短可將標(biāo)尺改為物屏在平臺上即可完成實驗。圖1.白熾燈源2.物屏（三孔屏）3.物鏡（雙膠合）4.二維鏡夾5.正像棱鏡6.棱鏡座7.目鏡8.三維鏡夾9.二維座10.一維座11.三維座八、自裝投影儀按圖將光路組裝好，調(diào)正白熾燈的聚光鏡均勻照亮幻燈片移動投映物鏡，在屏上顯現(xiàn)清晰的幻燈片圖像，通過更換物鏡用兩片組合或3片組合可觀察到屏像的清晰度的變化。從而了解投影物鏡的規(guī)律。圖1.白熾燈2.幻燈片3.干板夾4.放映物鏡（f=200）5.二維鏡夾6.黑白屏7.一維座8.二維座九、透鏡節(jié)點的測定根據(jù)透鏡節(jié)點的性質(zhì)是通過物方節(jié)點的光線，其共軛光線必然通過像方節(jié)點，并與入射光線平行。先用自準(zhǔn)法分別測定兩種透鏡組的焦點位置，并測出焦距后去掉小孔屏2和反射鏡6，調(diào)正好白熾燈聚光鏡使其發(fā)出平行光，用平行光照射透鏡組，當(dāng)一束平行光照射到定心夾上的透鏡3，此時若透鏡的后節(jié)點剛好與測節(jié)點器的轉(zhuǎn)軸重合，整體轉(zhuǎn)動測節(jié)器組時，透鏡所成像位置始終不變。此時在測量器尺上直接讀取節(jié)點位置數(shù)值。圖1.白熾燈2.小孔屏3.透鏡（f=100）4.測節(jié)器5.鏡夾（透鏡f=150）6.平面發(fā)射鏡7.黑白屏8.一維座9.二維座十、單縫的夫瑯和費衍射夫瑯和費衍射是指平行光的衍射，即光源和接收屏幕到狹縫的距離都是無限遠（或相當(dāng)于無限遠）。在實驗中常常借助于正透鏡來實現(xiàn)，從光源S出發(fā)經(jīng)透鏡L1形成的平行光束垂直照射到狹縫AB上（縫寬為a），根據(jù)惠更斯-菲涅耳原理，狹縫上各點都可看成是發(fā)射子波的新波源，子波在L2的后焦面上疊加形成一組明暗的條紋，中間條紋最亮亦最寬。實驗中以He-Ne激光器作為光源，由于激光束具有良好的方向性，平行度很高，因而可以省去直準(zhǔn)透鏡L1，并且，若使觀察屏遠離狹縫，縫的寬度遠遠小于縫到屏的距離（即滿足遠場條件），則透鏡L2可以省略。簡化后的光路如圖。實驗證明，當(dāng)Z約等于100cm時，a約等于8*m時便可得到比較滿意的衍射花樣。圖11.鈉光燈2.狹縫3.干板架4.二維鏡架5.狹縫6.二維鏡架（f=200）7.測微目鏡及支架8.三維座9.二維座10.一維座圖2圖3光強分布曲線如下圖所示。圖3單縫衍射光強分布曲線十一、雙縫、單縫衍射將單縫AB換成雙縫，每條縫的寬度仍為a,中間間隔寬度為b的不透明部分，則兩縫的間距為d=a+b,分布為：式中，，表明，雙縫衍射圖樣的光強分布由兩個因子決定。其一是，即單縫夫瑯和費衍射圖樣的光強分布；其二是，它表示光強同為I0而相位差2v的兩光束所產(chǎn)生的干涉圖樣的光強分布。因此雙縫的夫瑯和費衍射圖樣是單縫衍射和雙縫干涉這兩個因素聯(lián)合作用的結(jié)果。圖11.鈉光燈2.聚光燈（f=50）3.可調(diào)狹縫4.干板夾5.二維夾持架6.多縫板7.測微目鏡架8.測微目鏡9.三維座10.一維座由前公式可得出（1）只要這兩個因子中有一個為零，則光強為零。就第一個因子而言，光強為零的條件是即(k=)就第二個因子而言，光強為零的條件是即（m=1,2,3……）(2)出現(xiàn)雙縫干涉光強其大致的條件是即(3)當(dāng)確定的干涉極大正好與由確定的衍射極小的位置重合時，那么第n級干涉極大將不會出現(xiàn)，這稱為缺級。即當(dāng)時發(fā)生缺級，例如d/a=3,則缺少各級，其光強分布曲線如圖圖十二、夫瑯和費圓孔衍射原理及實驗均參照夫瑯和費單縫衍射圖1.鈉光燈（a處加一小光欄）2.衍射孔0.45毫米3.透鏡及支架4.測微目鏡及支架十三、菲涅耳圓孔衍射圖1.激光器及支架2.擴束鏡及支架3.小孔板（1.5）及支架4.黑白屏5.一維座（6、8）7.二維座十四、菲涅耳直邊衍射現(xiàn)象的觀察圖1.激光器及支架2.擴束鏡及支架3.刀片及干板架4.黑白屏5.一維座（6、8）6.二維座十五、雙棱鏡法則測激光波長用雙棱鏡分波前的方法產(chǎn)生雙光束干涉實驗是菲涅耳等人當(dāng)年為研究驗證光的波動性質(zhì)所設(shè)計的。實驗裝置如圖所示。單色光源M發(fā)出的光經(jīng)凸透鏡L匯聚在狹縫S上，被照亮的單縫成為一線狀光源，由它發(fā)出的光經(jīng)雙棱鏡B折射形成兩束如同從虛光源S1和S2發(fā)出的光一樣，滿足干涉條件。將屏放在兩束光束重疊區(qū)域內(nèi)可看到與縫平行的干涉條紋，并且屏上任一點處的亮暗只決定于兩光波到達該點的光程差。當(dāng)光程差為波長的整數(shù)倍時出明條紋，當(dāng)光程差為波長的奇數(shù)倍時形成暗條紋。圖設(shè)S1和S2之間距為d，其所在垂直軸平面至屏的距離為D，（一般認(rèn)為S1，S，S2處在同一垂直軸面內(nèi)），兩相鄰的亮條紋（或暗條紋）之間的距離為，單色光波長為，根據(jù)干涉理論，當(dāng)D〉〉d時，可得條紋寬度表達式為實驗中只要測出d,D,,各量，有上式即可求出波長。當(dāng)采用激光器作實驗時，光路如圖所示。因激光光束平行度高，方向性好，匯聚點S為一良好的點光源。由雙棱鏡B折射造就的兩束光源S1和S2發(fā)出的光在屏（可用墻壁）上疊加形成與雙棱鏡棱脊平行的干涉條紋。圖1.激光器及支架2.擴束鏡及支架3.可調(diào)狹縫4.菲涅耳雙棱鏡5.干板夾6.測微目鏡及架7.三維座8.一維座9.二維座實驗步驟1.按照“光學(xué)調(diào)整技術(shù)”中所描述方法調(diào)節(jié)激光束平行于導(dǎo)軌。2.依次放置L，B并調(diào)節(jié)各元件共軸，改變B位置觀察屏上條紋的疏密變化。3.在雙棱鏡B后放置成像透鏡L0并調(diào)節(jié)共軸，觀察屏上兩虛光源所成像點（此時兩像點應(yīng)以極細(xì)的亮線連接），適當(dāng)選擇雙棱鏡位置，使得兩像點間距離與可測部分的條紋總寬度相當(dāng)。4.測出N條干涉條紋的總寬度W，計算出條紋間隔。5.測出兩像點距離d’。6.測出L0至屏的距離（即像距）。7.計算L0成像的放大率：。8.計算兩虛光源間隔：。9.計算物距：。10.計算激光波長：。11.重復(fù)測量5次，計算測量結(jié)果的相對誤差。十六、菲涅耳雙棱鏡干涉實驗原理方法如前項。1.鈉光燈2.透鏡及架3.可調(diào)狹縫組4.菲涅耳雙棱鏡及架5.干板架6.測微目鏡及架7.三維座8.一維座9.二維座十七、菲涅耳雙鏡干涉與菲涅耳雙棱鏡干涉實驗類同。1.鈉光燈2.小孔光欄3.透鏡及支架4.可調(diào)狹縫組5.雙鏡及支架6.測微目鏡及架7.三維座8.一維座9.二維座十八、牛頓環(huán)試驗1.牛頓環(huán)2.光柵座3.半反射透鏡及架4.測微讀數(shù)顯微鏡架5.鈉光燈十九、平面衍射光柵常數(shù)的測量1.汞燈2.透鏡(f=50)3.可調(diào)狹縫4.透鏡（f=150）5.二維架6.光柵7.透鏡（f=200）8測微目鏡及架常用的衍射光柵分透射式和反射式兩種。透射式光柵是用金剛石刀在平面玻璃板上刻劃制成的，反射式光柵是在硬質(zhì)合金上刻劃而成的。由于光柵縫的刻劃條數(shù)多，精度高，加工困難，故原刻劃光柵昂貴。實驗室中多用復(fù)制光柵或全息光柵。如圖所示，一理想的透射式平面光柵可視作是相互平行、等寬、等間距均勻排列的許多狹縫。設(shè)光柵縫寬慰a，相鄰兩峰間不透光的部分為b，兩者之和記作d，稱為光柵常數(shù)，根據(jù)夫瑯和費衍射理論，一束平行光垂直地入射到平面透射光柵上經(jīng)各縫衍射后向各方向傳播，凡衍射角適合條件6-12-1的光經(jīng)透鏡匯聚在焦平面上將相互加強，形成亮條紋（即光譜線）。其它方向的光將相互抵消形成暗區(qū)。6-12-1式稱作平行光垂直入射時的光柵方程。式中的為衍射角，為光波波長,k為光譜線級數(shù)（取整數(shù)）。當(dāng)k=0時，=0，各種波長的光均滿足（6-12-1）式，重合在一起形成零級光譜。K不為零時，不同波長的光對應(yīng)不同的衍射角，光譜線便按波長（或衍射角）由小到大展開。級次相同的正負(fù)級譜線對稱的分布在零級譜線兩側(cè)。根據(jù)6-12-1式，只要實驗測出某級譜線的衍射角，當(dāng)光柵常數(shù)d和譜線波長中的一個量為已知時，另一個量即可求得。當(dāng)平行光以入射角i射向光柵時，根據(jù)相鄰兩光束光程差計算，此時光柵方程為若入射光與衍射光在光柵面法線的同側(cè)，上式中取（+）號，反之取（-）號。光柵特性常用“色散率”與“分辨率”表示。色散率表示不同波長譜線分開當(dāng)程度。微分6-12-1式可得色散率Di的表達式為分辨率表示能分開相鄰兩譜線的能力，把剛好可被分開的兩譜線的平均波長除以波長差定義為分辨率，用R表示，則，根據(jù)瑞利判據(jù)，由光柵方程也可以得到光柵的分辨率為式中N為光柵狹縫總條數(shù)。二十、組裝單色儀單色儀：是在成像平面（L2的焦平面）上裝上一個出射狹縫S2，允許通過S2的出射光譜只有一個較小的波長間隔的一種光譜器。棱鏡位置的偏轉(zhuǎn)，而是使各種不同的單色平行光通過L2聚焦于出射狹縫S2的中心出射而獲取某一波長的單色光。1.低壓汞燈2.聚光燈3.可調(diào)狹縫4.準(zhǔn)直物鏡5.色散棱鏡6.狹縫7.讀數(shù)顯微鏡圖入射狹縫S1在準(zhǔn)直透鏡L的焦面上，由S1入射到單色儀的復(fù)色光，經(jīng)L后成為平行光束，經(jīng)分光棱鏡P后，分成多束單色光，S2位于L的焦平面上，由P折射出來的某束單色光入射到L后聚焦于出射狹縫S2處出射，從而獲得單色光。二十一、偏振光演示與分析實驗1.白熾燈2.綠色片3.偏振片及框架（360度旋轉(zhuǎn)）4.檢偏器（360度旋轉(zhuǎn)）5.毛玻璃屏及干板架6.一維座7.三位座實驗時調(diào)整好各器件在同一條直線上，先放一個偏振片3，然后旋轉(zhuǎn)偏振片作360度旋轉(zhuǎn)，屏上光強的變化。再把偏振片4放入，使偏振片3（起偏器）固定在0度不動，然后旋轉(zhuǎn)偏振片4（檢偏器），通過觀察屏上的變化來分析偏振現(xiàn)象。二十二、觀察偏振光S-光源M-黑色反光鏡A-檢偏器F-投影屏（一）反射引起的偏振1.觀察反射引起的偏振現(xiàn)象及偏振方向2.布儒斯特定律演示操作方法：1.在儀器工作臺面上插上照明燈和投影屏。2按上反射鏡架和檢偏器。使光欄圓孔像移至投影屏上。3.調(diào)整M和E成大致57度位置，調(diào)整照明燈光軸和M大致成33度方位上。4.照明燈點亮后，即可在屏E上看到偏振光象。轉(zhuǎn)動A時E上的光強明暗變化。當(dāng)轉(zhuǎn)至光強最暗位置，此時，偏振光振動方向和A偏振面一致。此時，光線在M上入射角Ib，即布儒斯特角。（二）折射引起的偏振圖S-光源G-玻璃堆A-檢偏器E-投影屏1.觀察折射引起的偏振及震動方向。2.隨光線入射角度變化，偏振光強改變（演示布儒斯特定律）。操作方法：1.將照明燈座插入光軸和導(dǎo)軌平行位置。2.取下M，換上G。3.調(diào)整G和E，大致成57度。4.轉(zhuǎn)動A可觀察到光強明暗變化。轉(zhuǎn)至光強最暗位置時，偏振光振動方向和A偏振面一致，此時的入射角即布儒斯特角。5.從A上刻度值可比較振動面和圖1中反射面振動方向是相互垂直的。二十三、偏振狀態(tài)實驗（一）偏振狀態(tài)1.觀察線偏振光，驗證馬呂斯定律2.演示橢圓偏振，圓偏振，線偏振之間的轉(zhuǎn)化S-光源P-起偏器A-檢偏器M-波片操作方法：1.按圖4裝置，轉(zhuǎn)動P，A，使E上光強最暗，此時記為起始值（），轉(zhuǎn)動A成角，光強增加，旋至光強最大。在360度范圍內(nèi)E上光強有二次最強和最暗，按馬呂斯定律變化。2.加入1/4波片，使其光軸和P振動面成45度時，由線偏振光變圓偏振光，轉(zhuǎn)動檢偏器時，E上光強幾乎不變。若不是45度放置，則成為橢圓偏振光。3.移動1/4波片加入1/2波片，波片光軸與P振動面成45度放置，光線為線偏振，轉(zhuǎn)動檢偏器A，調(diào)至最暗位置，移動波片后可看到振動面旋轉(zhuǎn)90度，一般規(guī)律是波片與光軸與偏振片成角安置時，則2方向有線偏振光。（二）光側(cè)彈性（人工雙折射）壓縮產(chǎn)生雙折射S-光源（旋掉光欄及它前面的部分）P-起偏器A-檢偏器B-光側(cè)彈性架G-聚光鏡E-投影屏操作方法：1.按圖5裝置，轉(zhuǎn)動P和A調(diào)成全暗，再放入試樣并壓縮，試樣光強變化。2.移去E，用肉眼觀察以上兩個等色線花紋，也可以另加聚光鏡C1,投影在屏上觀察。二十四、全息實驗（一）全息照相實驗實驗操作參照我公司全息實驗臺（JQ-3型）使用說明書，選擇適當(dāng)?shù)娜S二維工作臺。圖全息照相原理圖（二）彩虹全息彩虹全息實驗原理圖彩虹全息是用激光記錄，自光照明再現(xiàn)單色像的一種新的全息技術(shù)。它的原理與像面全息的原理基本相同，它的特點是在記錄光路中的適當(dāng)位置加入一個狹縫限制，再現(xiàn)像光波，以降低綠色模糊，因而能用白光再現(xiàn)。（三）邁克耳遜干涉可作干涉條紋現(xiàn)象演示，做全息照相，拍照環(huán)境的監(jiān)測將有助全息實驗的成功率，保證全息的質(zhì)量，一般控制在4條/分鐘干涉條紋的變化，即可達到拍照的條件。尤其在制作全息光柵實驗時更為必要。邁克耳遜干涉原理圖二十五、阿貝爾成像原理和空間濾波實驗原理1873年，德國人阿貝在研究如何提高顯微鏡的分辨率時，提出了關(guān)于相干成像的一種新理論。他把相干成像過程分為兩步，第一步：如射到物平面上的平行光經(jīng)透明物體衍射，衍射光通過成像透鏡后，在透鏡的像方焦面上形成物體的夫瑯和費衍射圖。第二步：由透鏡像方焦面上的衍射圖發(fā)出的次級波，在像面上的相干疊加，形成物體像，稱這種以波動光學(xué)為基礎(chǔ)的兩步成像理論為阿貝成像原理。通過改變頻譜面上衍射斑的振幅或相位，從而改變成像情況的過程叫做空間濾波處理。1.激光器及支架2.擴束鏡及支架3.準(zhǔn)直物鏡4.光柵5.透鏡（f=200）6.白屏觀察阿貝成像原理的兩步成像過程（1）開啟He-Ni激光器，調(diào)節(jié)激光器光束使光學(xué)系統(tǒng)共軸（2）選用15條/毫米的一維矩形光柵（其透射率函數(shù)為矩形函數(shù)）作為物體，改變物距，使遠處的像面接收屏上出現(xiàn)清晰的光柵像。（3）手拿白紙屏，從物面后開始，慢慢把屏移至L3，在從L3后面開始，慢慢把屏移至像面，觀察透鏡孔徑對成像情況的影響。①物距不變，改變透鏡孔徑大小：仍然利用實驗裝置，改用光柵為物體，A，B兩組光柵的方向不同，B的空間頻率是A的二倍，在透鏡L3前，緊