光學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)

光學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)楊鵬物理與電子工程學(xué)院

主要內(nèi)容一、光學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容二、光學(xué)實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)三、光學(xué)實(shí)驗(yàn)遵循的原則四、光學(xué)實(shí)驗(yàn)的觀測方法五、光學(xué)實(shí)驗(yàn)基本光路六、光學(xué)實(shí)驗(yàn)常用儀器七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理課程背景光學(xué)：物理學(xué)經(jīng)典學(xué)科，發(fā)展迅速。經(jīng)典光學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)方法：促進(jìn)科技進(jìn)步。新的研究成果和實(shí)驗(yàn)技術(shù)：促進(jìn)光學(xué)學(xué)科及其他科技領(lǐng)域發(fā)展，如天文、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等。光學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)：觀察基本光學(xué)現(xiàn)象，學(xué)習(xí)和掌握光學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí)和基本方法，培養(yǎng)基本的光學(xué)實(shí)驗(yàn)技能。光學(xué)實(shí)驗(yàn)：儀器精密，調(diào)節(jié)復(fù)雜，只有在了解儀器結(jié)構(gòu)性能基礎(chǔ)上建立清晰的物理圖像，才能選擇有效而準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)方法，判斷儀器是否處于正常的工作狀態(tài)。理論聯(lián)系實(shí)際：在光學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，儀器的調(diào)節(jié)和檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察、分析等都離不開理論的指導(dǎo)。光學(xué)實(shí)驗(yàn)課，學(xué)習(xí)的重點(diǎn)是學(xué)習(xí)和掌握光學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí)、基本方法以及培養(yǎng)基本實(shí)驗(yàn)技能，研究一些基本的光學(xué)現(xiàn)象，加強(qiáng)對經(jīng)典光學(xué)理論的理解，提高對實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)的認(rèn)識(shí)。（一）基本物理量的測量方法基本物理量：透鏡的焦距、基點(diǎn)、曲率半徑，介質(zhì)折射率、溶液濃度、光波波長、光柵常量等。一、光學(xué)實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容測量方法：焦距測量：物距像距法、二次成像法、自準(zhǔn)直法、輔助透鏡法折射率測量：最小偏向角法、掠入射法光波波長測量：雙棱鏡干涉法、邁克爾遜干涉法、透射光柵法溶液濃度測量：旋光法偏振光分析、單色儀定標(biāo)加深理論—掌握方法—觀察現(xiàn)象—分析現(xiàn)象（二）常用光學(xué)儀器的使用常用儀器:光具座、測微目鏡、望遠(yuǎn)鏡、分光計(jì)、干涉儀、攝譜儀等。

了解儀器的構(gòu)造原理及正常使用狀態(tài)，調(diào)節(jié)到正常使用狀態(tài)的方法，操作要求，注意事項(xiàng)，并具有較好的操作技能。（三）學(xué)習(xí)分析光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的基本光路

自準(zhǔn)直光路、分光光路、助視放大光路、恒偏向光路。（四）繼續(xù)學(xué)習(xí)分析誤差的方法和提高對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理能力

提高對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理能力和實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差原因的分析水平，正確表達(dá)和評價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析誤差產(chǎn)生的原因以及減小實(shí)驗(yàn)誤差。

二、光學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)與理論密切結(jié)合頻率極高的電磁波，1014數(shù)量級，光學(xué)現(xiàn)象不直觀，只能觀察一定時(shí)間內(nèi)的平均效果?？坷碚摰闹尾拍馨盐兆?shí)驗(yàn)現(xiàn)象。儀器調(diào)節(jié)要求高儀器精密，必須嚴(yán)格調(diào)節(jié)，才能保證精度。邁克爾遜干涉儀精度可達(dá)10-4mm。實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ蟾邔?shí)驗(yàn)技能、理論基礎(chǔ)、判斷能力。另外取得較好的實(shí)驗(yàn)效果，有光學(xué)實(shí)驗(yàn)須在低照度環(huán)境下進(jìn)行，因此，要小心謹(jǐn)慎，安全操作，防止事故，要避免光學(xué)元件跌落損壞，儀器讀數(shù)失誤，并注意保護(hù)視力。三、光學(xué)實(shí)驗(yàn)遵循的原則1、必須在熟悉儀器的性能與使用方法之后才能進(jìn)行使用與操作；2、輕拿輕放，勿使儀器或光學(xué)元器件受到?jīng)_擊、碰撞和震動(dòng)，特別注意不能從手中滑落；3、不使用時(shí)要及時(shí)將光學(xué)元件放回包裝盒內(nèi)，長期閑置不用應(yīng)該將其放入干燥皿中保存；4、手拿光學(xué)元器件時(shí)切忌用手觸摸“工作面”，如果必須拿光學(xué)元器件時(shí)只能拿它的非工作的“磨砂面”，例如透鏡的外圓磨砂面，棱鏡的上下底面，柱面鏡的上下磨砂面，否則因人手的“汗跡”會(huì)腐蝕光學(xué)面造成永久的損壞；5、如發(fā)現(xiàn)光學(xué)元器件的工作面有灰塵，要用專用的干燥脫脂棉輕輕擦拭或用橡皮球吹去，絕對不能用嘴去吹；6、若發(fā)現(xiàn)光學(xué)表面上已被輕微污染或有較輕的印記，可以用清潔的鏡頭紙輕輕拂去，擦試時(shí)不能加太大的壓力以免光學(xué)表面被劃傷，更不能用普通紙、手帕、毛巾或衣物等進(jìn)行擦拭；7、進(jìn)行光學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)盡量避免說話，防止口水、唾液或其它液體濺落到光學(xué)面，造成光學(xué)面的化學(xué)損傷；8、在對光學(xué)儀器或光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整時(shí)，要耐心細(xì)致，邊調(diào)整，邊觀察，動(dòng)作要輕、柔、慢，切忌粗魯與盲目操作；9、千萬要注意在做實(shí)驗(yàn)的過程中觀察與分析實(shí)驗(yàn)過程與現(xiàn)象，尤其是出現(xiàn)與預(yù)期現(xiàn)象反常的特殊現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)將現(xiàn)象記錄或存儲(chǔ)下來，向指導(dǎo)教師請教或分析；10、使用完儀器設(shè)備后應(yīng)當(dāng)及時(shí)整理，放回原處或加罩防護(hù)，防止灰塵污染。四、光學(xué)實(shí)驗(yàn)的觀測方法主觀觀察法和客觀測量法

1、眼睛直接觀察的方法，稱為主觀觀察方法

2、用光電探測器來進(jìn)行客觀測量，常用光電管、光敏電阻和光電池等視差:人們觀察遠(yuǎn)近不同的物體A和物體B時(shí)，常會(huì)發(fā)生視覺差異的現(xiàn)象。利用視差進(jìn)行如下判斷:(1)被觀察的物與像，或像與像是否重合(2)如果未重合，那么哪個(gè)離觀測者近一些，這對于指導(dǎo)儀器的調(diào)節(jié)，確定像的位置很有幫助。五、基本光路（一）自準(zhǔn)直光路

1.f′OOO′分劃板透鏡平面鏡在物體自身的平面上產(chǎn)生物體的實(shí)像，所以稱為自準(zhǔn)直光路。2.f′OO′分劃板透鏡平面鏡Oyy′αααα3.f′OO′分劃板透鏡平面鏡Oyy′α

2αα

2α

物平面與反射鏡平面相對位置影響實(shí)像的位置，例如：分光計(jì)的調(diào)節(jié)就是利用自準(zhǔn)直光路實(shí)現(xiàn)光軸與主軸的垂直。應(yīng)用：自準(zhǔn)直目鏡。阿貝目鏡高斯目鏡（二）三棱鏡分光光路復(fù)色光→棱鏡→單色光同一棱鏡對不同波長的光具有不同的折射率。（針對鈉光波長589.3nm而言）偏向角：出射光與入射光的夾角。最小偏向角：光路對稱時(shí)，出射光與入射光的夾角。δi1i1′i2i2′（三）光柵分光光路分光原理：光柵方程dsinθ=kλ各級譜線分布于零級像兩側(cè)。零級像：k=0,θ=0的位置，所有波長的光重疊在一起。六、基本光學(xué)儀器的使用（一）光具座雙桿式和平直導(dǎo)軌式長度為1-2m，刻有毫米標(biāo)尺。滑塊支架。

將各種光學(xué)元件（透鏡、面鏡等等）組合成特定的光學(xué)系統(tǒng)，運(yùn)用這些光學(xué)系統(tǒng)成像時(shí)，要想獲得優(yōu)良的像，必須保持光束的同心結(jié)構(gòu)，即要求該光學(xué)系統(tǒng)符合或接近理想光學(xué)系統(tǒng)的條件，這樣，物方空間的任一物點(diǎn)，經(jīng)過該系統(tǒng)成像時(shí)，在像方空間必有唯一的共軛像點(diǎn)存在，而且符合各種理論計(jì)算公式。為此，在光具座上調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)，必須滿足以下幾點(diǎn)。

1.光具座水平調(diào)節(jié)光具座底角的水平調(diào)節(jié)螺釘(借助水平尺)，使光具座水平。

2.共軸

調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)中各光學(xué)元件的光軸,使之共軸。并讓物體發(fā)出的成像光束滿足近軸光線的要求。3.等高因?yàn)槌上窆街械母鞫尉嚯x,都是指光學(xué)系統(tǒng)光軸上的距離,所以要從光具座軌道上的讀數(shù)求出符合實(shí)際的距離,必須做到光學(xué)系統(tǒng)的光軸和光具座道軌的基線平行——簡稱等高。調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)各元件的共軸等高，是光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的一項(xiàng)基本要求，必須很好掌握，一般的調(diào)節(jié)可分粗調(diào)和細(xì)調(diào)兩步進(jìn)行。（1）粗調(diào)

先把物、透鏡、像屏等元件放置于光具座上，如圖依次檢查并調(diào)整物、透鏡及屏的中心（圖中物體P經(jīng)透鏡L成像于P′），使各元件的中心大致在與導(dǎo)軌平行的同一條直線上，并使物平面、像屏平面和透鏡面相互平行且垂直于光具座導(dǎo)軌。（2）細(xì)調(diào)

二次成像法成小像時(shí)，調(diào)節(jié)光屏位置，使P〞與屏中心重合；成大像時(shí)，則調(diào)節(jié)透鏡的高低或左右，使P′位于光屏中心。依次反復(fù)調(diào)節(jié)，便可調(diào)好。（二）分光計(jì)精密測角儀：測量棱鏡角，偏向角分光儀器：借助分光元件可觀察光譜，測量波長。1.分光計(jì)的構(gòu)造簡單結(jié)構(gòu)1，狹縫裝置2，狹縫裝置鎖緊螺絲3，準(zhǔn)直管4，制動(dòng)架5，載物臺(tái)6，載物臺(tái)調(diào)平螺絲7，載物臺(tái)鎖緊螺絲8，望遠(yuǎn)鏡9，望遠(yuǎn)鏡鎖緊螺絲具體結(jié)構(gòu)10，阿貝式自準(zhǔn)直目鏡11，目鏡視度調(diào)節(jié)手輪12，望遠(yuǎn)鏡光軸高低調(diào)節(jié)螺絲13，望遠(yuǎn)鏡光軸水平調(diào)節(jié)螺絲14，支臂15，望遠(yuǎn)鏡微調(diào)螺絲16，望遠(yuǎn)鏡止動(dòng)螺絲17，轉(zhuǎn)軸與度盤止動(dòng)螺絲18，制動(dòng)架α19，底座20，轉(zhuǎn)座21，度盤22，游標(biāo)盤23，支柱24，游標(biāo)盤微調(diào)螺絲25，游標(biāo)盤止動(dòng)螺絲26，準(zhǔn)直管光軸水平調(diào)節(jié)螺絲27，準(zhǔn)直管光軸高低調(diào)節(jié)螺絲28，狹縫寬度調(diào)節(jié)手輪2.分光計(jì)的調(diào)節(jié)測量前應(yīng)調(diào)節(jié)分光計(jì)，達(dá)到：望遠(yuǎn)鏡聚焦到無窮遠(yuǎn)，望遠(yuǎn)鏡的光軸對準(zhǔn)儀器的中心轉(zhuǎn)軸并與中心轉(zhuǎn)軸垂直。待測光學(xué)元件的表面與中心轉(zhuǎn)軸平行。平行光管出射平行光，且光軸與望遠(yuǎn)鏡的光軸共軸。1)目視粗調(diào)

⑤調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡俯仰調(diào)節(jié)螺釘平行光管俯仰調(diào)節(jié)螺釘望遠(yuǎn)鏡支架平行光管水平調(diào)節(jié)螺釘望遠(yuǎn)鏡水平調(diào)節(jié)螺釘④松開望遠(yuǎn)鏡鎖緊螺釘③松開游標(biāo)盤鎖緊螺釘鎖緊載物臺(tái)升降鎖緊螺釘②調(diào)節(jié)載物盤水平調(diào)節(jié)螺釘①

移動(dòng)底座2)用自準(zhǔn)直法將望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦到無窮遠(yuǎn)⑵

叉絲像分劃板視場透光窗反射像旋轉(zhuǎn)目鏡調(diào)節(jié)鼓輪⑴伸縮目鏡筒⑶

載物盤水平、望遠(yuǎn)鏡俯仰調(diào)節(jié)的特例

平面鏡兩側(cè)面的反射像分別位于和時(shí)，只需調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的俯仰調(diào)節(jié)螺釘dd平面鏡兩側(cè)面的反射像同時(shí)位于或時(shí)，只需調(diào)節(jié)載物盤的水平調(diào)節(jié)螺釘dd觀察不到反射像的原因目鏡中觀察到的叉絲和透光窗中黑色十字的像模糊。（轉(zhuǎn)動(dòng)目鏡調(diào)節(jié)鼓輪）望遠(yuǎn)鏡沒有聚焦于無窮遠(yuǎn)。（松開目鏡筒鎖緊螺釘，前后移動(dòng)目鏡筒）平面反射鏡的鏡面與望遠(yuǎn)鏡的光軸不垂直。俯視側(cè)視轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)或望遠(yuǎn)鏡調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡俯仰或載物盤水平調(diào)節(jié)螺釘用光路圖表示為（1），若望遠(yuǎn)鏡向下偏，由圖：若偏斜嚴(yán)重將得不到像若偏斜不嚴(yán)重，由圖像點(diǎn)P將會(huì)在物S的下方，現(xiàn)象為十字叉絲將向下偏（2）若望遠(yuǎn)鏡上偏：現(xiàn)象為：叉絲上偏棱鏡下偏：現(xiàn)象為：叉絲下偏若棱鏡上偏：現(xiàn)象為：叉絲上偏3)調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸與中心轉(zhuǎn)軸垂直

①放置平面鏡②撥動(dòng)游標(biāo)盤

③調(diào)節(jié)載物盤水平調(diào)節(jié)螺釘或望遠(yuǎn)鏡俯仰調(diào)節(jié)螺釘

載物盤水平、望遠(yuǎn)鏡俯仰的各半調(diào)節(jié)d調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡俯仰調(diào)節(jié)螺釘

調(diào)節(jié)載物盤水平調(diào)節(jié)螺釘d/24)調(diào)節(jié)平行光管平行光管由狹縫和準(zhǔn)直透鏡組成。狹縫鎖緊螺釘俯仰調(diào)節(jié)螺釘松開狹縫鎖緊螺釘前后移動(dòng)狹縫①

轉(zhuǎn)動(dòng)狹縫調(diào)節(jié)平行光管俯仰調(diào)節(jié)螺釘

②

轉(zhuǎn)動(dòng)狹縫鎖住狹縫鎖緊螺釘③

3.分光計(jì)的測量原理δ＝(α2-α1+β2-β1)/2

δ

平行光管α2

β2

望遠(yuǎn)鏡平行光管α1

β1

望遠(yuǎn)鏡讀數(shù)方法主刻度盤游標(biāo)盤游標(biāo)窗口233o

13?

偏心差測三棱鏡頂角平行光管出射的平行光射向三棱鏡的兩個(gè)光學(xué)表面，用望遠(yuǎn)鏡分別接收兩表面的反射光，就可計(jì)算出兩束光的夾角Φ。由幾何關(guān)系可以證明Φ與三棱鏡頂角A的關(guān)系為：

Φ=2A

A＝（α2-α1+β2-β1）/4

平行光管望遠(yuǎn)鏡(三)測微目鏡（1）要確定目鏡的準(zhǔn)確度及鼓輪轉(zhuǎn)動(dòng)讀數(shù)增大的方向，并選取合適的初始點(diǎn)；

（2）一次測量中鼓輪只能單向移動(dòng)，不能中途倒轉(zhuǎn)；（3）干涉條紋應(yīng)與豎直雙線

平行無視差；（4）到達(dá)刻度線零點(diǎn)后，應(yīng)立即返回，以免損壞測微目鏡。（四）測移顯微鏡（1）測量時(shí)，要先調(diào)好目鏡和物鏡。（2）測量時(shí)應(yīng)使一根十字叉絲與顯微鏡的目鏡移動(dòng)方向垂直。（3）為減小回程誤差，應(yīng)單方向測量。（4）測量結(jié)束后，應(yīng)用保護(hù)套罩好儀器。（五）

單色儀（六）攝譜儀（七）光源1.熱輻射光源基于熱輻射原理，白熾燈，燈絲加熱到白熾狀態(tài)而發(fā)光。連續(xù)光譜，功率較低，碘鎢燈，溴鎢燈。2.氣體放電光源電流——?dú)怏w介質(zhì)——放電發(fā)光。低壓汞燈：小于1個(gè)大氣壓工作，在可見光區(qū)產(chǎn)生4條明亮的特征曲線。工作電壓20V，工作電流1300mA.低壓鈉燈：金屬蒸汽弧光放電。在可見光區(qū)發(fā)成兩條極強(qiáng)黃色譜線：589.0nm,589.6nm.工作電壓20V，工作電流1.3A。3.激光光源受激輻射發(fā)光，極強(qiáng)的方向性，發(fā)散角小。極好的單色性和相干性，能量高度集中。He-Ne激光器：可見光區(qū)輸出波長632.8nm，單色紅光。管端