工程光学1实验讲义.docx

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工程光学1实验讲义

实验一光学实验主要仪器、光路调整与技巧

1.引言

不论光学系统如何复杂，精密，它们都是由一些通用性很强的光学元器件组成的，因此，掌握一些常用的光学元器件的结构，光学性能、特点和使用方法，对于安排实验光路系统时，正确的选择和使用光学元器件具有重要的作用。

2.实验目的

1）掌握光学专业基本元件的功能；

2）掌握基本光路调试技术，主要包括共轴调节和调平行光。

3.实验原理

3.1光学实验仪器概述:

光学实验仪器主要包括：

光源，光学元件，接收器等。

3.1.1常用光源

光源是光学实验中不可缺少的组成部分，对于不同的观测目的，常需选用合适的光源，如在干涉测量技术中一般应使用单色光源，而在白光干涉时又需用能谱连续的光源（白炽灯）；在一些实验中，对光源尺寸大小还有点、线、面等方面的要求。

光学实验中常用的光源可分为以下几类：

1）热辐射光源

热辐射光源是利用电能将钨丝加热，使它在真空或惰性气体中达到发光的光源。

白炽灯属于热辐射光源，它的发光光谱是连续的，分布在红外光、可见光到紫外光范围内，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有关。

热辐射光源包括以下几种：

普通灯泡，汽车灯泡，卤钨灯。

2）热电极弧光放电型光源

这类光源的电路基本上与普通荧光灯相同，必须通过镇流器接入220V点源，它是使电流通过气体而发光的光源。

实验中最常用的单色光源主要包括以下两种：

纳光灯（主要谱线：

589.3nm、589.6nm），汞灯（主要谱线：

623.4nm、579.0nm、577.0nm、546.1nm、491.6nm、435.8nm、407.9nm、404.7nm）

3）激光光源

激光（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation，缩写：

LASER），是指通过辐射的受激辐射而实现光放大，即受激辐射的光放大。

激光器作为一种新型光源，与普通光源有显著的差别。

它是利用受激辐射的原理和激光腔的滤波效应，使所发光束具有一系列新的特点。

激光器发出的光束有极强的方向性，即光束的发散角很小；激光的单色性好，或者说相干性好，其相干长度可以达十米甚至数百米；激光器的输出功率密度大，即能量高度集中。

所以激光光源是一种单色性和方向性都好的强光源，已应用于许多科技及生产领域中。

目前常用的激光器主要有气体激光器（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）。

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图1-1激光器示意图（He－Ne激光）

本实验，选择的光源是气体型He-Ne内腔式激光器如图1-1所示,波长为632.8nm的红光，功率2mW。

3.1.2常用光学元件

光学实验中的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，可变光阑包括可调的狭缝和圆孔光阑等。

1）透镜

透镜有成像作用，利用它可传递物和像的图像。

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的透镜来实现。

为了提高光的透射率，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的透镜（因为它们会使观察或记录图像产生噪声）。

2）分束镜

分束镜是光学实验系统的一个重要元件，它的作用是将入射光束分成具有一定光强比的两束光，在干涉仪系统组装的实验中可产生两束有一定夹角的相干波，在全息制作实验中可产生参考光和物光。

分束镜一般是通过在玻璃板上镀干涉膜而制成，分光比可以连续变化或分段变化。

3）扩束器（扩束镜）

因激光束的发散角很小，需要用一个扩束镜以增大光束的发散角。

通常可用20倍、40倍的显微物镜或焦距很短的单片正透镜或负透镜实现。

本实验中，扩束镜采用的是40倍的显微物镜。

4）平面反射镜

平面反射镜一般用于折转光路，其直径大小应根据所折转的光束直径而定。

用于转折宽光束的反射镜，除了有一定的孔径要求之外，还有表面平面度的要求。

另外，当光入射到普通反射镜的玻璃基板上时，要先经过折射然后再反射，反射光的损失很大。

同时玻璃片基的两面会因多次反射引入杂散光。

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。

所以光学实验需用表面平整度高和涂有多层反射膜的高反射率反射镜。

3.1.3常用机械部件

防震平台、光学镜架，读数平台、多自由度微调器、光纤调整架等。

1）防震平台

光学实验需要一个稳定的减震工作平台，特别是对于干涉和全息图制作实验，所记录的都是参考光波和物光波的干涉条纹，如果在曝光过程中因为振动导致两光波有变化，就要影响干涉条纹的调制度。

通常要求该光波的振动变化小于十分之一波长。

影响稳定性的因素有震动、空气流和热变化等。

震动的主要影响来自地基的震动，如果记录系统部件的机构有松动就会把震动放大，所以必须对工作台采取减震措施。

专用气浮工作台是最好的减震台。

简单的减震方法可用砂箱、微塑料、气垫（用汽车、飞机轮子的内胎）和重1000～2000kg的铸铁或花岗岩，并应安装一个隔离罩。

如果不用隔离罩，做实验时室内不要通风，工作人员不要大声讲话和距离工作台远一些。

2）光学镜架

光学镜架是一种典型的对装有光学元件（如反射镜、透镜）的镜框进行固定的机械装置。

3）读数平台

光学实验室备有各种规格和精密的读数机械平台，以便根据实验需要选用。

3.1.4常用接收器

实验中常用的接收器主要包括：

观察屏（白板）、光电池、光电接收器、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，光学元件同轴等高的调节是实验中必不可少的一个重要环节，它关系到成像质量的好坏、能否得到预期的光学现象和满意的测量结果。

可以说调整好光路是进行光学研究和光学实验应具备的技能。

下面介绍光路的基本调整方法。

3.2.1共轴调节

光学实验中经常要遇到用一个或多个透镜同时成像，为了获得较好的像，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。

另外，为了最大限度的利用激光扩束后的面光源，所有透镜的主轴都需要大致通过光斑中心，才能获得清晰的像。

共轴调节使物、观察屏的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的条件成立。

共轴调节一般分为两步骤进行：

1）第一步粗调，即用眼睛观察，使物、观察屏与透镜中心大致在一条直线上。

粗调的方法如下：

通过前后移动白屏的方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，调节它们的取向和高低左右位置，凭眼睛观察，再让光斑、物、镜的几何中心处在一条直线上，这样便使透镜镜的主光轴与平台面平行且共轴，光斑也最大限度得到利用。

2）第二步细调，即移动透镜，当两次成像中心重合即达到共轴，若不重合，须视情况针对性地调节各光学元件，直至两次成像的中心重合。

如果系统有两个以上的透镜，先加入一个透镜调节共轴，然后再依次加入透镜，使每次所加透镜都与原系统共轴。

反射镜共轴的调节方法类似。

3.2.2平行光束的获得与检测

在光学实验中，经常要用到准直性良好的平行光束。

这可以在扩束镜和针孔滤波器之后加入准直透镜来获得。

准直透镜的前焦点应于扩束镜的后焦点重合，并且二者的光轴也应一致。

准直透镜通常使用口径较大、焦距较长的双胶合透镜，这样可以获得截面较大的光束，以便处理较大一些的图像。

在要求不太高的实验中，也可使用单片的正透镜作为准直透镜。

平行光束的调整步骤如下：

1）调整扩束镜和准直镜共轴，如图1-2所示。

激光器

扩束镜

准直镜

图1-2共轴调节示意图

2）粗调－自准直法。

沿光束传播方向，前后轴向移动准直透镜，直到从自准直反射镜反射回来的自准直像落在针孔表面，并于针孔重合。

或者在准直镜后放一观察屏，如图1－3所示，前后移动，观察准直后光斑的变化，若在一个较大范围内光斑直径几乎无变化，可视为准直成功，完成粗调。

在调节中要注意光斑变化和准直镜移动方向的关系，从而很快达到粗调的效果。

观察屏

激光器

扩束镜

准直镜

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，观察平晶两表面反射光束重叠部分产生的剪切干涉条纹，如图1-4所示，沿光轴前后微移动准直透镜，使条纹渐渐由密变疏，直到条纹最宽或成均匀光，如图1-5所示，这时准直镜处于最佳位置，出射光为平行光。

剪切干涉法只能用于相干光束的调整，非相干照明时，可用自准直法调整。

平晶

准直镜

观察屏

激光

扩束镜

图1-4细调产生干涉条纹图

观察屏（条纹变化，使之越来越少）

激光

扩束镜

准直镜

平晶

微移动

图1-5平行光的检测示意图

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（Φ40.0）

4）物镜接圈

11）干板架

5）开口透镜/反射镜支架（Φ20.0）

12）毛玻璃

6）一维调节滑块

13）平行平晶

7）K9平凸透镜（Φ40.0,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部分），并调至共轴；

图1-6激光平行光路调试装配示意图

2）首先，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的位置，调节激光器高度，使激光束通过分划板中心圆孔。

再将分划板移至较远处，调节激光夹持器，使激光束再次通过分划板中心圆孔（近端调高低，远端调俯仰）。

重复二三次高低和俯仰调节，使激光束在合适的高度保证基本水平；

3）在系统中加入扩束物镜和准直透镜，适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的前焦面上。

前后移动分划板，观测分划板上的圆斑大小是否变化。

若变化，则前后移动准直透镜，直到前后移动分划板，板上的圆斑大小不发生变化，完成平行光粗调;

4）将分划板替换为平行平晶，将毛玻璃放在在平行平晶反射光路上，前后移动准直透镜，使得毛玻璃上可以观察到干涉条纹;

5）细微调节平移台丝杆，观察干涉条纹变化，使得条纹数逐渐减少到一条或半条条纹，完成细调。

6.思考题

1）调节平行光时，由近及远移动准直镜产生的光斑如何变化？

为什么？

2）如何利用平晶检测平行光的质量？

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，并具有良好像质的仪器，与前置镜或测量显微镜组合使用，既可用于观察、瞄准无穷远目标，又可作光学部件，光学系统的光学常数测定以及成像质量的评定和检测。

2.实验目的

1）了解平行光管的结构及工作原理；

2）掌握平行光管的调整方法；

3）学会用平行光管测量薄透镜的焦距。

3.实验原理

3.1平行光管的结构及工作原理

根据几何光学原理,无限远处的物体经过透镜后将成像在焦平面上;反之,从透镜焦平面上发出的光线经透镜后将成为一束平行光。

如果将一个物体放在透镜的前焦平面上,那么它将成像在无限远处。

图2-1为平行光管的结构原理图。

它由物镜及置于物镜焦平面上的分划板,光源以及为使分划板被均匀照亮而设置的毛玻璃组成。

由于分划板置于物镜的前焦平面上,因此,当光源照亮分划板后,分划板上每一点发出的光经过透镜后,都成为一束平行光。

又由于分划板上由根据实验需要而刻成的分划线或图案,这些刻线或图案将成像在无限远处。

这样,对观察者来说,分划板又相当于一个无限远距离的目标。

图2-1平行光管的结构原理图

根据平行光管要求的不同,分划板可刻有各种各样的图案。

图2-2是几种常见的分划板图案形式。

图2-2（a）是刻有十字线的分划板,常用于仪器光轴的校正;图2-2（b）是带角度分划的分划板,常用在角度测量上;图2-2（c）是中心有一个小孔的分划板,又被称为星点板;图2-2（d）是鉴别率板,它用于检