级光学设计题.docx

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级光学设计题

2012级光学设计性实验题目

设计性选题说明

光学实验最后一部分是设计性实验。

以下就题目的选择、实验的进行说明如下：

1、从下列题目中每个学生任选一个实验题目，每题人数给定。

6月6日（周五）下午1：

30至4：

00提交实验方案，经指导教师审阅批准后开始进行实验，没有提交实验方案或实验方案不合格的学生不允许进行设计性实验。

戴瑞：

光学一室；陆子凤：

光学二室；李金环：

光学三室；张瑛：

光学准备室。

2、实验分成四个组，1组周一（6月9号）、2组周二（6月10号）、3组周三（6月11号）、4组周五（6月13号）。

下午12:

30---17:

30；

3、制定方案时，要发挥独创精神，根据题目要求选择适当的实验方法、仪器（精度、型号）、安排适当的实验步骤及注意事项。

方案必须认真手写到实验报告上，不得抄袭；

4、进行实验时，要注意分析实验数据，并与预期结果进行比较，分析实验中的问题，适当地改进实验方案，使实验获得比较理想的结果；

5、实验误差分析结果的评价以及对实验的进一步的探讨，是设计性实验的重要内容；

6、实验后写出完整的实验报告；

7、计性实验的心得体会要实事求是的写，要有重点并具体的议论一、二个问题，防止空谈，特别希望提出具体的改进意见和对教师的期望。

8、实验前提出需要仪器及材料的详细计划，实验室提供现有的仪器设备供同学选用，如有特殊仪器使用要求，需要提前向老师说明。

注意爱护和保管好仪器，如有损坏或丢失要及时报告老师处理；

9、设计性实验主要参考书：

光学教程姚启钧著；普通物理实验（光学）杨述武；

9、实验题目J1－J10由李金环老师指导，L1－L7由陆子凤老师指导，Z1－Z8由张瑛老师指导；D1—D2由戴瑞老师指导。

10、时间要求：

请选好题目，每人1题，并于5月28（周三）日下午由各班负责人将选题名单上交给张瑛老师。

J李金环老师的设计实验题目

（J实验一toJ实验八）（13人）

J实验一光盘性质研究（1人）

目的：

（一）了解光盘CD，VCD，DVD的构成及光学性质；

（二）学会解释出现的光学现象；

要求：

（一）设计实验方案，推导出实验的原理和公式，画出光路图；

（二）使用多种方法进行测量；

（三）光盘的刻线走向及刻线密度。

提示：

（一）利用光的衍射特性；

问题：

（一）将研究的结果进行比较。

J实验二光谱分析及柯西色散公式研究（1人）

目的：

（一）研究光谱分析的基本方法；

（二）进一步研究棱镜色散曲线；

（三）研究正常色散曲线—柯西公式。

要求：

（一）设计实验方案，推导出实验的原理和公式，画出光路图；

（二）分析不同玻璃棱镜的色散曲线，确定实验室使用棱镜的制作材料；

（三）用计算机进行数据及图形处理；

提示：

（一）可利用最小偏向角；

（二）选择不同光源进行比较分析。

J实验三空间滤波对光栅性质的探讨（2人）

目的：

（一）掌握制作光栅的方法；

（二）探讨光栅不同频率衍射光的性质；

（三）了解空间滤波的原理。

要求：

（一）自己设计实验方案，画出光路图；

（二）推导出双光束干涉的公式；

（三）推导出正弦光栅的衍射方程；

（四）讨论光强对条纹对比度的影响。

提示：

（一）利用干涉和衍射；

（二）空间滤波。

问题：

（一）怎样得到对比度好的条纹？

J实验四定域与非定域干涉的研究（1人）

目的：

（一）进一步了解干涉的原理；

（二）定域干涉与非定域干涉的形成；

（三）掌握迈克尔逊干涉仪的调节和使用。

要求：

（一）设计实验方案，推导出实验的原理和公式，画出光路图。

提示：

（一）光的干涉；

问题：

（一）什么是定域干涉，非定域干涉，两者的本质区别；

（二）用非定域干涉测量光源的波长。

J实验五光源相干长度的测量（1人）

目的：

（一）进一步了解相干长度的概念；

（二）研究不同光源相干性；

（三）掌握迈克尔逊干涉仪的调节和使用。

要求：

（一）设计实验方案，推导出实验的原理和公式，画出光路图。

（二）测量不同光源的相干长度（白光，钠灯，汞灯中的某个波长）

提示：

（一）光的干涉；

（二）定域干涉或者非定域干涉均可。

问题：

（一）什么是相干长度；

（二）不同光源的相干长度。

J实验六光学系统像差研究（2人）

目的：

（一）进一步了解像差理论，对各种像差作定量和定性的研究；

要求：

（一）设计实验方案，推导出实验的原理和公式，画出光路图；

（二）测量出球差，像散；

（三）观察场曲和畸变；

（四）测量色差；

（五）画出观察到的像差图形。

提示：

（一）可以用朗契光栅考察各种像差。

问题：

（一）分析各种像差的来源及解决办法。

J实验七不同方法测量钠双线的波长间隔（1人）

目的：

（一）测钠灯光源中双线的波长间隔；

（二）深入理解干涉原理

要求：

（一）熟练调节和使用迈克尔逊干涉仪

（二）熟练调节和使用法布里-珀罗干涉仪

问题：

（一）如何迅速正确地在迈克尔逊干涉仪上调出白光的干涉条纹？

（二）如何确定两束光等光程？

J实验八用光学扫描法测量金属杆直径（1人）

目的：

（一）用不同的方法测量金属杆的直径；

（二）用激光扫描测量金属杆直径

要求：

（一）几何阴影是如何确定的；

（一）试分析光线经过金属杆表面是怎样传播的。

（二）如何得到测量金属杆较好的实验效果？

提示：

单边衍射原理

J实验九莫尔条纹原理及应用（1人）

目的：

（一）了解莫尔条纹的原理；

（二）了解莫尔条纹的应用及光栅传感器的原理；

（三）用莫尔条纹测量微小偏角

要求：

设计实验方案，推导出实验的原理和公式，画出光路图。

J实验十生活中的偏振光及检测（1人）

目的：

（一）掌握光的偏振原理；

（二）检测生活中的偏振光；

（三）了解偏振光的应用。

要求：

设计实验方案，推导出实验的原理和公式，画出光路图。

J实验十一双光栅衍射成像研究（1人）

目的：

（一）掌握光栅的衍射原理；

（二）应用光栅衍射成像

要求：

设计实验方案，推导出实验的原理和公式，画出光路图。

L陆子凤老师的设计实验题目

（L实验一toL实验七）（12人）

L实验一：

自组望远镜和显微镜（2人）

目的：

（一）了解望远镜和显微镜的基本原理与结构；

（二）学习组装望远镜和显微镜，掌握他们的使用方法；

（三）了解助视仪器的视角放大率和测量方法；

要求：

（一）根据望远镜（显微镜）的基本原理与结构，确定光学元件的具体参数（如焦距大小）；

（二）设计方案，搭建一个望远镜（显微镜）实验光路，绘出其光路图

（三）组装不同视角放大率的显微镜，并利用比较法，以微小物体例如（微尺）为物，验证显微镜的放大率；分别用比较法和工时法测量组装望远镜的视角放大率

提示：

望远镜是物镜的像方焦点与目镜的物方焦点重合的光学系统。

详见《光学教程》姚启钧，高教出版社。

组装显微镜前，一定想好显微镜的放大率如何确定计算，通过放大率的计算确定筒长。

L实验二：

用迈克尔逊干涉仪测白光光源的相干长度和薄玻璃片的折射率（2人）

目的：

（一）利用迈克尔逊干涉仪测白光光源的相干长度和薄玻璃片的折射率

（二）深入理解等倾和等厚干涉原理

要求：

（一）熟练调节和使用迈克尔逊干涉仪

（二）掌握测定玻璃折射率的原理和方法

问题：

（一）如何迅速正确地在迈克尔逊干涉仪上调出白光的干涉条纹？

（二）如何确定两束光等光程？

L实验三：

偏振光特性的研究（时间剩余要求自制色偏振仪）（1人）

目的：

（一）学习用光电转换的方法测定相对光强,验证马吕斯定律。

（二）研究1/4波片的光学特性

（三）研究半导体激光器的偏振特性（测出其偏振度）

（四）研究物质的旋光特性

（五）观察石英晶体的旋光特性和测量旋光度

（六）观察旋光色散，并解释现象

要求：

（一）掌握各种偏振光的特性。

（二）学会辨别各种偏振光。

（三）了解偏振光干涉和双折射现象。

提示：

用偏振光干涉原理解释双折射现象。

用白光做光源，在两个正交偏振片之间插入一块双折射物质，从检偏器一端迎光看去，可以看到偏振光干涉产生的颜色，用观察到的现象来解释双折射现象。

问题：

（一）什么是互补色？

（二）用偏振光理论来解释实验中的互补色现象。

L实验四编码片的摄制及空间虑波实验研究（2人）

目的：

（一）学会用干涉原理制作

调制光栅图片。

（二）了解空间虑波，空间频谱等基本概念，基本知识。

要求：

（一）设计实验方案，拟定实验方法和步骤，摄制正交光栅及

调制光栅图片。

（二）设计空间滤波实验装置，画出光路图，调节光路，观察

调制光栅图片以过滤波后所成象的变化情况并加以解释。

提示：

掌握光学傅立叶变换，用阿贝二次成像原理解释试验中遇到的现象。

了解各种滤波器对图像质量的影响

问题：

（一）在

调制中物面上没有光栅的地方原来都是透明的但像面上相应部位却是暗黑的，为什么

（二）钠光或白光进行阿贝实验有何困难，实验光路应怎样变动

L实验五：

双棱镜干涉的深入研究（2人）

目的：

（一）进一步掌握双棱镜的干涉原理及调节方法；

（二）测定两虚光源之间的距离与狭缝-双棱镜间距之间的关系。

要求：

（一）实验测量双棱镜的楔角，并比较角度不同干涉现象的差异；

（二）用多种方法测量两虚光源之间的距离，并比较优缺点；

（三）测定两虚光源之间的距离与狭缝-双棱镜间距之间的关系曲线；

（四）利用双棱镜干涉观察He-Ne激光的干涉条纹，并测量氦氖光的波长；

提示：

如何调节氦氖光的干涉条纹，以及如何测量其波长，请自性参考《物理实验》2007年，27卷，第7期34-35页！

L实验六：

一步彩虹全息（2人）

目的：

（一）了解白光再现全息照相的基本原理，学习拍摄一步彩虹全息图和观察再现图像的方法

（二）了解一步彩虹全息图与普通全息图有何区别和联系

要求：

（1）一步彩虹全息图的记录和再现景象的基本原理。

（2）拍摄全息图的技术要求和有关注意事项。

（3）了解并掌握一步彩虹全息的实验光路图。

（4）掌握像面全息和一步彩虹全息实验光路以及再现像的区别和联系。

提示：

拍摄一步彩虹全息图，物置于透镜物方焦距（ｆ≈１０ｃｍ）以外。

在屏上出现适当大小的清晰物像之后，再把干版架向前（或向后）挪动３ｍｍ～１０ｍｍ。

紧靠透镜置一约５ｍｍ宽的缝光栏，调节物光和参考光强度适当后即可拍摄，或在教师指导下，拍摄一张像平面全息图。

L实验七：

自制旋光仪测定糖溶液的浓度（时间剩余要求自制色偏振仪）（1人）

目的：

 1．观察线偏振光通过旋光物质所发生的旋光现象

2．了解右旋体、左旋体旋光物质

3．掌握用旋光仪测定溶液或液体物质的旋光度的方法

要求；

1．配置一定浓度的糖溶液（最好理论计算出该溶液的浓度，以和测量值比较）

2．组装旋光仪和测定旋光率

（1）样品管的充填

（2）仪器零点的校正和半暗位置的识别

（3）样品旋光度的测定

3．注意事项

（1）溶液注满试管，两端不能有气泡。

（2）试管两端均应擦干净方可放入旋光仪。

（3）在测量中应维持溶液温度不变。

（4）试管中溶液不应有沉淀，否则应更换溶液。

Z张瑛老师的设计实验题目

（Z实验一toZ实验八）（13人）

Z实验一光栅特性的研究（2人）

目的：

（一）熟悉分光计的构造和调节原理

（二）深入研究光栅的光学特性

要求：

（一）推导出最小偏向角位置上的光栅方程

（二）在平行光斜入射的条件下，测量光栅常数和未知光波波长。

（三）测出左右两侧光谱的非对称分布规律。

（四）利用光栅测量普朗克常数和里德伯常数。

提示：

利用汞光源和最小偏向角位置上的光栅方程求光栅常数和未知光波的波长。

利用氢光源测量普朗克常数和里德伯常数。

Z实验二液体折射率测量方法的比较研究（2人）

目的：

（一）研究用多种方法测量液体的折射率

（二）分析各种方法的适应范围。

要求：

（一）设计三种测量液体折射率的方法

（二）实测三种液体的折射率

（三）分析各种方法的特点及误差

提示：

设计三种在实验室现有条件下可完成的测量液体折射率的方案，不包括基础实验中已用过的方法和中学实验中过于简单的方法。

Z实验三用F—P干涉仪测量激光的波长（1人）

目的：

（一）熟悉F—P干涉仪的原理及调节方法

（二）测量激光的光波波长

要求：

（一）调出标准的等倾干涉花样

（二）用普通方法测量未知光波的波长

（三）在厚度不变的条件下，测量激光的光波波长

提示：

在汞光源前放上滤光片，先调出绿光条件下标准的等倾干涉花样，测出第k级及第k-3圆环的直径。

然后换上激光光源，保持膜厚度不变，用同样的方法测出第k级及第k-3圆环的直径，代入公式即可出激光波长。

Z实验四反射式白光再现全息照相（1人）

目的：

（一）进一步理解白光再现全息照相的原理

（二）熟悉白光再现全息照相光路

要求：

（一）设计两种拍摄白光再现全息照相的光路。

（二）利用两种光路分别拍摄两张反射式全息图。

（三）与普通全息照相比较有何异同点；

提示：

在各种实验讲义中查阅原理部分，设计两种拍摄反射式白光再现全息的光路，在实验中分别用两种光路拍摄反射式白光再现全息图。

Z实验五：

用法布里干涉仪测量钠双线的波长差及膜厚度（1人）

目的：

（一）掌握法布里—珀罗干涉仪的调节方法

（二）通过法布里—珀罗干涉仪测定钠黄双线的波长差

（三）膜厚d的测量。

要求：

（一）设计方案，写出测量原理和测量公式，拟定实验步骤，测定钠黄双线的波长差；

（二）测定膜厚d；

（三）比较迈克尔逊干涉仪与法布里—珀罗干涉仪的实验现象的区别。

提示：

钠光源是由两种波长的光组成，它的波长值是平均波长值。

由于法布里的分辨率非常高，能够把这两种波长的光所形成的干涉花样分开，我们利用这一现象来求两光之间的波长差。

Z实验六全息波带片的制作（2人）

目的：

（一）掌握制作全息波带片的原理。

（二）学会制作全息波带片的方法。

（三）观察全息波带片的成像特点。

要求：

（一）设计两种制作全息波带片的光路。

（二）摄制不同焦距的全息波带片。

（三）观察全息波带片具有的透镜成像规律。

（四）讨论全息波带片的成像和玻璃透镜成像相比的优缺点。

提示：

以全息照相原理为基础，自行设计两种拍摄全息波带片的光路。

用两种光路拍摄出不同焦距的全息波带片，并用不同的方法测量其焦距。

Z实验七用干涉法测量金属丝的线胀系数（2人）

目的：

（一）掌握用干涉法测量线胀系数的原理。

（二）学会用光学的方法测量金属丝的线胀系数。

要求：

（一）推导出测量金属丝线胀系数的公式。

（二）研究出具体的切实可行的测量方案。

（三）制定出给金属丝加热的方法。

提示：

用两块平板玻璃与待测金属丝制成空气劈尖，用钠光照射劈尖时，分别测得金属细丝在常温和高温下的干涉条纹宽度及高温时的温度，利用推导出的线胀系数公式可求出金属丝的线胀系数。

Z实验八高亮度LED光源在光学实验中的应用（2人）

目的：

（一）掌握LED白光源的发光原理。

（二）了解LED白光源的发光特点及与普通白炽光源的区别。

要求：

（一）研究LED白光源的光谱特性。

（二）用LED白光源在三个基础实验题目中研究其发光特点。

（三）与普通白炽光源、节能灯白光源作比较，分别论述各种白光源的特点。

提示：

自选在三个基础实验中运用LED白光源代替白炽光源，通过实验数据说明LED白光源与普通白炽光源有何异同，概括总结出LED光源的综合特性。

戴瑞老师设计实验题目

（D实验一toD二实验）

D实验一设计实验探讨单透镜及光具组主平面成像性质（1人）

目的：

（一）掌握主平面成像性质；

（二）实验上观察到单透镜主平面上成像.

要求：

（一）理论推导单透镜及光具组主平面成像的横向放大率；

（二）设计实验方案观察单透镜主平面上成像，画光路图；

（三）设计实验方案计算光具组主平面上成像的横向放大率，画光路图.

提示：

（一）借助辅助透镜成像.

D实验二探讨确定波片光轴的实验方法（2人）

目的：

（一）掌握不同偏振态的光通过波片后偏振态的变化；

（二）探讨确定波片光轴的实验方法；

要求：

（一）会用布儒斯特定律确定偏振片的透振方向；

（二）设计实验方案，画光路图确定波片光轴方向；