自组干涉实验仪观察干涉现象.docx
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自组干涉实验仪观察干涉现象
实验一光学实验主要仪器、光路调整与技巧
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，因此掌握一些常用的光学元器件的结构和性能，特点和使用方法，对安排试验光路系统时正确的选择光学元器件，正确的使用光学元器件有重要的作用
实验目的
掌握光学专业基本元件的功能；调整光路，主要包括共轴调节、调平行光和针孔滤波。
基本原理
（一）、光学实验仪器概述激光光源，光学元件，观察屏或信息记录介质
1.激光光源；
激光器即Laser（LightAmplificationbystimulatedemissionof
radiation），原意是利用受激辐射实现光的放大•然而实际上的激光器，一般不
是放大器,而是振荡器，即利用受激辐射实现光的振荡，或产生相干光。
Fb-标有安培表和电压表
.激光器示意图（He—Ne激光）
960年,梅曼制成了世界上第一台红宝石激光器.现在被广泛用于各个行业激光的特性:
（1）高度的相干性
（2）光束按高斯分布激光器的分类：
（1）气体激光器一一He-Ne激光器,Ar离子激光器
（2）液体激光器一一染料激光器
（3）固体激光器半导体激光器，红宝石激光器
本套实验方案的选择的激光器是气体型He-Ne内腔式激光器，波长为632.8nm的红光，功率2mW/个别实验中还会用到白光点光源。
2、用于光学实验的元件一般包括：
防震平台、分束镜、扩束镜、准直镜、反射镜、成像透镜、傅立叶变换透镜、多自由度微调器、可变光栏、观察屏等部件。
如果是全息实验还需要快门、干版架、自动曝光和显定影定时器、记录干版等。
（本实验方案中，扩束镜采用针孔空间滤波器，准直镜、成像透镜、傅立
叶变换透镜均采用双凸透镜）
⑴防震平台
光学实验需要一个稳定的工作平台。
特别是对于全息图制作实验，由于是参考波和物光波干涉条纹的记录，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。
专用全息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，记录全息图时室内不要通风，工作人员不要大声讲话和距工作台远一些。
⑵光学元件
1分束镜:
分束镜是光学实验系统的一个重要元件，它的作用是将激光束分为两束，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体的物光光波。
分束镜一般是在玻璃板上镀干涉膜。
干涉膜有两种：
多层介质膜和金属膜。
分光比可以连续变化或分段变化。
2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加大光束的发散角。
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。
本实验方案中，扩束镜采用针孔空间滤波器。
3双凸透镜:
准直镜、成像透镜、傅立叶变换透镜之功能均可使用不同内径和焦距的双凸透镜来实现。
为了提高光的透射率，透镜面要镀增透膜。
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）④反射镜:
当光入射到普通反射镜的玻璃基版上时，要先经过折射再反射，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。
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。
⑤其它:
还有一些辅助元件：
如多自由度微调器，可三维控制镜架或者滤波器的位置和方向；可变光阑包括可调的狭缝和圆孔光阑、观察屏可用白纸或白屏；电子计时器用来控制曝光时间等。
3、光学信息的记录介质主要用在全息类实验中。
包括两大类,一类银盐感光材料，另一类非银盐感光材料，其中非银盐感光材料又包括，重铬酸盐明胶、光致聚合物等材料。
银盐感光材料灵敏度高，但是衍射效率低。
非银盐感光材料响应速度快，能及时的记录和显示，材料分辨率高，有些材料能多次反复使用，不用贵金银，免除了暗室的显影定影操作，加工过程简便快速，但灵敏度低。
它们各有优缺点，而且不同的非银盐感光材料的性能也是不一样的。
（二）、共轴调节：
光学实验中经常要遇到用一个或多个透镜成像，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、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。
一般分为两步进行，第一步粗调，即用眼睛观察，使物、屏与透镜中心大致在一条直线上；粗调方法如下：
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。
图示过程为：
调节透镜杆的高度，使得光斑中心与透镜架上的中心小圆孔在同一高度。
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。
反射镜的调节方法类似。
（二）、调节平行光：
⑴调整扩束镜，准直镜共轴,
⑵粗调，把准直镜放到一定位置使扩束镜处于准直镜的前焦面上，然后在准直镜
后放一挡板，不断前后纵向移动挡板，观察挡板上圆形光斑的到大小是不是发生变化，如果发生变化，就再前后移动准直镜的位置，再前后移动挡板，观察圆形光斑的大小，如果变化，重复以上工作，直到光斑大小不发生变化位置，完成粗调。
在调节中要注意光斑变化的和准直镜移动方向的关系，从而很快达到粗调的效果
⑶细调1如有条件，可以选用平晶进行细调。
把平晶放到准直镜后，使光线反射到挡板上，可以观察到干涉条纹
⑷细调2,左右微移动准直镜，观察挡板条纹的变化，找出规律，并使条纹的数目减少，最后在挡板上只剩下，一条或半条条纹，这时从准直镜出来的光线就是
四、实验内容:
（1）主要光学实验仪器的分辨
（2）进行共轴调节、调平行光
附录：
光学成像的基本概念与完善成像条件
一、光学系统与完善成像的概念
1、光学系统：
由一系列的光学元件所构成的系统。
这里所说的光学元件可以是透镜、反射镜、棱镜等。
光学系统又分为：
共轴光学系统及非共轴光学系统
2、完善成像：
像与物体只有大小的变化没有形状的改变（物与象是完全相似的）
二、完善成像的条件
入射为球面波，出射也为球面波（入射为同心光束，出射也为同心光束）。
三、物、像的虚实
物有虚实之分，像也有虚实之分。
物：
发出入射光波的。
像：
由出射光波形成的。
1、实物、实像：
由实际光线相交而成的就称为实；
2、虚物、虚像：
由实际光线的延长线相交而成的。
实像可由人眼或接收器（屏幕、CCD底片、光电倍增管等）所接收；虚像不可以被接收器所接收，但是却可以被人眼所观察。
3、物空间、像空间物所在的空间称为物空间；象所在的空间叫象空间。
无论是物空间还是象空间都是无限延伸的，不能机械的以左右划分。
实验二自组麦克尔逊干涉仪观察干涉现象一．引言
迈克耳逊干涉议是最典型的分振幅干涉装置。
本实验要求用分束镜，反射镜等，在全息台上组装迈克耳干涉仪。
并H—Ne激光作光源观察非定域干涉条件。
．实验目的
（1）组装并调节迈克耳逊干涉仪，观察点光源产生的非定域干涉条纹。
（2）观察干涉条纹反衬度随光程差变化，了解光源相干长度的意义。
（3）检查防震实验台的稳定性。
三．基本原理
3.1、迈克耳逊干涉仪的非定域干涉条纹。
本仪器是用分裂振幅的方法产生双光束以实现光的干涉。
图1是其原理。
其中S为单色点光源。
M、M为互相垂直放置的平面反射镜。
BS为分束镜，放在
MM法线的交点上，并分别与M、M成45°角。
Si
图1迈克耳逊干涉仪原理图
点光源S发出的球面波经BS的镀膜层分为两束光。
这两束分别经M、M反射又回到BS在BS上透过和反射的这两束光在BS的右侧空间形成一非定域的干涉场。
屏幕放在干涉场中垂直于光束方向，在屏幕上可看到干涉条纹。
图1中m2为M在BS上反射的虚像。
Si，S则分别为光源S在M和m2中的虚像。
屏上的干涉条纹可以看作为Si,S2虚光源发出的球面波干涉的结果。
当m2平行于M时，屏上出现圆形干涉条纹。
圆的中心在Si,S2连线上。
中心点的光强取决于S和S2之间距离d,即
2nd
I（P）=A+Bco
1
当d=K时，（K为整数），中心出现亮点。
当d=（K+-）■时，中心出现暗点。
2
圆形条纹的粗细和疏密程度与d有关。
当d减小时，圆条纹显得疏而粗。
d增大时，条纹变得细而密。
如果将M（或M）转一小角度，则M和m2不再平行。
屏幕上干涉条纹不再是圆形的封闭曲线，而变成为弯线或接近直线（实际上是双曲线或椭圆的一部分）。
3.2、条纹的反衬度和相干长度
干涉条纹的反衬度定义为二ma）＜fn
為+Imin
当光源不是单色光时，干涉条纹的反衬度与光程差有关。
2激光的单色性虽然相当好，但还是有一定的波长分布。
多纵膜的
2激光器的中心波长-0为6328埃，.「（见图2）约0、018埃，定义相干长度为
图2
2
Lma「工25厘米
.■:
■
迈克耳逊干涉仪中，来自光源的光束经BS分为两束，这两束光经不同的光程Li和1_2又在BS合成一束（见图3）o两束光的光程差为
当山接近于Lmax时，反衬度就比较弱了。
当I•Lmax时则可能完全看不到干涉条纹。
因此为了得到反衬度较高的干涉条纹，在全息照像中必须注意参考光和物光之间光程差。
即尽可能使光程差在0.5cm附近，不要超过光源的相干长度。
4.仪器用具
（参见附表）
五.实验内容
图4迈克耳逊干涉仪实物图
5.1,调节激光光束使平行于台面，通过针孔滤波器，准直镜使之出来为平行光，调节反射镜及分束镜仰角，使镜面垂直于光束。
5.2观察非定域干涉条纹，按图2安排光路，使M,M域BS基本等距，调节M,M角度，在屏幕上看到条纹。
微调M（或M）的方向，观察条纹形状变化。
加大M、M与BS的距离，再调到圆条纹观察条纹粗细及紧密的变化。
5.3轻轻敲击台面或在附近地面上跳动，走动，从条纹变动的幅度及衰减速度来评定平台的防震性能。
5.4观察条纹反衬度随光程差的变化。
移动M（或M）以改变一束光的光程（改变量可以从10cmi-50cm或更多），观察干涉条纹反衬度的变化，估计其相干长度。
实验三萨格奈特干涉仪
1.引言
通过萨格奈特干涉仪的各个元部件的调节、搭建和使用，和马赫一一曾德干涉系统作比较，可以训练学生调节光路的技巧，进一步了解干涉的原理。
为多种方法拍摄全息光栅打下基础。
2.实验目的
1、熟悉所用仪器及光路的调节，观察两束平行光的干涉现象。
2、观察全息台的稳定度。
3、通过实验考察激光源的相干长度。
3.基本原理
萨格奈特干涉仪（Mach-Zehnder;inter-ferometer）是用分振幅法产生双
光束以实现干涉的仪器，其光路示意图如图1所示，
□蜒临黑
图1光路示意图
它是由一块分束镜（半反半透镜）和三块全反射镜组成，四个面的中心光路构成一个平行四边形。
从激光器出射的光束经过扩束镜及准直镜，形成一束宽度合适的平行光束。
这束平行光射入分束板之后分为两束。
一束由分束板反射后达反射镜，经过三个反射镜三次反射，形成出射光束，这是第一束光；另一束透过分束镜，也经三个反射镜三次反射后射出，这是第二束光。
第一束光和第二束光路径相反，但出射时几乎同向。
在分束镜前方两束光的重叠区域放上屏P。
若I，U两束光严格平行，则在屏幕不出现干涉条纹；若两束光在水平方向有一个交角，那么在屏幕的竖直方向出现干涉条纹，而且两束光交角越大，干涉条纹越密。
萨格奈特干涉仪的特点是两光束光的光程很容易做到严格相等，用萨格奈特
干涉仪制作各种全息光栅效果也很好。
4.仪器用具
（参见附表）
5.实验内容
1、调节萨格奈特干涉仪
基本分为四步：
第一步调光束高度及水平（与平台平行）；第二步调平行光；第三步搭光路、量光程；第四步调两光斑的重合。
图2是光路实物图。
图2光路实物图
详细步骤如下：
（1）调节激光光束的高度及水平。
首先要使激光器的高度合适，使其射出的
光束与实验中所用光学器件的中心高度基本一致。
检查方法可以用一个孔光阑（约2mrh，前后移动光阑，使光束都能通过小孔光阑，这说明光束与平台平行。
（2）在激光器前面放上扩束镜C及准直镜L，前后移动L,使由L射出的光束为平行光。
也可以使用平晶来调平行光。
（3）在准直镜L的后方分别放入各光学件：
一个分束镜、三个反射镜，并如图1所示，使一块反射镜镜面垂直于另两块反射镜。
然后测量光程，使I、U两束光光程基本一样，并进一步检查各光束是否与工作台面平行。
（4）调节两光斑的重合。
调节各块反射镜和分束镜，使I、U两束光在分束镜的出射面上重合（用擦镜纸放在它前观察），再调节这块分束镜使I、U两束光在屏幕上重合，再反复调节，使两束光在最后一块分束镜面和屏幕面上都很好的重合为止。
这时I和U两束光接近平行，在屏幕面上可以看到干涉条纹，微调分束镜或任意一块反射镜的转角及仰角则可以改变条纹的宽度和方向。
如果前几个步骤调节合乎要求，这时可以观察到竖直的干涉条纹。
2、拍一下全息台，或在台旁的地上跳动，观察干涉条纹的变化及恢复情况。
观察全息台的稳定性。
3、移动任意一块反射镜，以改变光束的方向，一直到干涉条纹消失，观察其灵敏度。
实验四马赫一一曾德干涉仪实验
1.引言
现代光学的许多实验都是以马赫一一曾德干涉仪的光路为基础的，是最典型
的干涉仪通过马赫一一曾德干涉仪的各个元部件的调节，搭建和使用，可以训练
学生调节光路的技巧，进一步了解干涉的原理。
并且为进一步拍摄全息光栅打下基础。
2.实验目的
1、熟悉所用仪器及光路的调节，观察两束平行光的干涉现象。
2、观察全息台的稳定度。
3、通过实验考察激光源的相干长度。
3.基本原理
马赫曾德干涉仪（Mach-Zehnder;inter-ferometer）是用分振幅法产
生双光束以实现干涉的仪器，其光路示意图如图1所示，
图1光路示意图
它是由两块分束镜（半反半透镜）和两块全反射镜组成，四个反射面接近互相平行，中心光路构成一个平行四边形。
从激光器出射的光束经过扩束镜及准直镜，形成一束宽度合适的平行光束。
这束平行光射入分束板之后分为两束。
一束由分束板反射后达反射镜，经过其再次反射并透过另一个分束镜，这是第一束光；另一束透过分束镜，经反射镜及分束镜两次反射后射出，这是第二束光。
在最后一块分束镜前方两束光的重叠区域放上屏P。
若I，U两束光严格平行，则在屏幕不出现干涉条纹；若两束光在水平方向有一个交角，那么在屏幕的竖直方向出现干涉条纹，而且两束光交角越大，干涉条纹越密。
马赫一一曾德干涉仪的特点是两光束分得很开，因此用途比较广，比如在空气动力学中可用它来研究气流折射率的变化，用马赫一一曾德干涉仪制作各种全息光栅效果很好。
4.仪器用具
（参见附表）
5.实验内容
1、调节马赫一一曾德干涉仪
基本分为四步：
第一步调光束高度及水平（与平台平行）；第二步调平行光;第三步搭光路、量光程；第四步调两光斑的重合。
图2是光路实物图
图2光路实物图
详细步骤如下：
（5）调节激光光束的高度及水平。
首先要使激光器的高度合适，使其射出的
光束与实验中所用光学器件的中心高度基本一致。
检查方法可以用一个孔光阑（约2mrh,前后移动光阑，使光束都能通过小孔光阑，这说明光束与平台平行。
（6）在激光器前面放上扩束镜C及准直镜L，前后移动L，使由L射出的光束为平行光。
可以使用平晶来调平行光。
（7）在准直镜L的后方分别放入各光学件：
两个分数镜、两个反射镜，并如
图1所示，把它们摆成一个平行四边形。
然后测量光程，使I、U两束光光程基本一样，并进一步检查各光束是否与工作台面平行。
（8）调节两光斑的重合。
调节任何一块反射镜，使I、U两束光在最后一块分束镜的出射面上重合（用擦镜纸放在它前观察），再调节这块分束镜使I、U两束光在屏幕上重合，再反复调节一次反射镜及最后一块分束镜使两束光在最后一块分束镜面和屏幕面上都很好的重合为止。
这时I和U两束光接近平行，在屏幕面上可以看到干涉条纹，微调最后一块分束镜或任意一块反射镜的转角及仰角则可以改变条纹的宽度和方向。
如果前几个步骤调节合乎要求，这时可以观察到竖直的干涉条纹。
2、拍一下全息台，或在台旁的地上跳动，观察干涉条纹的变化及恢复情况。
观察全息台的稳定性。
3、移动任意一块反射镜，以改变光束I的光程，一直到干涉条纹消失，比较光束I和U两束的光程。
估计一下激光光源的相干长度。
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