北航17系工程光学实验报告.docx
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北航17系工程光学实验报告
成绩
北京航空航天大学
物理光学实验报告
学院仪器科学与光电工程
专业方向遥感科学与技术
班级141717
学号姓名
权重1:
1:
1
指导教师
实验一光的干涉
实验时间2016.12.18
一、实验目的
通过本实验，观察干涉现象，了解干涉原理，学会干涉光路的搭构与调整，通过干涉环的变化与被测量的关系，得到一些被测的物理量。
二、实验设备
实验平台（400mm×600mm）1个
二维可调半导体激光器（650nm，4mW）1套
二维可调分束镜1套
二维可调反射镜2套
二维可调扩束镜1套
白屏1个
气室＋压强计1套
三、实验内容
1）迈克尔逊干涉仪
迈克尔逊干涉仪作为一种十分古老的干涉仪，于1880年由迈克尔逊发明，并主要由此于1907年获得诺贝尔奖金。
它的基本光路结构如图1。
它常被用来测量物体的微小位移变化：
从光源发出的一束相干光经分束镜G一分为二，分为两束。
一束透射光落在反射镜M1上，另一束反射光落在发射镜M2上，M1、M2分别将这两束光沿原路反射回来，在分束镜G上重合后射入扩束镜，投影在白屏上，如果我们对光路调整的合适，将在白屏上看到一系列的明暗相间的干涉条纹，这些干涉条纹会随着M1或M2的移动而移动，且非常敏感，只要反射镜移动半个波长，干涉条纹就移动一个周期，而光波长一般都在微米量级，因此它具有很高的灵敏度和分辨率。
图1
3）萨格奈克干涉仪
萨格奈克干涉仪的光路结构如图3所示，光路由一个分束镜G和三个反射镜M组成，它的光路比较特殊，两束光沿着相同的路径反向传播。
由于两束光的传播路径严格重合，因此任何实际样品的影响都是同时作用在两个光束上的，且大多数情况下作用相互抵消，我们观察不到变化，但这种干涉仪对角度的变化却有反映。
假设干涉仪绕垂直于光路平面的轴转动，则一束光将顺着转动方向传播，而另一束光将逆着转动方向传播，这将引起光程差的变化，从而引起干涉条纹的移动。
目前广泛应用于航空、航天领域的的激光陀螺、光纤陀螺就是基于该原理。
图3
内容：
本实验的主要内容为，在光学实验平台上，按图示1、2、3所示光路搭建出三种干涉仪，并调整出粗细适当的干涉条纹。
然后在光路中加入气室，对气室加压，改变气室中的空气压强，由于气体的折射率依赖于气体的压强，当这种变化只作用在某一路光束时，必将引起两束光之间的光程差的改变，从而引起干涉条纹的变化。
通过压强计读出空气压强同干涉条纹变化的关系，可绘制出空气压强与干涉条纹变化的关系曲线和空气折射率与压强的关系曲线（气室长度100mm）。
四、实验步骤
1．将半导体激光器、分束镜、反射镜和扩束镜按照图1、2和3位置摆放
2．通过白屏调整光束的位置，使所有光束在同一水平高度，保证干涉的实现
3．调整分束镜和反射镜的位置，得到干涉条纹
4．调整阀门改变气室的压强，观察条纹的变化
5．在白屏上固定一个点，计条纹移动的数目
6．计算条纹移动的数目与气室压强的变化，画出关系曲线
实验中的调试方法和注意事项：
1.为了得到粗细合适的干涉条纹，应使重新拟合的两束光尽量重合。
两束光之间的夹角越小，干涉条纹越粗，反之越细。
在调整光路时，应先使两束光落在同一个平面内。
这可以用固定在磁性表座上的白屏来观察两束光各点的高度是否相同来确定。
然后在通过使两束光汇集于同一点来保证水平方向的夹角可尽量的小。
2.空气压强的变化应平稳而缓慢，可通过气室本身的泄漏来实现。
条纹的变化可通过条纹经过白屏上的一个固定点来计数。
3.应尽量避免有反射光进入激光器，这将引起激光器工作不稳定。
4.条纹计数时不要接触平台，以免引起条纹的抖动。
5.光学元件的表面严禁触摸。
压强计不可超量程使用，以免损坏。
五、实验结果
1）迈克尔逊干涉仪
所得条纹如图：
所得数据如下表：
条纹移动的数目
气室的压强
（KPa）
1
0
224
2
2
210
3
4
192
4
6
176
5
8
158
6
10
141
7
12
124
8
14
105
9
16
87
10
18
71
11
20
54
12
22
37
13
24
24
结论：
分析数据及条纹移动数目与气室压强变化的关系曲线，可以得到，条纹的移动数目与气室压强有很强的线性相关关系。
在实验室的条件下，气压每升高（下降）10KPa，干涉条纹移动1个条纹。
3）萨格奈克干涉仪
所得条纹如图：
实验二衍射现象的观察
一、实验目的
通过本实验，使学生掌握衍射基本原理
二、实验设备
800mm导轨1根二维可调半导体激光器1个
单缝多缝元件1个一维位移架1个
12档光栏探头1个激光功率指示仪1台
导轨滑块3个
三、实验内容
光的衍射是光的波动性的主要标志之一，是傅立叶光学、衍射光栅和二元光学等的基础，它决定光学成象系统的分辨率，同时可以利用它进行精密测量。
本实验所用缝元件共包含10种结构，通过对透射光的光强分布情况的测量和分析，了解掌握光的衍射理论
仪器构成：
四、实验步骤
1．将导轨平稳地放置在一个坚固的平台上。
2．将半导体激光器放置于导轨的一端，缝元件架紧靠激光器放置，将一维位置架放置在导轨的另一端，放上12档光探头并锁紧，调节光探头到一维位移架的中间区域。
3．调整激光器指向方位和光探头的高低，使激光准确进入探测光栏孔。
4．在缝元件架上放上缝元件，根据实验内容将要被测的缝或光栅调入光路，在光探头端就会出现一条干涉或衍射图案。
5．旋转探头上的光栏盘使0.2mm缝光栏进入探测位置。
转动一维位移架上的丝杠钮，使探头从一端向另一端进行扫描探测，并记录下光探头位置与功率的对应关系，验证光强分布与波长和缝参数的关系。
五、实验结果
所得数据如下表：
探头位置（mm）
光强数值（μW）
1
10.0
0.0
2
10.1
0.2
3
10.2
0.0
4
10.3
0.3
5
10.4
0.2
6
10.5
0.0
7
10.6
0.5
8
10.7
3.6
9
10.8
0.9
10
10.9
5.2
11
10.963
10.8
12
11.013
9.8
13
11.03
16.3
14
11.039
13.2
15
11.057
5.4
16
11.083
3.5
17
11.113
1.0
18
11.17
1.1
19
11.239
3.9
20
11.28
3.6
21
11.322
2.3
22
11.348
1.2
23
11.782
0.3
24
11.823
0.2
25
12.282
0.2
结论：
单缝衍射的光强主要集中在主极大的位置。
实验三偏振光的检测
一、实验目的
通过本实验，使学生对偏振光的特性和偏振器件有一个基本的了解，同时了解偏振光在工程上的应用。
二、实验设备
800mm导轨1根
二维可调半导体激光器1个
激光功率指示仪1台
显示屏1个
偏振片/波片架（含2个偏振片和1/4个波片）1套
旋光晶片（包括调整架）1个
导轨滑块5个
三、实验内容
内容：
通过二个偏振片和一个波片的组合，验证光是一种横波，具有偏振的特性以及马吕斯定律、1/4λ波片的光学特性、旋光效应及半导体激光的偏振特性，从而领会光的偏振特性和双折射晶体的光学原理。
仪器构成：
四、实验步骤
1．半导体激光器的偏振特性：
导轨、激光功率指示计、二维可调半导体激光器、偏振架（检偏器）1个
1将激光器、偏振架（检偏器）、功率指示计光探头（用最大孔）依次排列。
2将激光器、功率指示计光探头分别与功率指示计相连。
3打开功率指示计电源，激光输出。
调整激光指向和各架子的高度，使激光从偏振片的中心通过，进入功率指示计探头。
4旋转检偏器，记录下功率最大值和最小值，以及所对应的角度，由此求出半导体激光的偏振度。
2．光的偏振特性以及马吕斯定律：
1将激光器、偏振架1（起偏器）、偏振架2（检偏器）、功率指示计光探头依次排列。
2旋转检偏器，记录下角度与功率的关系，绘制曲线，以验证马吕斯定律。
注意：
半导体激光器输出的激光可能是一近似线偏振光，应注意起偏器的方位。
3．1/4λ波片的光学特性：
1在实验2基础上，旋转检偏器使激光完全不能通过，进入消光状态。
2在起偏器与检偏器之间加入1/4λ波片架，这时可能会有部分光通过检偏器。
3旋转1/4λ波片，使系统重新进入消光状态。
4记下消光状态时的1/4λ波片方位角度，并旋转45°。
5旋转检偏器记录下光强的变化。
（对于理想状态光强应无较大变化，近似为一圆偏振光。
）
4．物质的旋光特性：
1在实验2的基础上，旋转起偏器，使系统进入消光状态。
2将旋光晶体放入起偏器与检偏器之间，观察检偏器后的透光情况。
3旋转检偏器，使系统再次进入消光状态。
记录下旋转的角度。
求出晶体的旋光率。
已知旋光晶体厚度l＝3mm。
五、实验结果
半导体激光器的偏振特性：
由实验测得：
Imax=1.730mW,此时所对应的角度为154.4°；
Imin=0.009mW，此时所对应的角度为65.0°；
则偏振度P=（Imax-Imin）/（Imax+Imin）=94.56%。
光的偏振特性以及马吕斯定律：
所得数据列表如下：
序号
检偏器角度值/°
光功率/μW
1
0.0
0.191
2
10.0
0.051
3
20.0
0.002
4
30.0
0.022
5
40.0
0.129
6
50.0
0.286
7
60.0
0.523
8
70.0
0.745
9
80.0
0.989
10
90.0
1.154
11
100.0
1.263
12
110.0
1.287
13
120.0
1.238
14
130.0
1.118
15
140.0
0.904
16
150.0
0.710
17
160.0
0.450
18
170.0
0.264
19
180.0
0.107
20
190.0
0.014
21
200.0
0.005
22
210.0
0.085
23
220.0
0.231
24
230.0
0.461
25
240.0
0.666
26
250.0
0.897
27
260.0
1.064
28
270.0
1.184
29
280.0
1.249
30
290.0
1.224
31
300.0
1.122
32
310.0
0.972
33
320.0
0.739
34
330.0
0.538
35
340.0
0.315
36
350.0
0.126
37
360.0
0.035
由此得的检偏器角度与光功率两者关系曲线如下图：
由功率-角度曲线可以看出，功率和角度的关系近似为一余弦曲线关系
而马吕斯定律为：
I=I0cos2θ
与公式对比，可知马吕斯定律得证。
1/4λ波片的光学特性：
所得数据列表如下：
消光状态时1/4λ波片的角度为333°
旋转45°之后1/4λ波片的角度为18°
记录下检偏器角度与光功率的数据，画出光功率的变化曲线
序号
检偏器角度值/°
光功率/μW
1
0.0
0.258
2
90.0
0.217
3
180.0
0.26
4
270.00
0.233
结论：
由上图可得，当检偏器转动不同的角度时，输出的光的光强功率几乎不变，说明输出的光近似为一圆偏振光，进一步说明1/4λ波片能够改变o光和e光的相位差，从而改变光的偏振态。
旋光晶体旋光率测量：
所得数据列表如下：
序号
检偏器起始角度 /°
检偏器消光位置角度/°
1
358.0
60.0
2
168.0
246.0
θ1=180-（246.0-168.0）=78.0°
θ2=180-（60.0+360-358.0）=62.0°
θ=0.5*（θ1+θ2）=70.0°
且l=3mm
则晶体的旋光率α＝θ/l＝23.33°/mm，为左旋。
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