光学实验基本常数解读.docx

光学实验基本常数解读.docx

《光学实验基本常数解读.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光学实验基本常数解读.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

光学实验基本常数解读

附录二.光学实验基础知识

Appendix2ElementaryKnowledgeofOpticalExperiment

一、光学实验教学的基本要求Basicrequestofopticalexperimentalteaching

1．了解光学仪器的基本光学系统及工作原理。

光学仪器的基本光学系统主要是指望远镜系统，显微镜系统和照相光学系统。

2．了解以干涉、衍射、色散、偏振等物理光学的基本原理而发展起来的光学精密测量方法。

3．学会基本光学仪器的调节和使用。

光学实验中接触到的主要仪器有显微镜、望远镜、平行光管、分光计、迈氏干涉仪、摄谱仪等。

通过对上述仪器的调节和使用，着重掌握以下技术。

（1）望远镜和显微镜的调焦；

（2）平行光的获得和聚焦；

（3）光路的共轴调节；

（4）视差的判断和消除。

二、光学仪器的调节Opticalinstrumentadjusting

光学仪器比较精密，光学仪器的调节也比较费时费力，实验中各种现象的分析及一些重要的调节步骤都紧密地依赖于理论的指导。

调节光学仪器时，不仅对整体调节方案要心中有数，而且对每一调节步骤的理论根据也要有所了解。

无目的地乱调，其结果必然是徒劳无功的。

因此，对光学实验来说，事先做好充分的理论准备，尤其必要。

光学仪器的调节效果，主要凭眼睛来观察，在调节时，应注意以下两点：

1．像的亮度Brightnessofimage

当成像太暗、不易看清时，可从两方面来改善，一是增加光源的亮度或改善聚光情况；二是降低背景的亮度或改善室内遮光条件，挡住杂散光等。

2．视差调节Parallaxadjustment

在许多实验中，常用视差来调节。

例如，当人的眼睛通过显微镜或望远镜进行观测时，要求物像成在分划板上，以便用像与分划线的相对位置来推断被测物的坐标。

调节中是利用有无视差来判断像的位置的。

当左右移动眼睛时，若像和分划线有相对位移，即存在视差，说明像未成在分划板上，必须再调节至无视差的为止。

三、光学仪器的使用和维护Opticalinstrumentutilizationandservice

光学仪器的核心部件是它的光学元件，如各种透镜、棱镜、反射镜、分划板等，对它们的光学性能（如表面光洁度、平行度、透过率等）都有一定的要求。

光学元件极易损坏，最常见的损坏有：

1．破损。

由于使用粗心大意，使光学元件受到撞击（如跌落、震动）或挤压，因而造成缺损或破裂。

2．磨损。

这是最常见，也是危害最大的损害。

在玻璃表面上常有灰尘等，由于处理方法不当（如用手、布、纸片等物去擦），以致在玻璃的光学面上留下无法弥补的擦痕。

有时由于使用或保管不当，使光学元件的光学面跟其它物体发生摩擦，使光学面损伤。

磨损的结果，将使仪器成像模糊，甚至不能成像。

3．污损。

由于手指的油垢、汗渍或其它液体造成的沉淀，结果在光学元件的光学面上留下斑痕。

4．发霉。

这是由于光学元件所处的环境温度较高、湿度较大，适宜于微生物生长而造成的。

5．腐蚀。

这是由于光学元件的光学面遇到酸碱等化学物品时造成的。

因为以上种种，所以光学元件在使用和维护时，必须遵守下列规则：

1．必须了解仪器的使用方法和操作要求，才能使用仪器。

2．仪器应轻拿轻放，勿失落，勿受震动。

3．不准用手触摸仪器的光学表面，如必须用手拿某些光学元件（如透镜、棱镜等）时，只能接触其非光学面部分，即磨砂面。

4．光学表面如有轻微污痕或指印，可用特制的镜头纸轻轻地拂拭，不能加压力擦拭，更不准用手、手帕、衣服、纸片等物去擦。

若表面有严重污痕、指印等，一般由实验室管理人员用乙醚、丙酮或酒精清洗（镀膜面不可清洗）。

5．光学面如有灰尘，要用橡皮球将灰尘吹去，或用专用的脱脂软毛笔轻轻掸去，切不可用其他物品揩试。

6．不允许任何溶液接触光学面。

7．在暗室中操作，应预先熟悉各仪器、元件安放的位置。

8．仪器用毕，应放回箱内或加罩。

9．仪器箱内应有干燥剂，以防仪器受潮和玻璃发霉。

10．光学仪器装配精密，拆卸后很难复原，因此不得私自拆卸。

四、常用光学仪器简介Abstractoffrequentopticalinstrument

（一）分光计Spectrometer

1.分光计的结构Structureofspectrometer

分光计型号繁多，其结构大同小异，图1为DG-3型分光仪的结构原理图。

由5部分组成；望远镜、载物台、平行光管、刻度盘、底座。

（1）望远镜Telescope

望远镜由物镜和目镜组成。

图2为DG-3型分光仪望远镜结构示意图。

A筒为阿贝目镜，B筒上装有十字叉丝和全反射小棱镜，C筒上装有物镜。

为调节和测量，将叉丝安装在物镜和目镜之间。

A筒可在B筒内滑动以改变叉丝与目镜间距离，B筒可在C筒内滑动以改变叉丝与物镜间的距离。

（2）载物台Objectstage

载物台（15）又叫平台。

它是用来放置待测件的，台上有簧片夹（16），用来夹固被测部件。

平台下方有3个螺钉（14）成正三角形，用来调节平台的高度和倾斜度。

（3）平行光管Collimator

平行光管19，它的作用是产生平行光。

平行光管的透镜V是一个消色差的复合正透镜。

图1DG-3型分光仪

1—自准直目镜；13—载物台升降固定螺丝25—刻度盘；

2—照明小灯；14—载物台水平调节螺丝；26—望远镜方位读数游标；

3—叉丝套筒；15—载物台；27—电源插头；

4—望远镜筒；16—弹簧夹片；28—底座；

5—望远镜调焦钮；17—狭缝；I—阿贝目镜；

6—望远镜俯仰调节螺丝；18—狭缝套筒；II—全反射小棱镜；

7—照明灯开关；19—平行光管；III—十字叉丝；

8—望远镜左右调节螺丝；20—平行光管调焦钮；IV—物镜；

9—望远镜微动调节钮；21—平行光管俯仰调节螺丝；V—透镜；

10—望远镜固定螺丝；22—平行光管左右调节螺丝；VI—狭缝。

11—载物台微动紧固螺丝；23—载物台微动调节钮；

12—载物台固定螺丝；24—载物台方位读数游标；

图2望远镜结构示意图（阿贝目镜型）

狭缝17可用螺丝（图中未画出）调节其缝隙宽度，当光源（如钠光灯、水银灯等）把缝隙照明，转动平行光管调钮20，可改变狭缝和透镜间的距离，当狭缝

正好处于透镜的主焦面上时，平行光管便产生平行光从透镜射出。

图3读数盘示意图

（4）底座Baseframe

本分光仪的底座为半球形，

仪器的转动轴就固定在底座上，平

图3读数盘示意图

行光管也固定在底座上。

（5）刻度盘Dialscale

刻度盘与游标24、26构成

分光仪读数装置。

刻度盘25与

转动轴底座固定为一体。

上下两

层游标可相对于刻度盘25转动，

见图3。

刻度盘一周分为360°，最小

分度值为半度（30′），小于半度的

利用游标读数。

游标为30格，每

格对应角度为1′（即精度为1′）。

其读数方法与游标卡尺完全相同，如图3中望远镜的位置应为210°04′。

2．分光计的调整Spectrometeradjustment

分光计既然作为测量角度的光学仪器，那么，要能准确测量角度，就必须使入射光和出射光均为平行光；入射光线、出射光线与反射面（或折射面）的法线所构成的平面应与分光计的刻度盘平行。

为此，调整分光计必须达到如下要求：

①平行光管发出平行光；②望远镜能接受平行光并将平行光聚焦于物镜焦面上；③平行光管与望远镜同光轴，且光轴垂直通过转动轴线。

首先目测粗调，使分光计各部分大体上满足上述要求，然后进行细调。

（1）自准法调节望远镜

将三棱镜如图4放置载物台上，使AB、AC、BC分别垂直于a1a2，a2a3，a3a1，。

当调节a1时，只改变AB的法线而对AC法线无影响，当调节a3时，只改变AC的法线而对AB法线无影响。

先目测：

通过调节a1或a3，分别使AB、AC面的法线大体上望远镜的光轴相平行，然后：

①点亮小灯2，调节目镜I，以看清楚叉丝。

慢慢转动平台，使AB面正对望远镜，用望远镜观察，可以发现被三棱镜反射回来的光斑。

此光斑可能没有明显的轮廊或边界，而只是比周围背影稍亮一些。

如果找不到光斑，说明没有反射光进入望远镜。

需略微转动平台或调节a1螺丝，直到反射光能进入望远镜。

②调节望远镜调焦钮5，以看清楚光斑内叉丝的像，如图5所示。

再将眼睛上下、左右移动，若看到叉丝的像与叉丝无相对移动时，说明叉丝的像与叉丝处于同一焦平面上，即已消除视差。

这时望远镜已聚焦于无穷远。

③转动载物台，使另一反射面AC正对望远镜，也应看到叉丝的像。

若看不到，则需将平台左右略微转动或调节a3螺丝。

待AB、AC两反射面都各自有叉丝的反射像后，说明望远镜的光轴与分光计的转轴大体上相垂直了。

倘需细调直至完全垂直。

细调的方法是采用“二分之一逼近法”，即

④当AC面正对望远镜时，看到的叉丝像与叉丝并不重合。

左右调节可缓慢转动平台，上下调节可先调节望远镜的俯仰调节螺丝6，使叉丝的像向叉丝逼近二分之一，再调节平台下面的螺丝a3，使叉丝的像与叉丝完全重合。

再使AB面正对望远镜，以同样方法通过调节望远镜的俯仰调节螺丝6，使叉丝的像向叉丝逼近二分之一，再调节平台下面的螺丝a1，使叉丝的像与叉丝完全重合。

用“二分之一逼近法”经反复调节，直到AB、AC面反射回来的叉丝像都与叉丝完全重合为止。

这时说明望远镜的光轴已与分光计的转轴相互垂直了。

（2）调节平行光管

用钠光灯照亮平行光管的狭缝。

移开三棱镜，将已调好的望远镜对准平行光管，则由望远镜可观察到来自平行光管的光，调节平行光管调焦钮20，使得到清晰的狭缝像（通常称之为光谱线）。

这时，说明平行光管发出是平行光。

如果谱线太宽或太窄，应调节狭缝宽度。

检查望远镜中水平叉丝是否将狭缝像平分。

如没被平分，则调节平行光管俯仰调节螺丝21，直至狭缝像已被水平叉丝平分为止。

这时平行光管的光轴与分光计转轴互相垂直。

至此，分光计调节完毕。

（二）读数显微镜Readingmicroscope

读数显微镜由显微镜和螺旋测微装置两部分组成。

显微镜的作用是将被测物体放大并瞄准，测微螺旋的作用是测读任意两点间的距离。

读数显微镜的特点是，既能达到较高的测量精度（决定于测微螺旋的精度），又有较宽的测量范围（决定于显微镜筒的移动范围），并且能实现无接触测量。

它的结构简单，操作方便，应用范围很广。

图6为JXD-B型读数显微镜外型。

具体结构有：

1目镜，2调焦手轮，3横轴，4立柱，5底座，6反光镜调节手轮，7工作台压簧，8物镜，9镜筒，10指标，11标尺，12毛玻璃，13底座手轮。

图6读数显微镜

调节读数显微镜的步骤是：

（1）使显微镜筒位于标尺中部。

（2）用合适的光源照明被测对象，调节照明方向，使视场明亮。

（3）调节目镜，以看清分划线为准。

（4）调节镜筒的工作距离（调焦），使像清晰并要消除视差。

测量程序是：

转动测微螺旋，瞄准被测物上一点，记下a1，继续移动镜筒，瞄准另一点，记下a2，则被测物两点间距离为a2-a1。

使用时须注意：

（1）要注意消除空程误差。

（2）调节镜筒的工作距离时，只允许从下往上调，不允许从上往下调，以免压碎被测物体。

（三）人眼的光学性能Opticalperformanceofeyes

在各种光学实验中，无论使用什么光学仪器，都要通过人眼才能看清所的像，所以了解人眼学仪器和进行光学测量是很重要的。

1．眼睛的构造Structureofeyes

人眼是一种复杂的“光学仪器”，由图7可看出其构造的大意。

视网膜是光学系统成像的屏或感光面，不管使用什么仪器观察什么物体，最后必须是在光线进入眼睛里，并且在视网膜上成一清晰的像时，人才感觉观察到

了物体。

黄斑中心是人眼视觉最灵敏的部分。

水晶体则是一个可调焦距的透镜，

图7人眼的构造

成像全靠它。

毛状肌是可松弛或拉紧的肌肉组织，它担负着改变水晶体（透镜）曲率半径的作用即改变透镜焦距的作用。

2．眼睛的成像功能Imagingfunctionofeyes

人眼球大小一定，水晶体距视网膜距离也一定，换句话说，人眼成像的像距一定，而人观察的物体距眼睛远近经常变化的。

我们平时观察远近不一的各种物体时，都能看得清楚，就是通过眼睛的调节作用使物体在视网膜上成一清晰的像。

这一调节作用就要靠毛状肌的作用了；当看近时（物距小），毛状肌就收缩，使水晶体的曲率半径变小（焦距变小），这样近处物体正好在视网膜上成一清晰的像。

当观察远处物体时（物距大），毛状肌松弛，水晶体的曲率半径变大（焦距变大），使远处物体正好像在视网膜上。

应当指出一点，人眼睛的调节作用是有限度的。

对于正常眼睛的成人而言，其调节作用可使15cm→∞距离处的物体都能看清楚。

同时，因为每个人的眼睛的调节作用不完全一样，氢在实验中，往往一个人认为成像清晰，而中一个人却认为还不清晰。

3．眼睛的分辨本领Resolutioncapabilityofeyes

图8眼睛的分辨本领

从图8可以看出，用眼睛观察物体上下两点A和B时（即被观察物体高度

），它们分别在距网膜上成像为A′和B′两点（即像高为

）。

如果

小到一定程度时，人眼睛分辨不清A和B是两个点了（实际是A′和B′靠得极近，故分不清是两点了）。

人眼所能分辨的最小观角δ就叫做眼睛的分辨本领，让我们估计一下它的大小。

（

）≈0.005mm可认为是能分辨的最小像高，OB′=17.1mm是水晶体心到视网膜的距离，可认为是像距。

由图8可知分辨本领

弧度=1′

正常人眼睛的分辨本领为1′左右。

正常人眼睛的明视距离为l=250mm，在明视距离处能看清物体的最小尺寸是

mm

（四）实验室常用光源Frequentilluminantinlaboratory

实验室常用的光源是将电能转换成光能的光源——电光源。

常用的有白炽光源、钠光灯、水银灯、激光器等。

1．白炽灯Incandescentlamp

白炽灯通常用钨丝作为发光体，灯泡内的钨丝在惰性气体中通电加热发光，它的光谱是连续的，其光谱能量分布曲线与钨丝的温度有关。

实验室中常用白炽灯多属低电压类型，常用的有3V、6V、12V等。

近年来，利用卤族元素和钨的化合物容易挥发的特点制成了卤钨灯（主要有碘钨灯和溴钨灯）。

在灯泡内充入卤族元素后，沉积在玻璃泡内的钨将和卤素原子化合生成卤化钨，卤化钨挥发成气体并向灯丝扩散。

因为灯丝附近温度比较高，卤化钨分解，钨重新沉积到钨丝上形成卤钨循环，所以卤钨灯能获得较高的发光效率。

光色较好，稳定度较高。

2．钠光灯Natriumlamp

钠光灯是一种气体放电光源，在可见光范围内有两条强谱线（589.0nm和589.6nm），由于这两种单色黄光波长接近，一般不易区分，常以它们的平均值589.3nm作为钠灯黄光的波长值。

钠光灯是将金属钠封闭在抽空的特种玻璃泡内，泡内充以辅助气体氩。

钠为难熔金属，冷时蒸汽压很低，工作时蒸汽压可达到0.4Pa，通电15min后可发出强黄光。

灯泡两端电压约20V（A，C），电流约1.0~1.3A，电源用220V（A，C）并串入扼流圈来镇流。

图9为灯光灯结构示意图和工作电路。

3．水银灯Mercurylamp

水银灯是一种气体放电光源，点燃稳定后发出绿白色光，在可见光范围内光谱成分是几条分离的强谱线（612.35nm，579.07nm，576.96nm，546.07nm，491.60nm，435.83nm，404.68nm，365.02nm）。

因为水银灯在常温下要有很高的电压才能点燃，所以灯管内还充以辅助气

图9低压钠灯的结构（a）和工作电路（b）

体，如氖、氩等。

通电时辅助气体首先被电离而放电，此后灯管温度得以升

高，随后才产生水银蒸汽的弧光放电。

水银灯在点燃后如突然断电，灯管仍然发烫，要等到灯管温度下降后水银蒸汽压降低到一定程度才能再点燃，一般需等10min。

水银灯的外形与钠光灯相似，工作时也必须串以扼流圈来镇流。

4.激光光源Lasersource

激光是60年代出现的新型光源和普通光源相比具有以下优点：

光谱亮度高，能量集中；方向性好，几乎接近于理想的平行光束；单色性强，波长范围可小于10-4nm，相干性好。

图10氦氖激光器

实验室常用的激光光源是氦—氖激光器，如图10所示。

它由激光物质，激励装置和光学谐振腔三部分组成。

放电管内的He、Ne混合气体在激励作用下产生受激辐射形成激光，经光学谐振腔加强一定程度后从谐振腔的一块反射镜发射出去。

谐振腔的两块反射镜面对面地放置，两块反射镜可以是凹球面镜、平面镜或一凹—平两块镜片。

管长10~100cm，毛细管内径1~5mm。

氦—氖激光器的电极用钴制成，两端加2~3kV直流电压，反射镜的反射峰值配合在632.8nm，以抑制其他波长的谐振，使其632.8nm输出最大，输出功率可以从0.5mW到几十毫瓦。