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应用光学实验
应用光学实验
实验一光学实验主要仪器、光路调整与技巧一.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
二.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。
三.基本原理
（一）、光学实验仪器概述:
主要含:
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（LightAmplificationbystimulatedemissionofradiation）,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。
.
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——He-Ne激光器,Ar离子激光器
（2）液体激光器——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。
（三）、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
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平行光。
四、真空滤波器的调节:
（1）首先在激光的前面一定距离放一光屏,在激光打在屏上的一点做记号,
并且固定光屏,
（2）然后把针孔滤波器的针孔拿出,使针孔面朝上,不要接触桌面或工作台。
（3）将针孔滤波器至于激光和光屏之间,调整针孔滤波器的高度使之与激光
同高,这时就会在光屏上出现一个亮度均匀的圆光斑,并且光斑的中心与我们光屏上做的记号重合。
（4）然后把针孔放到滤波器上,先稍许移动垂直和左右方向的调节手轮,直
接观察针孔小眼,使针孔处小亮点最亮;再调节前后方向的手轮,使得物镜不断靠近针孔。
（5）待有光斑出现后,不断重复第4步,使光斑的亮度逐渐增加,在光屏上观察到同心的亮暗衍射环。
（6）最后再沿三个方向微调,使中央亮斑半径不断扩大,亮度逐渐增加,直至最亮最均匀为止。
五、仪器用具
平晶
挡板（条纹变化,使之越来越少）
挡板
尽量将本实验系统所提供的所有光学、光电、机械调整元件的功能和使用方法都熟悉。
六、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（物与像是完全相似的）。
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。
实象可由人眼或接收器（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;像所在的空间叫像空间。
无论是物空间还是像空间都是无限延伸的,不能机械的以左右划分。
实验二镜头基点的测定
一.引言
每个厚透镜及共轴球面透镜组都有六个基点。
即两个焦点F,'F;两个主点
H,
'H;两个节点N,'N.
二.实验目的
1.了解透镜组的基点的一般特性
2.学习测定光具组基点和焦距的方法
三.基本原理
（1）主面和主点
若将物体垂直于系统的光轴,放置在第一主点H处,则必成一个与物体同样大小的正立的像于第二主点H'处,即主点是横向放大率β=+1的一对共轭点。
过主点垂直于光轴的平面,分别称为第一和第二主面,如图1中的MH和M'H'。
（2）节点和节面
节点是角放大率γ=+1的一对共轭点。
入射光线（或其延长线）通过第一节点N时,出射光
线（或其延长线）必通过第二节点N',并于N的入射光线平行
（如图5—4—5）。
过节点垂直于主光轴的平面分别称为第一和
（3）焦点、焦面
平行于系统主轴的平行光束,经系统折射后与主轴的交点F'称为像方焦点;过F'垂直于主轴的平面称为像方焦面。
第二主点H'到像方焦点F'的距离,称为系统的像方焦距f'。
此外,还有物方焦点F及焦面和焦距f。
综上所述,薄透镜的两主点和节点与透镜的光心重合,而共轴球面系统两主点和节点的位置,将随各组合透镜或折射面的焦距和系统的空间特性而异。
实际使用透镜组时,多数场合透镜组两边都是空气,物方和像方媒质的折射率相等,此时节点和主点重合。
5
4——图5
图2测量基点示意图
设L为已知透镜焦距等于fo的凸透镜,L.S.为代测透镜组,其主点（节点）
为H、H/（N、N/））
像焦点为F/。
当AB（高度已知）放在L的前焦点处时,它经过L以及L.S.将成像A/B/于L.S.的后焦面上。
因为AO//A/N/,AB//A/B/,OB//N/B/,所以
△AOB∽△A/N/B,即AB:
0f=A/B/:
f'所以0
ABffAB
''
'=因此我们可以通过测量A/B/的大小,从而得到f'的数值。
因为是平行光入射到透镜组上,所以像A/B/的位置就是F/的位置。
F/的位置既然确定,而N/F/=f',因此N/的位置也就确定了。
把L.S.的入射方向和出射方向互相颠倒,即可测定F和N的位置。
本实验节点和主点重合,所以H和H'的位置也得到确定
四.仪器用具
激光器、空间滤波器、凸透镜、毛玻璃、白屏,以及相关的支撑调整架
五.实验内容
图3测量基点实物图
（1）安置好元件,调整光路。
（2）可以利用自准直法,让物体AB处于透镜的前焦面上。
（3）测量计算出f',并确定F/和N/（H'）的位置。
（4）把L.S.的入射方向和出射方向互相颠倒,测定F和N（H）的位置。
实验三自组望远镜及其特性参数测量
（设计性实验）
实验目的
1、掌握针孔滤波器的调节;
2、掌握平行光和共轴的调节;
3、根据自组望远镜的过程,研究实验现象。
4、学习使用望远镜测量距离的方法;
5、学习测定望远镜放大倍数的方法;
6、理解分辨本领的含义,测量望远镜的分辨本领。
实验设备与条件
实验工作平台、氦氖激光器,针空滤波器,准直镜,望远物镜（焦距大约为80mm、150mm、200mm）、目镜（焦距大约为80mm、150mm、200mm）、物、接收屏、平面反射镜、毛玻璃、白屏、多个磁力表座等。
实验要求
1、结合本课程所学知识,熟悉望远镜的工作原理;
2、根据望远镜工作原理,确定实验方案及确定所选器件;
3、确定实验步骤;
4、完成预习报告;
5、根据所组望远镜观察实验现象;
6、根据自组望远镜测其相关参数;
6、分析实验现象,完成实验报告;
7、在分析讨论中着重介绍自己的新发现。
实验内容
如图,物体AB放在望远镜前方与F0相距为d的地方（F0为望远镜物镜L0
的前焦点）,AB经物镜L0成中间像A/B/。
由图可知,AB/A/B/=d/0f所以
fdABAB=
⨯''
调平行光,照在物体AB上,后面放毛玻璃使其成为漫反射光源。
从卷尺上读出对应的AB和A/B/长度,测量三次求平均值,代入公式求所测距离d。
用卷尺直接量出距离d,检验上述测量准确性。
（2）把物体BC放在望远镜前方不太远处,用平行光照亮它,在望远镜后面可
以找到BC的实像B/C/
可知望远镜的放大倍数0EfBC
MfBC=
=
''
分别测出BC和B/C/尺寸,便可求得放大倍数。
用卷尺测对应的BC和B/C/的长度,测量三次求平均值,代入公式求M。
（3）望远镜的分辨本领用它的最小分辨角δθ来表示。
由光的衍射理论知:
（）1.22D
λ
δθ理论=
式中,λ为照明光波的波长,D为望远镜物镜的孔径,角度δθ的单位是弧度。
即两个物体如果对望远镜的张角小于δθ（理论）值。
则望远镜将无法分辨它们是两个物体（两个物体重叠成一个像）
由波长和物镜孔径,理论计算望远镜的的最小分辨角δθ
思考
1、请问伽利略望远镜与亥普勒望远镜在结构形式上有什么区别?
2、在系统组合过程中应注意些什么?
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