应用光学实验.docx

1、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(Light Amplification by stimulated

2、emission of 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。.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

3、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 )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

4、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 10002000kg 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。光学元件分束镜 :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

5、种:多层介质膜和金属膜。分光比可以连续变化或分段变化。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。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 )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

6、。 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。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

7、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

8、、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:调整扩束镜,准直镜共轴,粗调, 把准直镜放到一定位置使扩

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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 =+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 =+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

14、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。54 图5图 2测量基点示意图设 L 为已知透镜焦距等于 f o 的凸透镜, L.S. 为代测透镜组,其主点(节点)为 H 、 H / ( N 、 N /) ),

15、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 0A B f f AB= 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

16、 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

17、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

18、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 F 0相距为 d 的地方(F 0为望远镜物镜 L 0的前焦点), AB 经物镜 L 0成中间像 A / B/。由图可知, AB/ A/ B/=d /0f 所以f d AB A B =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 0E f BCM f B C =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 来表示。由光的衍射理论知:() 1.22D理论 =式中, 为照明光波的波长, D 为望远镜物镜的孔径, 角度 的单位是弧度。 即两个物体如果对望远镜的张角小于 (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 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?