基础光学使用说明书(新)

基础光学综合设计实验系统说明书北京方式科技有限责任公司基础光学综合设计实验系统是以专用光学实验平台为实验操作面，配置大量光学、机械附件和器件，通过灵活搭配和组合，开设大专院校的普通物理实验课中的光学部分的实验。

我公司推荐的如下几种实验科目涵盖了几何光学、波动光学和信息光学比较重要的基础课题，即有测量要求，也有局限于观察现象。

各实验所需学时长短不一，教师可按教学要求搭配实验内容，组织实验课教学。

实验目录Ⅰ、几何光学1）、用自准直法测凸透镜焦距2)、贝塞尔法（两次成像法）测凸透镜焦距3)、透镜成像公式求凸透镜的焦距4)、自准直法测凹透镜焦距5）、球差6)、慧差7)、色差8)、景深9）、投影仪11)、伽利略望远镜12）、显微镜Ⅱ、波动光学1)、光的衍射实验2）、双棱镜干涉3）、组合干涉仪实验1.迈克尔逊干涉仪2.马赫-曾德尔干涉仪3.萨格奈克干涉仪4）、光的偏振特性以及马吕斯定律1．光的偏振特性以及马吕斯定律2．1/4λ波片的光学特性3．半导体激光器的偏振特性4．物质的旋光特性Ⅲ、信息光学1）、全息照相2）、傅立叶光学和空间滤波试验3）、θ调制实验实验内容Ⅰ、几何光学几何光学中最常用到的光学器件是凸透镜和凹透镜，它们对光线分别有汇聚与发散的作用。

通过不同透镜的组合，将物体发出或反射的光线光路改变，最终得到物的各种像。

透镜最重要的参数是其焦距，不同的焦距反应了透镜聚光或散光的能力。

当一束平行光平行于光轴通过凸透镜时，光线将汇聚到其焦点上；而通过凹透镜时，光线将发散，发散光线的反向延长线将汇聚到其焦点。

通过凸透镜和凹透镜的这两个基本性质，我们可以得到下面两个推论：从凸透镜前焦面上一点发出的光，通过凸透镜后变成平行光，由于光路可逆，任意方向的平行光通过凸透镜后将汇聚到其后焦面上；汇聚到凹透镜后焦面上的光通过凹透镜后，将变成平行光。

1）自准直法测凸透镜焦距：设备：导轨、白炽灯、品字屏（含毛玻璃）、反射镜、被测凸透镜。

步骤：按白光源、品字屏、被测凸透镜、反射镜依次排列。

如下图2）自准直法测凹透镜焦距：（可让学生自己设计实验方案）设备：导轨、白光源、品字屏（含毛玻璃）、反射镜、f=100mm的凸透镜、被测凹透镜、白屏。

步骤：1、将白光源、“品”字屏、凸透镜、白屏依次排列。

2、仔细调整品字屏、f=100mm的凸透镜和白屏之间的距离，使白屏上呈现一个清晰的、略微缩小的倒立的像。

记下像（白屏）在导轨上的位置。

要想呈现一个缩小的、倒立的实像，“品”字屏距透镜的距离应是多少？有什么规律？3、取下白屏，在凸透镜后放上被测凹透镜和反射镜。

见下图。

使被测凹透镜与反射镜尽量靠近。

3） 贝塞尔法测凸透镜焦距： 设备：导轨、白光源、“品”字屏（含毛玻璃）、白屏、被测凸透镜。

步骤：将被测透镜置于“品”字屏与白屏之间（白屏距“品”字屏的距离应大于4倍焦距），前后滑动透镜、可在显示屏得到两次清晰的实像、利用贝塞尔公式求出焦距。

贝塞尔公式推导：设“品”子屏位置为0，白屏位置为L ，成像时凸透镜位置为x ，则有：()f x L fx L x +-=- 整理得：02=+-fL Lx x此方程有解的条件为：042≥-fL L ，即f L 4≥两次成像时凸透镜的位置分别为：24,242221fLL L x fL L L x -+=--=有：fL L x x 4212-=-所以()Lx x L f 42122--=4） 透镜成像公式求凸透镜的焦距：凸透镜成像中物距、像距与焦距之间的关系有（学生自己推导）1/u +1/v = 1/f放大率为m =v/u 设备：白光源、“品”字屏、凸透镜、白屏。

步骤：将一凸透镜置于品字屏与白屏之间，反复移动透镜和白屏，直到得到一清晰实象，利用透镜成像公式求出焦距f 和放大率m 。

5）透镜成像公式求凹透镜的焦距：（可让学生自己设计实验方案，类似（4）） 设备：白光源、“品”字屏、凸透镜、白屏、被测凹透镜。

步骤：先用凸透镜成一实像（记为像1），记下像1的位置，再在凸透镜与白屏之间加入待测凹透镜，调整凹透镜与白屏位置，再次在白屏上成像（记为像2），记录下此是凹透镜和像2的位置。

设凹透镜与像2之间的距离为u ，凹透镜与像1之间的距离为v ，从光路图中我们可以得到：uvu f f =+ 整理后即得：uv f 111-=6）球差：设备：白光源、“品”字屏、球差屏（2个）、凸透镜、白屏。

将白光源、圆孔球差屏、“品”字屏、凸透镜、白屏依次排列，如下图。

7）慧差：设备：白光源、“品”字屏、凸透镜、白屏。

如下图摆放。

8）色差：设备：白炽灯、2个滤色片、“品”字屏、凸透镜、白屏。

如下图摆放。

9）景深：设备：白光源、“品”字屏、可变光栏、凸透镜、白屏。

10） 投影仪：设备：白光源、2个凸透镜、“品”字屏、白屏。

11） 开普勒望远镜：设备：f=100mm 和f=60mm 的2个凸透镜，标尺屏。

步骤：凸透镜之间的距离约为两个焦距之和，仔细调整间距，直到得到远处景物的清晰倒立的像。

放大倍数M=f1/f2。

将标尺屏放在导轨的另一端，重新调整两透镜间的距离，直到可清晰地看到标尺屏上的刻度为止。

用两只眼睛分别从透镜里和透镜外同时观察标尺屏，根据两个像的大小比例，估测望远镜的放大倍数。

画出物体在有限远时的望远镜的光路图，推导出放大倍数的公式。

放大倍数是图中所示视张角的正切值之比，从图中可以容易看到2211t a n ,t a n f hf h ==θθ，放大倍数2112tan tan f f M ==θθ处景物的清晰正立的像。

放大倍数21f f M =。

将标尺屏放在导轨的另一端，重新调整两透镜间的距离，直到可清晰地看到标尺屏上的刻度为止。

用两只眼睛分别从透镜里和透镜外同时观察标尺屏，根据两个像的大小比例，估测望远镜的放大倍数。

设备：f=100mm 和f=60mm 的2个凸透镜、标尺屏。

步骤：将凸透镜、凸透镜、显微镜物依次排列。

标尺屏位于物镜一倍焦距外一点，两透镜相距300mm 以上。

移动目镜，直到得到显微镜物的清晰倒像。

1tan s y=θ，0s 为明视距离；E f y 12tan ≈θ。

所以 E E f sy y s y f y M 010112t a n t a n ⋅===θθ 从图中可以看到O O f f y y +∆≈1，因为筒长O f >>∆，所以有Of y y ∆≈1 最终放大倍数为 EO f f s M ⋅∆=Ⅱ、波动光学1)光的衍射实验实验装置衍射和干涉一样，也是波动的重要特征之一。

波在传播过程中遇到障碍物时，能够绕过障碍物的边缘前进。

这种偏离直线传播的现象称为波的衍射现象。

波的衍射现象可以用惠更斯原理作定性说明，但不能解释光的衍射图样中光强的分布。

菲涅耳发展了惠更斯原理，为衍射理论奠定了基础。

菲涅耳假定：波在传播过程中，从同一波阵面上各点发出的子波，经传播而在空间相遇时，产生相干叠加。

这个发展了的惠更斯原理称为惠更斯－菲涅耳原理【实验目的】1．研究单缝夫琅禾费衍射的光强分布;2．观察双缝衍射和单缝衍射之间的异同，并测定其光强分布，加深对衍射理论的了解; 3．学习使用光电元件进行光强相对测量的方法。

【实验仪器】缝元件、光学实验导轨、半导体激光器、激光功率指示计、白屏、大一维位移架、十二档光探头。

【实验原理】（一）产生夫琅禾费衍射的各种光路夫琅禾费衍射的定义是：当光源S和接收屏∑都距离衍射屏D无限远（或相当于无限远）时，在接收屏处由光源及衍射屏产生的衍射为夫琅禾费衍射。

但是把S和∑放在无限远，实验上是办不到的。

在实验中常常借助于正透镜来实现，实际接收夫琅和费衍射的装置有下列四种。

1．焦面接收装置（以单缝衍射为例来说明，下同）把点光源S放在凸透镜L1的前焦点上，在凸透镜L2的后焦面上接收衍射场（图1）2．远场接收装置在满足远场条件下，狭缝前后也可以不用透镜，而获得夫琅禾费衍射图样。

远场条件是：①光源离狭缝很远，即λ42a R >>，其中R 为光源到狭缝的距离，a 为狭缝的宽度；②接收屏离狭缝足够远，即λ42a Z >>，Z 为狭缝与接收屏的距离。

（至于观察点P ，在λ42a Z >>的条件下，只要要求P 满足傍轴条件。

）图2为远场接收的光路，其中假定一束平行光垂直投射在衍射屏上。

如图1所示，从光源S 出发经透镜L 1形成的平行光束垂直照射到缝宽为a 的狭缝D 上，根据惠更斯－菲涅耳原理，狭缝上各点都可看成是发射子波的新波源，子波在L 2的后焦面上叠加形成一组明暗相间的条纹，中央条纹最亮亦最宽。

（二）夫琅禾费衍射图样的规律 1．单缝的夫琅禾费衍射实验中以半导体激光器作光源。

由于激光束具有良好的方向性，平行度很高，因而可省去准直透镜L 1。

并且，若使观察屏远离狭缝，缝的宽度远远小于缝到屏的距离（即满足远场条件），则透镜L 2也可省略。

简化后的光路如图3所示。

实验证明，当Z 约等于100cm ，a 约等于8⨯10-3cm 时，便可以得到比较满意的衍射花样。

图3中，设屏幕上P 0（P 0位于光轴上）处是中央亮条纹的中心，其光强为I 0，屏幕上与光轴成θ角（θ在光轴上方为正，下方为负）的P θ处的光强为I θ,则理论计算得出：220sin ββθI I = （1）其中 λθπβs i n a =式中θ为衍射角，λ为单色光的波长，a 为狭缝宽度，由式（1）可以得到：（1） 当0=β即（0=θ）时，0I I =θ，光强最大，称为中央主极大。

在其他条件不变的情况下，此光强最大值I 0与狭缝宽度a 的平方成正比。

（2） 当πβk =时（k =±1, ±2, ±3）,0,sin ==θλθI k a ,出现暗条纹。

在θ很小时，可以用θ代替sin θ。

因此，暗纹出现在ak λθ=的方向上。

显然，主极大两侧两暗纹之间的角距离aλθ20=∆，为其他相邻暗纹之间角距离aλθ=∆的两倍。

（3） 除了中央主极强以外，两相邻暗纹之间都有一次极强出现在0)sin (22=βββd d 位置上，要求β值为：±1.43π，±2.46π，±3.47π，…对应的sin θ值aλ43.1±，aλ46.2±，aλ47.3±…,各次极强的强度依次为0.047 I 0，0.017 I 0，0.008 I 0，…以上是单缝夫琅禾费衍射的理论结果，其光强分布曲线如图4所示。

2．双缝衍射将图1中的单缝D 换成双缝，每条缝的宽度仍为a ，中间隔着宽度为b 的不透明部分，则两缝的间距为d=a+b,如图5所示。

理论计算得出，屏幕上P θ处的光强分布为：νββθ2220cos sin 4I I = （2）其中λθπνλθπβsin ,sin d a ==级级级级级级衍射光强分布式（2）表明，双缝衍射图样的光强分布由两个因子决定：其一是22sin ββ，即单缝夫琅禾费衍射图样的光强分布；其二是4I 0cos 2v ,它表示光强同为I 0而相位差2v 的两束光所产生的干涉图样的光强分布。