综合物理实验辅助材料实验一、光学成像与光信息处理
几何光学综合实验报告
课程名称：大学物理实验（一）实验名称：几何光学综合实验
图1 位移法测量凸透镜焦距的光路图
由1
f =1
u
+1
v
可知：
1
u1
+1
v1
=1
u1
+1
D−u1
=1
f
(2)
1
u2
+1
v2
=1
u1+d
+1
D−u1−d
=1
f
(3)
联立（2）（3）得1
u1+1
D−u1
=1
u1+d
+1
D−u1−d
(4)
又因为u1=1
2
(D−d)
代入式（4）得f=D 2−d2
4D
(5)
4.用物距像距法测量凹透镜的焦距：
实物经凹透镜不能在屏上生成实像，可借助凸透镜给凹透镜生成一个虚物，最后再由凹透镜生成一个实像。
图2 物距像距法测量凹透镜的焦距的光路图
如图,在没有凹透镜时,物体AB经凸透镜L1后生成缩小倒立的实像A′B′。当L1和A′B′间插入凹透镜L2后,则A′B′便成为凹透镜L2的虚物；对L2而言，物距u=−O2A′。该虚物经凹透镜再成实像A′′B′′，像距v=
O2A′′。则有f=uv
u+v
(6)
图1 GSZF-8型几何光学综合实验仪器结构图
四、实验内容与步骤
1.光学系统的共轴调节:
调节光学系统共轴,是减小误差.确保实验成功的重要步骤。所谓“共轴”，是指各光学元件（如光源.物.透镜)的主光轴重合。分两步进行：将放置在光具座上的各光学元件靠拢在一起,用眼观察,调节它们的中心在同一高度,且连线(光轴)平行于导轨。
2.位移法测凸透镜焦距：
a)物AB与像屏的间距D>4f (f=100) 时；
b)透镜在间移动时可在像屏上成两次像,一次成放大的像u1,一次成缩小的像u2，d=u2−u1,f=D2−d2
4D c)改变像屏位置，重复测量6次，求平均值和平均误差。
物理光学实验1
物理光学实验讲义
武汉纺织大学
实验一 杨氏双缝干涉实验
一、 引言
杨氏干涉实验是用分波前法产生干涉的最著名实验。通过对杨氏干涉实验光路的搭建、调节和使用，可以提高学生调节光路的能力，并且初步了解分波前干涉的原理和特点。
二、 涉及内容
波动光学、光学测量、光学衍射
三、 实验原理
接收屏M
X 正方向 P
r 1
S 1 r 2
Z 正方向
S 2 D
图1 杨氏双缝干涉原理图
考察屏M 上某点P 出的强度分布。由于S 1，S 2对称设置，且大小相等，可以认为由S 1，S 2发出的两光波在P 点光强度相等，即I 1=I 2=I 0，则P 点的干涉条纹强度分布为：
2cos 4cos 22
02121δδI I I I I I =++=
用∆=-=k r r k )(12δ带入，得： ])([cos 41220λ
πr r I I -= 表明P 点得光强I 取决于两光波在该点的光程差)(12r r -=∆相位差δ。设P 点坐标（x ，y ，D ），则 22211)2(D y d x P S r ++-==，22222)2
(D y d x P S r +++==, 式中，d 是两相干点光源S 1，S 2间的距离，D 是两相干光源到观察屏（干涉场）M 的距离。由上面两式可得xd r r 21122=-，于是 1
2122r r xd r r +=-=∆，
实际情况中，d<<D ，若同时x ，y<<D ，则D r r 221≈+，故
D
xd r r ≈
-=∆12 于是有 ][cos 420D xd I I λπ=， 上式表明，x 相同的点具有相同的强度，形成同一条干涉条纹。当
物理光学实验讲义
物理光学实验讲义
实验⼀薄透镜成像及其焦距的测量
⼀、实验⽬的
1、通过实验进⼀步理解透镜的成像规律。
2、掌握测量透镜焦距的⼏种⽅法。
3、掌握和理解光学系统共轴调节的⽅法。
⼆、实验原理
1、薄透镜成像原理及其成像公式
将玻璃等⼀些透明的物质磨成薄⽚，其表⾯都是球⾯或有⼀⾯为平⾯的就成了透镜，有中央厚、边缘薄的凸透镜和边缘厚、中央薄的凹透镜两⼤类。称连接透镜两球⾯曲率中⼼的直线叫做透镜的主光轴，透镜两表⾯在其主轴上的间距叫透镜厚度。厚度与球⾯的曲率半径相⽐可以忽略不计的透镜称为薄透镜。薄透镜两球⾯的曲率中⼼⼏乎重合为⼀点，这个点叫做透镜的光⼼。
实验中透镜两边媒质皆为空⽓。凸透镜亦称为会聚透镜，凹透镜亦称为发散透镜。
如图1所⽰，平⾏于凸透镜主光轴的⼀束光⼊射凸透镜，折射后会聚于主光轴上，会聚的光线与主光轴的交点即为凸透镜的焦点，焦点到光⼼的距离为焦距
。
如图2所⽰，平⾏于凹透镜主光轴的⼀束光⼊射凹透镜折射后成为发散光，发散光线的反向延长线与主光轴的交点即为凹透镜的焦点，与凹透镜光⼼的距离为焦距。
在近轴光线条件下，薄透镜的成像公式为：
式中为物距，为像距为焦距，对于凸透镜、凹透镜⽽⾔，恒为正值，像为实像时为正，像为虚像时为负，对于凸透镜恒为正，凹透镜恒为负。
2、测量凸透镜焦距的原理
（1）⾃准法
位于凸透镜焦平⾯上的物体上（实验中⽤⼀个圆内三个圆⼼⾓为的扇形）各点发出的光线，经透镜折射后成为平⾏光束（包括不同⽅向的平⾏光），由平⾯镜反射回去仍为平⾏光束，经透镜会聚必成⼀个倒⽴等⼤的实像于原焦平⾯上，这时像的中⼼与透镜光⼼的距离就是焦距（如图3）。
大学物理实验--光学部分
光学部分
注意事项 (2)
光学仪器、光学元件的保养和维护 (3)
透镜参数的测量实验 (3)
分光计 (4)
小型棱镜摄谱仪 (5)
电弧火花发生器 (6)
读数显微镜 (7)
显示器 (8)
激光系列实验 (8)
液晶光阀特性研究实验 (11)
迈克尔逊干涉仪 (12)
台式投影仪 (14)
8W型光谱投影仪 (15)
AC-15/3-6 直流复射式检流计（光点检流计） (15)
WDP 500—C型平面光栅单色仪 (18)
椭偏仪 (19)
偏振光实验 (20)
全息术实验 (21)
激光散斑的测量实验 (23)
傅立叶光学的空间频谱与空间滤波实验 (24)
光学是物理学中最古老的一门学科，也是当前科学领域中最活跃的前沿阵地，具有强大的生命力和不可估量的发展前途。光学的方法和光学仪器在科研、生产、国防事业等方面应用及其广泛，是近代科学技术中不可缺少的一部分。
光学实验是物理实验中的一个重要部分，用到许多光学仪器、光源及光学元件，光学仪器装配精密、结构精致、价格昂贵。光学实验主要以调整光路、调节仪器的各部件，测取数据，并进行计算获得实验结果，如分光计、迈克尔逊干涉仪、椭偏仪、偏振光、牛顿环等实验。此外，如棱镜摄谱、光谱分析、全息术、激光散斑等实验，除了调整光路、调节各部件外，还要拍摄、冲洗胶片，进行分析、测量、计算才能获得结果。光学实验比一般的实验难度大，需要足够的耐心和细心，它能够锻炼学生的动手能力，提高人
的思维能力。
为了让学生更好的进行实验，掌握光学实验的基本内容，达到良好的教学效果。因此，实验中要考虑下列因素：常用的仪器注意事项；仪器的维护和维修；实验中仪器常出现故障的排除；实验的结果与仪器的正确使用及光路的调整有着密切的关系。为此，实验教员、学生在实验前应仔细阅读这些材料，在实验过程中随时查阅。
空间滤波和光信息处理实验
实验十一 空间滤波和光信息处理
空间滤波指在光学系统的傅里叶频谱面上放置适当的滤波器，以改变光波的频谱构造，使得像到达预期要求。在此根底上，开展了光学信息处理技术，利用光学手段，对输入信息〔包括图像、光波频率和振幅〕施行运算或变换，以便对相关信息进展提取、编码、存储、增强、识别和恢复。早在1873年，德国人阿贝〔E. Abbe,1840~1905〕在蔡司光学公司任职期间研究如何进步显微镜的分辨本领时，首次提出了二次衍射成像的理论。阿贝和波特〔A.B. Porter 〕分别于1893年和1906年以一系列实验证实了这一理论,说明了成像质量与系统传递的空间频谱之间的关系。1935年，泽尼可〔Zernike 〕提出了相衬显微镜的原理，将物光的位相分布转化为光强分布，并用光学方法实现图像处理。这些早期的理论和实验其本质上都是一种空间滤波技术，是傅里叶光学的萌芽，为近代光学信息处理提供了深化的启示。但由于它属于相干光学的范畴，在激光出现以前很难将它在实际中推广使用。随着激光器、光电技术和全息技术的开展，它才重新振兴起来，其相应的根底理论——“傅里叶光学〞形成了一个新的光学分支。目前，光学信息处理在信息存储、遥感、医疗、产品质量检测等方面得到了广泛应用。
一、实验目的
1．理解傅里叶光学根本理论的物理意义，加深对光学空间频率、空间频谱和空间频率滤波等概念的理解。
2．掌握方向、低通、高通滤波技术，观察滤波效果，加深对光信息处理本质的认识。
3．理解θ调制法假彩色编码原理，掌握光栅衍射根本理论。
二、实验仪器
傅里叶光学实验(中国科学技术大学大物实验)
傅里叶光学实验
实验目的：加深对傅里叶光学中的一些基本概念和基本理论的理解，如空间频率
空间频谱和空间滤波和卷积等．
通过实验验证阿贝成像理论，理解透镜成像的物理过程，进而掌握光
学信息处理实质．通过阿贝成像原理，进一步了解透镜孔径对分辨率的影响
实验原理：
我们知道一个复变函数f(x,y)的傅立叶变换为
⎰⎰+-=ℑ=dxdy vy ux 2i y x f y x f v u F )](exp[),()},({),(π ( 1 )
F (u,v)叫作f(x,y)的变换函数或频谱函数。它一般也为复变函数，f(x,y)叫做原函数，也可以通过求 F(u,v)逆傅立叶变换得到原函数f(x,y)， ⎰⎰+=ℑ=-dudv vy ux 2i v u F v u F y x f 1)](exp[),()},({),(π （2） 在光学系统中处理的是平面图形，当光波照明图形时从图形反射或透射出来的光波可用空间两维复变函数（简称空间函数）来表示。在这些情况下一般都可以进行傅里叶变换或广义的傅里叶变换。逆傅里叶变换公式（2）说明一个空间函
数f(x,y)可以表示成无穷多个基元函数exp[i 2π(ux +vy )]的线性叠加，
dudv v u F ),(是相应于空间频率u ,v 的权重，F (u ,v )称为f (x ,y )的空间频谱。
.最典型的空间滤波系统—两个透镜（光学信息处理系统或傅立叶光学变换系统）叫作4f 系统，如图1所示，
激光经过扩束准直形成平行光照明物平面(其坐标为x 1,y 1)，透过物平面的光的复振幅为物函数f(x 1,y 1),这一光波透镜1到达后焦平面（频谱面）就得到物函数的频谱，其坐标为(u ,v )，再经透镜2 在透镜2的象平面上可以得到与物相物平面 透镜1 频谱面 透镜2 像平面
大学物理光学实验报告
实验十：光栅衍射
一、实验目的
1．观察光线通过光栅后的衍射光谱。 2．学会用光栅衍射测定光波波长的方法。 3．学会用光栅衍射原理测定光栅常数。 4．进一步熟悉分光计的调整和使用方法。
二、实验仪器
分光计 光栅 钠光灯 平面反射镜
三、实验原理
光栅是有大量的等间隔、等宽度的狭缝平行放置组成的一种光学元件。设狭缝宽度（透光部分）为a ，不透光部分为b ，则a b +为光栅常数。
设单色光垂直照射到光栅上，光透过各个狭缝后，向各个方向发生衍射，衍射光经过透镜后会聚后相互干涉，在焦平面上形成一系列的被相当宽的暗区分开的明亮条纹。
衍射光线与光栅平面的夹角称为衍射角。设衍射角为θ的一束衍射光经透镜会聚到观察屏的点。在P 点出现明条纹还是暗条纹决定于这束衍射光的光程差。
由于光栅是等宽、等间距，任意两个相邻缝的衍射光的光程差是相等的，两个相邻狭缝的衍射光的光程差为()sin a b θ+，如果光程差为波长的整数倍，在P 点就出现明条纹，即
()sin a b k θλ+=±
(0,1,2,)k =L 这就是光栅方程。
从上式可知，只要测出某一级的衍射角，就可计算出波长。
四、实验步骤
1、调整分光计。
使望远镜、平行光管和载物台都处于水平状态，
平行光管发出平行光。 2、安置光栅
将光栅放在载物台上，让钠光垂直照射到光栅
上。
可以看到一条明亮而且很细的零级光谱，左右转动望远镜观察第一、二级衍射条纹。
S 2
S 1
S 3
（）3
（）2
（）
1（）
1（）2
（）3
G
2
φ12 φ22φ3
3．测定光栅衍射的第一、二级衍射条纹的衍射角θ，并记录。
光学综合实验报告
光学综合实验报告
班级：
姓名：
学号：
日期：
序号实验项目课时实验仪器（台套数）房间指导教师
1 焦距测量
（分别在焦距仪和光学平台上测
量）4 焦距仪（3-4）、
光学平台及配件（1-2）
西北付辉、樊宏
2 典型成像系统的组建和分析
（在光学平台上搭建显微镜、望远
镜、投影仪）
4 光学平台及配件（1-2）东南付辉、樊宏
3 典型成像系统的使用
（使用商用典型成像系统）4 显微镜（3）、望远镜（3）、
水准仪（2）
东南付辉、樊宏
4 分光计的使用
（含调整、测量角度和声速）4 分光计（3-4）、超声光栅
（2）
东南付辉、樊宏
5 棱镜耦合法测波导参数 4 棱镜波导实验仪（2）西南郎贤礼、李建全
6 半导体激光器的光学特性测试 4 半导体激光器实验仪（2）西南郎贤礼、李建全
7 电光调制 4 电光调制仪（2）西南郎贤礼、李建全
8 法拉第效应测试 4 法拉第效应测试仪（2）东北郎贤礼、李建全
9 声光调制 4 声光调制仪（2）西南郎贤礼、李建全
10 干涉、衍射和频谱分析 4 光学平台（1-2）东北丁苏红、刘志健
11 迈克尔逊干涉仪 4 迈克尔逊干涉仪（4）东北丁苏红、刘志健
12 氦氖激光器综合实验 4 氦氖激光器综合实验仪
（3-4）西南
西北
丁苏红、刘志健
13 光学仿真实验 4 计算机（2）东南丁苏红、刘志健
实验时间安排：
12月23或24日晚开始（具体时间届时通知）。每晚（7：00-10：30）；前四日轮流进行，每次一个半班。第5天后不分班。大约开放12-14个晚上。每位同学的实验项目不少于八个。
实验报告内容：
内容：1、实验现象和数据的记录；2、现象分析、数据计算和实验总结。（手写或计算机编辑不限）。
大学物理光学实验
实验一 薄透镜焦距的测定
实验目的
１．学会调节光学系统使之共轴。
２．掌握测量薄会聚透镜和发散透镜焦距的方法。
３．验证透镜成像公式，并从感性上了解透镜成像公式的近似性。 实验仪器
1－CXJ 型光具座，底座及支架，薄凸透镜，薄凹透镜，平面镜，物屏（可调狭逢组、有透光箭头的铁皮屏或一字针组），像屏（白色，有散射光的作用）。 重点难点：
1、按实验操作规程规范操作。
2、动手操作能力培养。 德育渗透：
1、培养学生爱护仪器，保护国家财产的意识。
2、培养学生互相帮助，团结协作的精神 教学方法
1、讲授法。
2、演示法。
3、学生分组实验法 布置作业：
1、数据处理。
2、误差分析
3、独立完成实验报告。
4、预习下一个实验 实验原理 １．共轭法测量凸透镜焦距 利用凸透镜物、像共轭对
称成像的性质测量凸透镜焦
距的方法，叫共轭法。 所谓“物象共轭对称”是指物与像
的位置可以互移，如图5－1—1（a ）所示。其中（a ）图中处于物点0s 的物体Q 经凸透镜L 在像点p 处成像P ，这时物距为u ，像距为v 。若把物点0s 移到图5－1—1（a ）中p 的点，那么该物体经同一凸透镜L 成像于原来的物点，即像点p 将移到图5－1—1（a ）中的0s 点。于是，图5－1
—１（b ）中的物距'u 和像距'v 分
别是图5－1—1（a ）中的像距v
）（——图a
1
15)
(1b －１—图５
和物距u ，即物距v u ='，像距u v ='。这就是“物像共轭对称”。设D v u v u =+=+''（物屏Q 和像屏P 之间的距离为D ）。
根据上面的共扼法，如果物与像的位置不调换，那么，物放在0S 处，凸透镜L 放在1X 处，所成一倒立放大实像在p 处；将物不动，凸透镜放在2X 处，所成倒立缩小的实像也在p 处，如图5－1－2所示。由图可知，d u u =-'或d u v =-。于
光学实验报告完整版1
三维面型测量细棒的直径
一、实验目的
（1）了解三维面型测量的基本原理和方法，熟悉傅立叶变换剖面术的方法，
（2）通过对物体的三维面形的重建，掌握三维目标的识别、位置形状分析及origin75的使
用方法。
（3）能够根据携带有三维面形信息的观察光场中解调得出三维面形数据。
（4）掌握利用三维传感非接触测量的基本方法。
二、三维面型的测量原理
光学三维传感在机器视觉、自动加工、工业在线检测、实物仿形、生物医学等领域，具
有重要意义和广阔应用前景。获取物体三维信息的基本方法可以分为两大类：被动三维传感
和主动三维传感。被动三维传感采用非结构照明方式，从一个或多个观察系统获取的二维图
像中确定第三维（距离维）信息，形成三维面型数据。从一个观察系统获取的二维图像中确
定距离维时，人们必须依赖对于物体形态、光照条件等的先验知识。从两个或多个观察系统
获取的不同视觉方向的二维图像中，通过相关或匹配等运算可以重建物体的三维面形，但这
种方法要求大量的数据运算，而且，当被测物体上各点的反射率没有明显差异时这种计算变
得更加困难。因此，被动三维传感的方法常常用于对三维目标的识别、理解以及位置形状分
析。
一种更适合于计算目的的三维传感方法是主动三维传感。主动三维传感采用结构照明方
式，由于三维面形对结构光场的空间或时间调制，可以从携带有三维面形信息的观察光场中
解调得出三维面形数据。由于这种方法具有较高的测量精度，作为一种三维面貌计量手段已
经得到广泛的应用。
三维面形自动测量仪是基于上述研究的计算机辅助三维测量设备，设计新颖，技术先进，
光学实验报告范文
光学实验报告范文
本学期应用光学共开设八个实验，现对实验之一的阿贝尔成像及空间滤波实验编写实验报告。
（一）实验目的：
1．了解透镜孔径对成像的影响和两种简单的空间滤波。
2．掌握在相干光条件下调节多透镜系统的共轴。
3．验证和演示阿贝成像原理，加深对傅里叶光学中空间频谱和空间滤波概念的理解。
（二）实验仪器选择及用途：
（三）实验步骤：
1，按下列装置图安装好仪器
2，打开光源，调整各个仪器的位置，直到光屏上面出现清晰的像——天安门。
3，继续调整θ调制滤波器，使得光屏上的天安门呈红色，天空呈蓝色，草地上呈绿色。
4，拍下此时所成的像，并记录此时各仪器的位置。
5，关掉光源及电源，整理仪器。
6，进行数据处理及实验总结。
（四）数据记录与处理
1，实验所得的像如下：
（五）实验总结：
1.在这次实验中，刚开始由于对实验仪器不够熟悉，导致实验结果不理想，实验进程缓慢。
2．通过实验，我了解光学平台、白炽灯光源
S、准直镜L1、θ调制板（三维光栅）、傅里叶透镜、θ调制滤波器S2—40等的使用及其原理，也了解了透镜孔径对成像的影响和两种简单的空间滤波，掌握在相干光条件下调节多透镜系统的共轴，并验证和演示阿贝成像原理，加深对傅里叶光学中空间频谱和空间滤波概念的理解，初步了解简单的空间滤波在光信息处理中的实际应用，真是受益匪浅。
材料物理综合实验实验指导书
材料物理综合实验实验指导书
福建师范大学
物理与能源学院
2016-9-29
实验6 TiO2薄膜的制备和微细加工
、实验目的
本实验为综合设计性实验，目的是培养学生的综合运用专业知识能力、发现问题、分析问题以及实践解决问题能力，通过本实验教学要求达到如下具体目的：
1. 用溶胶-凝胶法法制备TiO2光学薄膜；
2. 学习紫外掩膜辐照光刻法制备TiO2微细图形；
3. 微细图形结构及形貌分析表征。
、实验内容
本综合设计实验是在教师指导下，学生自主设计实验方案，独立完成TiO2溶胶及其凝胶薄膜的制备、
微细图形的加工及结构和形貌表征等实验过程，旳后对实验数据进行分析和处理，写出实验报告。本实验具体分为如下几个阶段：
1 了解溶胶-凝胶制备薄膜的原理；
2 了解常见的微细加工方法；
3 充分调研文献资料，确定实验方案；
1. 实验制备和数据分析。
(1) 制备出感光性的TiO2凝胶薄膜，掌握制备工艺；
(2) 对TiO2凝胶薄膜进行紫外掩膜辐照；
(3) 制备出TiO2微细图形并进行热处理；
(4) 测试TiO2微细图形的结构和形貌特征，处理并分析数据。
三、实验仪器设备和材料清单
1. 紫外点光源、马弗炉、提拉机、光学显微镜、磁力搅拌器，紫外-可见光分光光度计，台阶仪等。
2. 提供制备TiO2材料的前驱物，溶剂等。
四、实验过程
1. 在教师指导下学生查阅有关文献，了解溶胶-凝胶制备薄膜的原理和光刻成型技术原理;
2. 设计TiO2薄膜的制备工艺，交指导教师审查；
3. 在教师指导下，遵循实验设计工艺进行溶胶和薄膜制备;
4. 在教师指导下，进行微细图形加工；
光学实验报告
光学实验报告
篇一：微波光学实验实验报告
近代物理实验报告
指导教师：
得分：
实验时间： XX 年 11 月 23 日，第十三周，周一，第 5-8 节
实验者：班级材料0705学号 XX67025 姓名童凌炜
同组者：班级材料0705学号 XX67007 姓名车宏龙
实验地点：综合楼 503
实验条件：室内温度℃，相对湿度 %，室内气压
实验题目：微波光学实验
实验仪器：（注明规格和型号）
微波分光仪，反射用金属板，玻璃板，单缝衍射板
实验目的：
1. 了解微波分光仪的结构,学会调整并进行试验.
2. 验证反射规律
3. 利用迈克尔孙干涉仪方法测量微波的波长
4. 测量并验证单缝衍射的规律
5. 利用模拟晶体考察微波的布拉格衍射并测量晶格数
实验原理简述： 1. 反射实验
电磁波在传播过程中如果遇到反射板,必定要发生反射.
本实验室以一块金属板作为反射板,来研究当电磁波以某一入射角投射到此金属板上时所遵循的反射规律。
2. 迈克尔孙干涉实验
在平面波前进的方向上放置一块45°的半透半反射版,在此板的作用下,将入射波分成两束,一束向A传播,另一束向B传播.由于A,B两板的全反射作用,两束波将再次回到半透半反板并达到接收装置处,于是接收装置收到两束频率和振动方向相同而相位不同的相干波,若两束波相位差为2π的整数倍,则干涉加强;若相位差为π的奇数倍,则干涉减弱。
3. 单缝衍射实验
如图,在狭缝后面出现的颜射波强度并不均匀,中央最强,同时也最宽,在中央的两侧颜射波强度迅速减小,直至出现颜射波强度的最小值,即一级极小值,此时衍射角为φ=arcsin(λ/a).
信息光学试验指导材料试验一全息光栅特性及制作技术试验目的1
信息光学实验指导材料
实验一全息光栅特性及制作技术
[实验目的 ]
1、了解用全息方法制作光栅的基本原理；
2、掌握全息实验光路的基本调节方法和一维、二维全息光栅的制作技巧；
3、了解全息光栅的基本特性和测试方法；
4、初步了解全息记录介质—卤化银乳胶的特性和干板的处理方法。
[实验仪器 ]
全息防震平台（ 3m× 1.4m），激光器，反射镜（若干），分束镜，针孔滤波器，干
板架，全息干板，照度计。
[实验原理 ]
光栅是重要的分光元件之一，由于它的分辨率优于棱镜，因而许多光学仪器中都采
用光栅代替棱镜作为分光的主要元件，如单色仪、光谱仪、摄谱仪等。此外，光栅在现
代光学中的应用日趋广泛，如光通信中用作光耦合器、光互连中用作互连元件、激光器
用作选频元件、光信息处理用作编码器、调制器、滤波器等等。全息光栅制作技术是20世纪 60 年代随着全息技术的发展而出现的，因其具有传统刻划光栅所不具备的一些优点
而受到人们的重视。目前，全息光栅在某些方面已经取代刻划光栅，在光栅家族中占有
了一席之地。
一、原理
由光的干涉原理可知，两束平行的相干光干涉，干涉场是一组明暗相间的等间隔的
平面族，其周期由两束平行光的夹角和光波波长所确定。若将全息记录干板置于该干涉
场中，则干板上记录到的干涉条纹将呈等间隔的平行直线条纹，这就是全息光栅。
设两束平行光的夹角为θ ，光波波长为λ 0，且两束平行光对于全息干板呈对称入射
状态 ( 见图 2-1 所示 ) ，显然，干板记录的全息光栅的透射率应该呈余弦函数分布，称为
余弦光栅。由干涉原理可知，全息光栅周期 d 由下式确定
近代物理实验_光信息综合处理实验讲义
实验二十一AOTF成像光谱测试实验
传统的成像光谱仪大多采用棱镜、光栅、干涉仪滤光，进行推帚式线光谱扫描成像。这种方式往往需要目标和成像系统做相对移动，对载体运动的平稳性要求比较高，整个系统的构造十分复杂，需要经过相当复杂的校正处理才能得到最后的图像，因此成像速度慢，且仪器体积大而笨重，移动困难。
声光可调谐滤光器（Acousto-Optic Tunable Filter，简称AOTF）是一种声光调制器件。其工作原理主要是利用了声波在各向异性介质中传播时对入射到传播介质中的光的布拉格衍射作用。声光可调谐滤光器由单轴双折射晶体（通常采用的材料为TeO2），粘合在单轴晶体一侧的压电换能器，以及作用于压电换能器的高频信号组成。当输入一定频率的射频信号时，AOTF会对入射的复色光进行衍射，从中选出波长为λ的单色光。单色光的波长λ与射频频率f有一一对应的关系，只要通过电信号的调谐即可快速、随机改变输出光的波长。
采用AOTF进行电调谐滤光，可以实现凝视式面光谱成像。与推帚式相比，它不需要探测系统和目标之间做相对运动，而且能够获得很高的图像分辨率，一般也不需要进行几何校正就可以得到高质量的图像。而且凝视式成像系统一般结构也比较简单，可靠性高，因此相关的仪器产品体积可以做得很小，进而实现成像光谱仪的便携化。成像光谱系统既可构成便携式成像光谱仪，用于近距离目标探测；又可构成显微成像光谱仪。
【预习提要】
（1）声光可调谐滤波器AOTF的分光原理是什么？
（2）如何确定AOTF衍射光的波长？
（3）成像光谱测试时成像位置不同对测试结果有无影响？
光学实验：高二物理教案光的衍射现象实验记录与分析
光学实验：高二物理教案光的衍射现象实验记录与分析高二物理教案光的衍射现象实验记录与分析
1.实验目的
本实验旨在通过实验观察和分析光的衍射现象，掌握衍射现象的基本概念和特点，学习掌握光的干涉和衍射原理，加深了解光的本质和性质。
2.实验器材
实验器材主要包括：狭缝、光源、测微眼、反射屏、光屏、极差计等。
3.实验原理
光的衍射是一种特殊的波的现象，它是由于光经过一个孔或者狭缝时，产生的波束发生了衍射现象。光的波长越短，衍射角度越小，波的衍射效应越小。在实验中，我们可以通过狭缝或者小孔来观察光的衍射现象，同时也可以控制狭缝或者小孔的大小和形状以及光的波长来进一步研究光的衍射。
4.实验步骤
（1）将狭缝和光源分别置于两个固定支架上，并对齐调整好光源的位置和方向。
（2）使用极差计等仪器对狭缝进行测量，记录下其尺寸。
（3）将测微眼、反射屏和光屏依次放置于合适的位置。保证光可以通过狭缝和反射屏，衍射以后射到光屏上。
（4）首先关闭光源的附加设备，调节光源到最小亮度状态。打开光源后，通过调整狭缝的大小和形状以及光的波长来观察和记录不同条件下光的衍射现象，包括衍射条纹的形状、大小和颜色等等。
5.实验结果
通过实验观察和记录，我们可以观察到不同条件下的光的衍射现象：
（1）当狭缝的宽度很小时，会出现一个光斑。当狭缝的宽度增大时，会出现一个中央亮条带和两个暗条带的交替出现。
（2）当光源中使用的光的波长较长时，光的衍射现象也相对比较宽，衍射的带宽较大。
（3）当狭缝越窄时，光线的衍射效应越强，形成的条纹越窄；当狭缝越宽时，光线的衍射效应越弱，形成的条纹越宽。
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图 2、白光准直照明 成像与滤波模块是实验要探究的核心部分。 图 1 所示的成像与滤波模块由两块成像透镜 和处于两者之间的空间滤波器组成。对照“无限筒长”显微镜的基本结构，对着观测物的透 镜称为“物镜” ，另一个称为“筒镜” 。将样品放置在物镜的前焦面上时，样品上各点发出的 旁轴光线经物镜后变成不同的平行光， 并且在物镜的后焦面上叠加出样品的空间频谱。 然后， 各个方向的平行光经筒镜在其后焦面上汇聚成相应的像点， 呈现出样品的像。 应用于光信息 处理时，一对傅里叶透镜分别取代“物镜”和“筒镜” ，前者做光学傅里叶正变换，后者做 逆变换。应用于百度文库微成像时，物镜实际上是固定封装的一组透镜，而筒镜仍为单凸透镜。 显微物镜对于显微镜成像的质量至关重要， 其光学参数通常印制在外壳上， 应用时要尽 量满足它的参数要求。图 3 给出的是一种应用于无限筒长显微镜的物镜（奥林巴斯） ，外壳 印制文字 “MPlanFLN, 10x /0.3, ∞/-/FN26.5” 的含义是， 平场半复消色差， 放大倍数 10x， 数值孔径 0.3，应用于无限筒长显微镜，对有无盖玻片无要求，视场数 26.5。其中的放大倍 数是由焦距为 200mm 的筒镜定义的，视场数 FN26.5 是可实现最大的像场直径，相对应可观 察的物场直径为 26.5/10=2.65mm。该实验配备有若干个单透镜和若干个无限筒长物镜，供 搭建无限筒长显微镜选用。
综合物理实验辅助材料 实验一、光学成像与光信息处理
光学成像是光学应用的基本问题。光学成像系统将“物”以其“像”的形式呈现出来， 实际上完成的是一个信息采集过程。它采集到物的信息越多，所成的像就越逼真。那么，一 个光学成像系统是如何采集物信息并且形成其逼真像的呢？就成像机制而言， 几何光学仅能 给出光学成像的一些简单信息， 复杂而丰富的结构信息的传输和成像则需要借助于波动光学 做进一步的描述。 1873 年，德国科学家阿贝在研究如何提高显微镜分辨本领时发现，在相干平行光照明 条件下， 物镜对物的成像分为两个步骤： 第一步是物光在成像透镜的后焦面上先形成一个特 殊的衍射光分布；第二步则是这个衍射光分布继续向前传播，自然地复合成物的像。这个两 步成像的理论被后人称之为阿贝成像原理。 阿贝成像原理的两个成像步骤分别体现的“分解”与“合成”实际上就是两次光学傅里 叶变换，如果称前者为一次正变换，则后者就是相应的逆变换。用光学傅里叶变换的语言来 描述， 正变换给出的是衍射物的空间频谱， 逆变换给出的是由空间频谱还原出来衍射物的像， 而所谓的空间滤波就是通过滤掉衍射物的某些频谱成分来修饰所成的像。 本实验旨在引导学生通过自主实验学习光学傅里叶变换以及空间频率、 空间频谱和空间 滤波等相关概念， 探究光学成像和光学信息处理的基本原理， 体验搭建光学显微镜的实验技 术与方法。 （一） 实验装置 实验装置安排在一个 1.8 米长的光学导轨上，如图 1 所示，按功能分成照明光、成像与 滤波、观测等三个基本模块。
图 3、一种应用于无限筒长显微镜的物镜照片。
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观测模块包括 CCD 相机和与之连接的计算机， 用来采集和显示筒镜所成的像， 也可用来 采集样品的空间频谱。 （二） 实验内容 1、 按图 1 所示的光路搭建实验系统，特别要做好共轴调节。 2、 利用图 1 所示光路中的光学傅里叶变换，观测如下衍射屏的空间频谱分布： 单方孔 双方孔 等腰三 角孔 四缝 方孔方 阵 等边三 角空 五缝 方孔密 排 矩形孔 单丝 单圆孔 双圆孔 五角星 孔 三丝 圆孔方 阵 单缝 四丝 圆孔密 排 双缝 五丝
图 1、实验装置示意图 照明光模块用来产生照亮被观测样品的准平行光， 可分别使用激光光源和白光光源。 图 1 的照明光模块给出的是激光光源（氦氖激光器，λ = 633 纳米）的情形：激光束照射在称 之为“小孔滤波器”的入口处，在其出口的小孔处形成一个干净的点光源，这个点光源发出 的球面波经一凸透镜变成平行光。可用的白光光源（GCL-0601 直流调压光纤光源，大恒光 电）如图 2 所示，在其光纤出口处形成白光点光源，用一凸透镜准直成平行光。
单方屏 三缝
单圆屏 双丝
3、 利用图 1 所示光路中的光学傅里叶变换，观测一维光栅的空间频谱，并做空间滤波，观 测筒镜所成像的变化。 4、 利用图 1 所示光路中的光学傅里叶变换，观测镂空“光”字与网格叠加而成衍射物的光 学傅里叶变换，并做空间滤波，观测筒镜所成像的变化。在此实验观测的基础上，研究 其中的卷积运算原理。 5、 尝试利用快速傅里叶变换（FFT） ，针对所观测的一些衍射屏，模拟计算物镜的光学傅里 叶变换、筒镜的光学傅里叶逆变换和空间滤波对成像的作用。 6、 尝试更换不同数值孔径的物镜（单透镜或透镜组） ，观测成像模块的成像效果。改变筒 镜到物镜的距离，观测成像模块的成像效果。在此基础上，探究无限远（透镜组）物镜 的设计原理和无限筒长显微镜的组装技术。 （三） 实验要求 实验内容 1-4 为基本的实验内容，要求尽量细致的实验观测和理论分析。实验内容 5-6 属于开放性的拓展内容，可以选为专题研究。 （四） 参考材料 1、吕斯骅，段家忯，张朝晖. 新编基础物理实验[M]. 北京：高等教育出版社, 2013： 372-379. 2、张朝晖，刘国超. 阿贝成像原理和空间滤波实验[J]. 物理实验, 2017, 36(9): 23-29.
附原稿： 阿贝成像原理和空间滤波实验 张朝晖 刘国超
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（北京大学 物理学院，北京 100871）
摘要: “阿贝成像原理和空间滤波”是北京大学《普通物理实验》课程的一个传统实验，其目 的是引导学生通过实验学习光学傅里叶变换以及空间频率、 空间频谱和空间滤波等相关概念， 探究光学成像和光学信息处理的基本原理、 实验技术与方法。 此实验涉及丰富的实验现象和 物理与数学的综合知识， 教学上颇具挑战性。 本文利用显微成像的波动光学理论阐述阿贝成 像原理，并配置相应的实验内容、技术方法和可以扩展的实际应用，希望从深度和广度上综 合把握该实验的教学，以便引导学生的自主性实验探究。 1．引言 光学成像是光学应用的基本问题。光学成像系统将“物”以其“像”的形式呈现出来， 实际上完成的是一个信息采集过程。它采集到物的信息越多，所成的像就越逼真。那么，一 个光学成像系统是如何采集物信息并且形成其逼真像的呢？就成像机制而言， 几何光学仅能 给出光学成像的一些简单信息， 复杂而丰富的结构信息的传输和成像则需要借助于波动光学 做进一步的描述。 1873 年，德国科学家阿贝在研究如何提高显微镜分辨本领时发现，在相干平行光照明 条件下， 物镜对物的成像分为两个步骤： 第一步是物光在成像透镜的后焦面上先形成一个特 殊的衍射光分布；第二步则是这个衍射光分布继续向前传播，自然地复合成物的像。这个两 步成像的理论被后人称之为阿贝成像原理 。