工程光学实验报告

工程光学实验
北京航空航天大学
仪器科学与光电工程学院
教学实验中心
2014年12月
实验规则及注意事项
1．压强计不可超量程使用，以免损坏。

2．压强计使用结束，应把气室的气体放光，否则导致压强计不能回零。

3．在打开激光电源前，必须确认高压插座可靠地与激光管连接，激光电源严禁开路使用。

4．He-Ne激光器的阳带有几千伏的高压，请注意安全！！！
5．激光管为玻璃结构，易碎，特别是布氏窗结构，由多种玻璃构成，应避免受力和碰撞。

激光膜片是非常易损的光学元件，应绝对避免人手的触摸和剐蹭，必要的清洁请使用专用长丝棉或脱脂棉结合干净的乙醚或丙酮轻轻擦拭。

6．光学元件的取放要小心，不
7．用结束，应将调节旋钮调整到可调范围中部。

目录
实验一、组合干涉仪 (3)
实验二、衍射现象的观察 (6)
实验三、偏振光的检测 (7)
实验四、He-Ne激光器和激光谐振腔 (9)
实验报告要求 (12)
实验一组合干涉仪
一、实验目的
通过本实验，观察干涉现象，了解干涉原理，学会干涉光路的搭构与调整，通过干涉环的变化与被测量的关系，得到一些被测的物理量。

二、实验原理
简介：
干涉测量技术是一种利用光的干涉现象来测量某些物理量的微小变化的技术,一般情况下,它是将一束光通过光学元件分为两束,一束作为参考光,另一束作为测量光,测量光落在被测物体上或通过被测样品,然后再将这两束光重新拟合,利用干涉图形的变化,检查出目标某个物理量的微小变化.
这种测量方法由于大多采用高稳定度的、长相干的激光作为光源，因此一般都具有大量程、高分辨率、高精度、对目标影响小的特点，被广泛应用在国民经济的各个领域。

该技术在实际应用中，根据使用环境和要求的不同，往往采用不同的光路结构。

本实验主要搭构三种较为常见的光路结构，组成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，以熟悉它们的结构和特点。

1）迈克尔逊干涉仪
迈克尔逊干涉仪作为一种十分古老的干涉仪，于1880年由迈克尔逊发明，并主要由此于1907年获得诺贝尔奖金。

它的基本光路结构如图1。

它常被用来测量物体的微小位移变化：从光源发出的一束相干光经分束镜G一分为二，分为两束。

一束透射光落在反射镜M1上，另一束反射光落在发射镜M2上，M1、M2分别将这两束光沿原路反射回来，在分束镜G上重合后射入扩束镜，投影在白屏上，如果我们对光路调整的合适，将在白屏上看到一系列的明暗相间的干涉条纹，这些干涉条纹会随着M1或M2的移动而移动，且非常敏感，只要反射镜移动半个波长，干涉条纹就移动一个周期，而光波长一般都在微米量级，因此它具有很高的灵敏度和分辨率。

图1
2）马赫-曾德尔干涉仪（选做）
马赫-曾德尔干涉仪的光路结构如图2所示, 从光源发出的一束相干光经分束镜G1一分为二，分为两束。

一束透射光落在反射镜M1上，另一束反射光落在发射镜M2上，M1、M2分别将这两束光反射至分束镜G2上,并使这两束光重合,进入扩束镜，如果调整合适，我们可在扩束镜后的白屏上看见一系列明暗相间的干涉条纹。

这种干涉仪主要用于测量透明物质的折射率的变化，光纤传感器中的干涉仪大多采用这种光路结构，
图2
3）萨格奈克干涉仪（选做）
萨格奈克干涉仪的光路结构如图3所示，光路由一个分束镜G和三个反射镜M组成，它的光路比较特殊，两束光沿着相同的路径反向传播。

由于两束光的传播路径严格重合，因此任何实际样品的影响都是同时作用在两个光束上的，且大多数情况下作用相互抵消，我们观察不到变化，但这种干涉仪对角度的变化却有反映。

假设干涉仪绕垂直于光路平面的轴转动，则一束光将顺着转动方向传播，而另一束光将逆着转动方向传播，这将引起光程差的变化，从而引起干涉条纹的移动。

目前广泛应用于航空、航天领域的的激光陀螺、光纤陀螺就是基于该原理。

图3
三、实验内容：本实验的主要内容为，在光学实验平台上，按图示1、2、3所示光路搭
建出三种干涉仪，并调整出粗细适当的干涉条纹。

然后在光路中加入气室，对气
室加压，改变气室中的空气压强，由于气体的折射率依赖于气体的压强，当这种
变化只作用在某一路光束时，必将引起两束光之间的光程差的改变，从而引起干
涉条纹的变化。

通过压强计读出空气压强同干涉条纹变化的关系，可绘制出空气
压强与干涉条纹变化的关系曲线和空气折射率与压强的关系曲线（气室长度
100mm）。

比较三种干涉仪的测量结果，了解三种干涉仪的结构和特点。

四、仪器构成：
实验平台（400mm×600mm）1个
二维可调半导体激光器（650nm，4mW) 1套
二维可调分束镜1套
二维可调反射镜2套
二维可调扩束镜1套
白屏1个
气室＋压强计1套
五、实验步骤：
1．将半导体激光器、分束镜、反射镜和扩束镜按照图1、2和3位置摆放
2．通过白屏调整光束的位置，使所有光束在同一水平高度，保证干涉的实现
3．调整分束镜和反射镜的位置，得到干涉条纹
4．调整阀门改变气室的压强，观察条纹的变化
5．在白屏上固定一个点，计条纹移动的数目
6．计算条纹移动的数目与气室压强的变化，画出关系曲线
六、实验中的调试方法和注意事项：
1.为了得到粗细合适的干涉条纹，应使重新拟合的两束光尽量重合。

两束光之间的夹
角越小，干涉条纹越粗，反之越细。

在调整光路时，应先使两束光落在同一个平面内。

这可以用固定在磁性表座上的白屏来观察两束光各点的高度是否相同来确定。

然后在通过使两束光汇集于同一点来保证水平方向的夹角可尽量的小。

2.空气压强的变化应平稳而缓慢，可通过气室本身的泄漏来实现。

条纹的变化可通过
条纹经过白屏上的一个固定点来计数。

3.应尽量避免有反射光进入激光器，这将引起激光器工作不稳定。

4.条纹计数时不要接触平台，以免引起条纹的抖动。

5.光学元件的表面严禁触摸。

七、实验结果
（1）迈克尔逊干涉仪实验图像
实验数据
（2）萨格奈克干涉仪
实验图像：
由实验现象可以看出，无论气室的压强怎么变化，干涉条纹都不发生改变，这是因为萨格奈克干涉仪光路的光程差不发生改变。

实验二衍射现象的观察
一、实验目的
通过本实验，使学生掌握衍射基本原理
二、实验原理
内容：光的衍射是光的波动性的主要标志之一，是傅立叶光学、衍射光栅和二元光学等的基础，它决定光学成象系统的分辨率，同时可以利用它进行精密测量。

本实验所用缝元件共包含10种结构，通过对透射光的光强分布情况的测量和分析，了解掌握光的衍射理论仪器构成：
导轨式光学实验系统：
800mm导轨1根；二维可调半导体激光器1个
单缝多缝元件1个；一维位移架1个
12档光栏探头1个；激光功率指示仪1台
导轨滑块3个
实验步骤：
1．将导轨平稳地放置在一个坚固的平台上。

2．将半导体激光器放置于导轨的一端，缝元件架紧靠激光器放置，将一维位置架放置在导轨的另一端，放上12档光探头并锁紧，调节光探头到一维位移架的中间区域。

3．调整激光器指向方位和光探头的高低，使激光准确进入探测光栏孔。

4．在缝元件架上放上缝元件，根据实验内容将要被测的缝或光栅调入光路，在光探头端就会出现一条干涉或衍射图案。

5．旋转探头上的光栏盘使0.2mm缝光栏进入探测位置。

6．转动一维位移架上的丝杠钮，使探头从一端向另一端进行扫描探测，并记录下光探头位置与功率的对应关系，验证光强分布与波长和缝参数的关系。

-2
-1.5-1-0.5
00.51 1.52
010
20
30
40
50
60
单缝衍射光强分布曲线
x/mm
I 0/μW
实验三偏振光的检测
一、实验目的
通过本实验，使学生对偏振光的特性和偏振器件有一个基本的了解，同时了解偏振光在工程上的应用。

二、实验原理
内容：通过二个偏振片和一个波片的组合，验证光是一种横波，具有偏振的特性以及马吕斯定律、1/4λ波片的光学特性、旋光效应及半导体激光的偏振特性，从而
领会光的偏振特性和双折射晶体的光学原理。

仪器构成：
导轨式光学实验系统：
800mm导轨1根
二维可调半导体激光器1个
激光功率指示仪1台
显示屏1个
偏振附件：
偏振片/波片架（含2个偏振片和1/4个波片） 1 套
旋光晶片（包括调整架）1个
导轨滑块5个
三、实验步骤
1．半导体激光器的偏振特性：
导轨、激光功率指示计、二维可调半导体激光器、偏振架（检偏器）1个 ① 将激光器、偏振架（检偏器）、功率指示计光探头（用最大孔）依次排列。

② 将激光器、功率指示计光探头分别与功率指示计相连。

③ 打开功率指示计电源，激光输出。

调整激光指向和各架子的高度，使激光从偏振片的中心通过，进入功率指示计探头。

④ 旋转检偏器，记录下功率最大值和最小值，以及所对应的角度，由此求出半导体激光的偏振度。

2．光的偏振特性以及马吕斯定律：
① 将激光器、偏振架1（起偏器）、偏振架2（检偏器）、功率指示计光探头依次排列。

②
旋转检偏器，记录下角度与功率的关系，绘制曲线，以验证马吕斯定律。

注意：半导体激光器输出的激光可能是一近似线偏振光，应注意起偏器的方位。

3．1/4λ波片的光学特性：
①
在实验2基础上，旋转检偏器使激光完全不能通过，进入消光状态。

② 在起偏器与检偏器之间加入1/4λ波片架，这时可能会有部分光通过检偏器。

③ 旋转1/4λ波片，使系统重新进入消光状态。

④ 记下消光状态时的1/4λ波片方位角度，并旋转45°。

⑤ 旋转检偏器记录下光强的变化。

（对于理想状态光强应无较大变化，近似为一圆偏
振光。

）
4．物质的旋光特性：
① 在实验2的基础上，旋转起偏器，使系统进入消光状态。

② 将旋光晶体放入起偏器与检偏器之间，观察检偏器后的透光情况。

③ 旋转检偏器，使系统再次进入消光状态。

记录下旋转的角度。

求出晶体的旋光率。

已知旋光晶体厚度l ＝3 mm 。

④
领取葡萄糖溶液，测量葡萄糖溶液浓度。

对葡萄糖试剂溶液，当入射光的波长给定时，旋光度φ与偏振光通过溶液的长度L
和溶液的浓度c 成正比，即 CL αφ= 式中旋光度φ的单位为“°”，偏振光通过葡萄糖试剂溶液的长度L 的单位为dm ，葡萄糖试剂溶液浓度的单位为g.ml -1。

α为该物质的比旋光度，它在数值上等于偏振光通过单位长度（dm ）、单位浓度（g.ml -1）的溶液后引起的振动面的旋转角度。

其单位为°· ml · dm -1· g –1。

葡萄糖试剂溶液的比旋光度在测试温度下约为52.89°·ml ·dm -1·g -1，玻璃杯的长度为0.55dm 。

四、实验结果
1. 半导体激光器的偏振特性
数据记录：
由表中的数据可以计算偏振度
max min
max min
0.895
I I
P
I I
-
==
+，且发现最大光强和最小光强对应
的角度相差90°，可知激光是近似线偏振光。

2. 光的偏振特性以及马吕斯定律
数据记录：
I-θ关系曲线
I-2
cosθ图像
从图中可以看出，I-2
cosθ图像中各点近似分布在一条直线附近，即二者成正比，验证了马吕斯定律。

3.1/4λ波片的光学特性：
数据记录：
消光时1/4λ波片对应的角度为256°。

此时将波片转过45°后，旋转检偏器，光强与角度的关系记录如下表：
I-θ曲线
从如上的图线可以看出，旋转检偏器时光功率近似不变，说明出射光为近似圆偏振光。

4. 旋光晶体旋光角度测量
晶体旋光率/(13074)/3=18.67/l mm mm αθ==-。

5. 葡萄糖溶液浓度测量
实验四 He －Ne 激光器与激光谐振腔
一、实验目的
通过实验，可进一步了解激光器的结构和工作原理，掌握激光调谐的原理和技巧，验证谐振腔理论，全面、深入地了解激光器的结构、特性、工作条件和相关理论和有关公式。

为使用激光这一光学中最重要的光源打下良好的基础。

二、实验原理
内容：本套实验装置的核心是—He-Ne 激光器，采用的是半内腔结构，激光器的一个
全反射镜与毛细管、储气套等作成一体，全反射镜与毛细管垂直。

而另一个半反射镜则被安装在一个精密的二维调整架上，可灵活移动。

通过一准直光源调整激光管和半反射镜，使之产生激光。

用功率指示计检测这
束激光，并进一步调整膜片使之达到最佳状态（功率最大）。

观察光斑大小和光强分布。

重复移动半反射镜并重新使之达到最佳状态。

观察光斑大小和分布变化，记录功率，比较前后变化，分析腔长对功率、横膜的影响。

仪器构成：
光学实验导轨：800毫米1根
准直光源：二维可调半导体激光器，650纳米3.5毫瓦
（含~220伏电源）。

1个小孔光栏屏：1个
激光管调整架：由两个二维调整架组成，可完成4个自由度的调整。

1个
半内腔氦氖激光管：波长633nm，最大输出功率≥2mW
（硬封长寿命管）。

1个激光电源：稳流，电流可调，范围4.5-8mA 1个
二维膜片架：精密细牙调整螺钉（含硬膜膜片）。

1付
激光功率指示计：3位半数字表头，测量范围：200微瓦、2、20、
200毫瓦、可调档。

1套显示屏：80毫米X100毫米1块
可调损耗组件：三维可调1套
扫描干涉仪1台
三、实验步骤：
1．激光器的调整
主要是调整He-Ne激光器与反射镜的相对位置关系，只有当谐振腔的两个反射镜均以激光器毛细管相垂直时，激光才有可能产生，本实验的调试过程主要是用一束半导体激光作为基准，用自准直的方法使激光谐振腔达到谐振条件，产生He-Ne激光。

1）打开功率指示计的电源，LD发生激光。

2）调整LD的高度和方向，同时调整小孔屏的高度和位置，使通过小孔的激光可打在He-Ne激光器的布氏窗中心区域。

3）将He-Ne激光器的另一个反射镜连同二维精密调整架放置在He-Ne激光器前的滑块上，调整反射镜架的高度使激光大致打在反射镜的中心位置上，锁紧反射镜架。

4）前后滑动反射镜，并注意光斑在反射镜上的位置，并反复调整LD和小孔光栏屏方向和位置，以使反射镜在前后滑动的过程中，光斑始终位于反射镜膜片的中心区域。

这时LD激光束基本上与导轨平行，我们将以这条激光束作为基准来调整谐振腔。

在实验过程中这个基准不应再变动。

5）取下He-Ne激光器反射镜架，这时LD激光束又会落在He-Ne激光器的布氏窗上，通
过激光器的玻璃外壳，我们会看到这束LD激光是否进入了毛细管（这时He-Ne激光
器光源应处于“关”状态，以便于观察）。

调整布氏窗这端的二维调整架，使LD光束
进入毛细管，这时我们应可在小孔光栏屏上看见从He-Ne激光器的另一个反射镜反射
回来的光。

6）调整He-Ne激光器反射镜端的二维调整架，小孔光栏屏上的反射光的强度和形状也随之变化，尽量使这个光斑变强并成为一个亮点。

7）反复调整He-Ne激光器前后的两个二维调整架，使反射器小孔光栏屏的光斑尽可能对称、照亮，并重合于小孔，此时可认为毛细管基本以LD激光束（基准）相重合，全
反射镜与LD激光束垂直。

8）将步骤5）中取下的反射镜重新放回到导轨上，调整高度使LD光斑落在膜片中央位置。

9）调整反射镜架上的两个调整螺钉，使该反射镜反射回小孔屏上的光斑落于小孔中心。

10）用脱脂棉和丙酮擦拭布氏窗。

11）打开He-Ne激光电源，激光管亮。

调整电流到5.5mA左右。

（不可过大以免损激光管和电源）。

12）这时应有He-Ne激光输出。

如没有，请仔细调整反射镜上的两个调整钉，直到有He-Ne激光输出为止。

13）将功率计探头放入光路，探测He-Ne激光器的输出功率，反复仔细的调整反射镜上的两个调整螺钉，以使功率达到最大。

激光的调试即告完成。

2．松开反射镜架滑块上的螺钉，移动反射镜，在适当位置上重新锁紧，以改变谐振腔的腔长和腔型。

3．重复9）、12）、13）中的必要步骤，并观察不同位置时光斑的形状、大小。

四、实验现象及结果
五、实验感想
在实验中，我们发现外界的光线会对结果有一些影响，因此要特别注意尽量降低杂光的干扰；另外，旋转波片或检偏器的时候也应该顺着一个方向转，以消除空程误差。

注意细节才能得到更准确的结果。

同时，我们也更加深刻地理解了在课上所学的关于偏振光的知识。