物理光学实验讲义

图 2—1 迈克耳逊干涉仪光路原理图
图 2—2 WSM—100 形迈氏干涉仪外形图
干涉系统由分光板 G1，补偿 G2，平面反射镜 M１和 M２组成。G1、G2 是两块材料相同、形状一样的平行平面玻璃板。在 G1 的后表面上镀有银或
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铝的半透半反射膜 A。从图 2—1 可以看出，不加 G2 时，光束 I 经过 G1 三 次，而光束Ⅱ只经过一次。这种不对称性，对单色光干涉并不重要，但在白 光干涉时，由于 G1 的色散会对不同波长的光波产生附加光程差，加入 G2 可以补偿这种附加光程差，以便得到清晰的白光干涉条纹。3、4 为平面反 射镜 M2 的微调旋钮，在 M1、M2 后还有三只可调螺旋 8，用以调节 M1、M2 间的相对倾角。安装时，要求 G1 平行于 G2。M1、M2 与 G1、G2 约成 45° 夹角。在图 2—1 中， M 2 是 M2 在半反射面 A 中的虚象，位于 M1 附近。 干涉条纹可认为是 M1、 M 2 的反射光在干涉场中迭加相干的结果。 观察测量系统由导轨 7，粗调手轮 1，微调手轮 2，读数窗 5，观察屏 6 组成。M1 由精密丝杆带动可在导轨 7 上平移，旋转手轮 1 或 2，可改变 M1 和 M 2 之间的距离 d。在本仪器中，M1 镜的移动范围约为 100mm，读数精 度为 10-4mm，可估读到 10-5mm。M1 的位置由三部分读数之和决定，这些读 数是导轨左侧的毫米标尺读数（mm） 、读数窗 5 显示的读数（10 2mm）与 微调手轮 2 的读数（10 4mm） 。在一次测量中，手轮 5 和 2 应单向旋转， 以 避免逆转空回引起测量误差。

la e l l'
（1—4）
若在迭加区内放置观察屏 E，就可接收到平行于脊棱的等距直线条纹。 当用白光照明时，可接收到彩色条纹。 利用图 1—2 可导出干涉孔径角

光源临界宽度
l' a l l' l l'
（1—5）
b

1
（1—6）
从式（1—5） 、式（1—6）看出，当 l =0 时，β=0，光源的临界宽度 b 变为 无穷大。此时，干涉条纹定域在双棱镜的脊棱附近。b 为有限值时，条纹定 域在
— —
[实验原理]
根据干涉理论，迈氏干涉属于分振幅双光束干涉类型。图 2-1 中，考察 点 P 处的光程差 （2—1） 2d cos 式中，d 为 M1、 M 2 之间的距离；θ为 S 在 M1 上的入射角。 迈氏干涉仪产生条纹的特性与光源特性、 照明方式和 M1 与 M 2 之间的 相对位置有关。现将具体情况分析如下： 1. 等倾干涉（定域干涉） 当 M1 平行于 M 2 并用准单色扩展光源照明时， 产生等倾干涉。 这时干 涉条纹定域在无穷远处或透镜 L 的焦平面上。用聚焦于无穷远处的望远镜 或眼睛可以直接观察。 图 2-3 说明了产生等倾圆环干涉条纹的过程。对于中央圆纹，由于θm ＝０，光程差 △＝２d=moλ 最大，干涉级次 mo 最高，而后向外， 依 λ／２时，中心处就向 sin 次降低。若入射光波长λ和 m 固定不变，中央圆纹的干涉级次 m 将随空气 平板厚度 d 而变化。当移动Ｍ１使 d 增大或减小 θm≈θm，因此相邻两条纹的角间距可表示为 外“产生”或向内“消失”一个圆环。在中央圆纹附近，可认为
实验一
[实验目的]
菲涅耳双棱镜干涉及应用
1． 观察和研究双棱镜产生的干涉现象； 2． 测量干涉滤光片的透射波长λ0。
[仪器和装置]
白炽灯，干涉滤光片，可调狭缝，柱面镜， 菲涅耳双棱镜，双胶合成 象物镜，测微目镜。
[实验原理]
菲涅耳双棱镜装置如图 1－1a 所示，它由两个相同的棱镜组成，两个棱 镜的折射角α很小，一般约为 30 。从点（或缝）光源 S 来的一束光，经双 棱镜折射后分为两束。 从图中可以看出， 这两折射光波如同从棱镜形成的两 个虚象 S1 和 S2 发出的一样，S1 和 S2 构成两相干光源，在两光波的迭加区产 生干涉。
a
图 1—1 双棱镜干涉原理图
b
从图 1－1b 看出，若棱镜的折射率为 n，则两虚象 S1、S2 之间的距离 （1—1） d 2l (n 1)a 干涉条纹的间距
e
当取 n=1.50 时，则有
l l' 2l (n 1)a l l' la
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（1—2）
e
（1—3）
可解出
图 1—4 二次 （共轭） 成象法测量 d 值
如图 1—4 所示，通常 S1、S2 和 S 并不在与图面垂直的同一平面内， 而 D 和 A 又应从 S1S2 处测量才算准确，故测量 d 时，采用二次（共轭）成象 法，即成象物镜 6 在第一个位置时，若从测微目镜中测得 S1，S2 的两个实 象 s 1， s 2 之间的距离 d1，据物象关系，则有 d A d1 B 物镜 6 在第二个（共轭）位置成象时，则有
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条纹对比度的变化，并给予解释。
图 1—3 双棱镜干涉实验装置图 1-白炽灯 2-滤光片 3-柱面镜 4-狭缝 5-双棱镜 6-成象物镜 7-测微目镜
*(3)在狭缝光源前依次安放具有不同波长带宽的滤光片，观察干涉条纹 对比度的变化，并解释之。 2．测量干涉滤光片中心透射长λ0。 由式（1—3）看出，为了测量λ0，需要在一定的精度范围测定 d、l、l 与e值 (1) 测定 d 值
光学实验室的一般规则
光学实验要求测量精度高，所用仪器和装置比较精密，对测量条件、 周 围环境以及对实验者的实验技能都有较高的要求。因此，在做实验之前， 除 必须认真阅读实验教材及有关资料，了解清楚实验的目的、原理、方法、 步 骤和要求外， 进入实验室后还必须自觉遵守实验室的规则和对某些实验的特 殊要求。现将实验室的一般规则叙述如下： 1.光学仪器多是精密贵重仪器。取放仪器时，思想要集中，动作要轻、 慢。在没有了解清楚仪器的使用方法之前，切勿乱拧螺丝，碰动仪器或随意 接通电源。 2. 大部分光学元件用玻璃制成，光学面经过精细抛光，一般都具有 Ra0.010 的粗糙度。使用时要轻拿轻放，勿使元件相互碰撞，挤压，更要避 免摔坏；暂时不用的元件，要放回原处，不要随意乱放，以免无意中将其扫 落地面导致损坏。 3.人的手指带有汗渍脂类分泌物，用手触摸光学面会污染该光学面，影 响其透光性和其它光学性质。因此，任何时候都不能用手去触摸光学表面， 只能拿元件的磨砂面。正确的姿势如图所示。 4.不要对着光学元件和光学系统讲话，打喷嚏和咳嗽，以免涎液溅落镜 面造成污痕。 5.光学面若落有灰尘， 应先用干净、 柔软的脱脂毛刷轻轻掸除， 或用 “橡 皮球”吹除。严禁用嘴去吹。一般不能随意擦拭光学表面。必要时可用脱脂 棉球蘸上酒精乙醚混合液轻轻擦拭，切忌用布直接擦拭。 6.光学面上若沾有油污等斑渍时，不要立即动手擦拭。因为很多光学表 面镀有特殊的光学薄膜，在擦拭之前，一定要了解清楚情况，然后再在教师 或实验工作人员指导下，采取相应的措施，精心处理。 7.光学仪器中有很多经过精密加工的部件。如光谱仪和单色仪的狭缝、 迈克耳逊干涉仪的蜗轮蜗杆、分光计的读数度盘等，都要小心使用，按规则 操作，切忌拆御仪器，乱拧旋钮。 8.要讲究清洁卫生，文明礼貌，不得大声喧哗，打闹。 9.实验完毕，要向指导教师报告实验结果和仪器的使用情况。整理好仪 器，填写仪器使用卡，经允许后方可离开实验室。
l'
的区域内。
l b
（1—7）
图 1—2
双棱镜干涉的几何关系图
[内容和步骤]
1．调节光路，观察和研究双棱镜干涉现象 (1)按图 1—3 所示， 将光学元件与装置安放在光具座上。 调节光学系统， 使其满足同轴等高的要求。 (2) 取 l ≈200mm, l ≈1200mm, 按 λ=550nm, a= 30 ， n=1.50 计算出 b 的数值。置狭缝宽度 bt=b/4, 调节棱镜的脊棱与狭缝方向平行，直到使得测 微目镜视场里出现清晰的干涉条纹为止。增大或减小狭缝宽度 b, 观察干涉
物理光学实验
华中科技大学光电子科学与工程学院 2011.9
前
言
本实验教材是根据光电子科学与工程学院物理光学 教学大纲中规定的实验要求选编的。 本实验教材共选入 8 个实验。内容涉及光的干涉、 衍 射、偏振等方面。 本实验教材所列实验项目均选自本院物理光学实验 室参编及长期使用的《物理光学实验》 ，适用于光电子信 息类专业学生使用，亦可作为非光电类专业学生的选修 教材。
[仪器和装置]
迈克耳逊干涉仪，He—Ne 激光器，白炽灯，钠光灯。 迈克耳逊（以下简称迈氏）干涉仪，最初是为研究地球和“以太”的相 对运动由迈克耳逊设计的，后来在光谱学和标准米原器校正中加以使用， 是 历史上最著名的干涉仪。 它的结构简单， 精度高， 是许多现代干涉仪的原型。 图 2—1 是迈氏干涉仪的光路图，图 2—2 是国产 WSM—100 形迈氏干涉仪 的外形。如图所示，仪器的干涉系统与观察测量系统都安装在稳定的底座 9 上。

自己动手为主： 一定要亲自做实验，对实验现象进行分析，
培养独立自主的能力，会有成就感。

老师指导为辅： 问题不包办，只做点拨提示，保证实验正常
进行。
目
前 言 光学实实验五 实验六 实验七 实验八
菲涅耳双棱镜干涉及应用…………………………………….1 迈克耳逊干涉仪……………………………………………….6 用法布里－－珀罗 （F－P） 干涉仪测量钠双线的波长差…..13 双光源衍射法测量光谱仪狭缝宽度………………………...19 衍射光栅分光特性测量……………………………………...24 偏振光的获得与检测………………………………………...30 电光调制实验………………………………………………...37 声光调制实验………………………………………………...47
[思考题] 1．如果给你多块双棱镜，你能否从其外形以及棱镜所产生的干涉条纹 来比较它们质量的优劣？ 2．如果狭缝方向与脊棱稍不平行，就看不见干涉条纹，为什么？