光学平台组件实验

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激光束的面积很小,一般都需经过扩束及准直,必要时还需加上针 孔滤波器,使其成为面积较大的均匀光斑。
激光扩束镜通常使用半球形扩束镜或显微镜物镜。在扩束镜的焦点 上放置针孔滤波器,在针孔滤波器后面放置准直镜。准直透镜与扩束镜 构成倒装的伽利略望远镜系统,如图 1‑1。
为了获得均匀的平行光,必须使光学元件的方位符合尽量减少像差 的条件。首先应使激光束与全息台面平行,其他光学元件必须共轴。而 且,要求发散或会聚的光束应朝向扩束镜及准直镜的曲率半径R大的表 面或平面;平行光应朝向R小的表面。通常可用灯丝的反射光来判断R 的大小。
jx8测微目镜
杭光
1
42 PT-38
读数显微镜架
杭光
1
43 PT-13
白屏
杭光
1
44 PT-14
品字形物像屏
杭光
1
45
平台面包板
长富 600*1200*8/12不 1 锈钢
46
光功率计
方式
1
光学平台组件应用实验参考资料
目录
1. 光学平台组件应用实验 1.1. 光学实验基础知识 基本常识 基本知识 1.2. 光学平台组件的工作原理及调试方法
在光具座上可进行的光学实验有:薄透镜的焦距测定,典型光学系 统(显微镜、望远镜)的设计,偏振现象的观测,双棱镜的干涉、激光 或钠光灯的波长测量等。
在光学平台上可以进行各种各样的光学实验,除上述的各种光学实
验外,还可以进行许多设计性和研究性的实验、全息干涉测量或全息照 相实验。
全息照相分为两个步骤:全息记录和再现。从物理角度说,全息记 录是两束光(物光和参考光)的干涉图样的拍摄和冲洗;全息再现是通 过干涉图片产生的衍射图像。
放映物镜 Φ50.8f200mm
13 GCL-010147 Φ40 f200
14 GCL-010145 Φ40 f80
15 GCC-102104 反射镜
16
GCM085840M
Φ40镜架
17 GCC-411102 五五分光平片
18
GCM0858254M
Φ254镜架
19 GCM-420101 磁座
20 GCM-1302 干板夹
实验目的
(1) 了解光学系统主要部件的设计原理,熟悉其调节方法。 (2) 学习扩束准直系统的调节和使用。 (3) 学习平行光束的调整方法。
实验原理
1. 光学系统主要部件
光学系统,一般由光源、光路转向系统、分光系统、扩束系统、成 象系统及各种专用部件构成。
(1) 光源:用于产生实验所用的光,根据实验需要采用不同的光 源,常用光源有卤素灯、汞灯、钠灯、氦氖激光等。
1. 光学平台组件应用实验 .1. 光学实验基础知识
基本常识
光学平台提供水平、稳定的台面,一般平台都需要进行隔振等措 施,保证其不受外界因素干扰,使实验正常进行。
所有光学镜片(透镜、平面镜、棱镜、光栅、波片、偏振片、分光镜 等等)通光面不能用手触摸,需要清洁时必须用专用镜头纸。
用于固定镜片的支架上的固定螺钉和调节螺钉要轻扭。 白炽灯是复色光源(白光-由红、澄、黄、绿、青、蓝、紫色光混 合而成);汞灯是由部分线状谱的光混合成的复色光源;钠灯是准单色 光源(有两条非常相近的波长),可以用于干涉实验的光源,只是光强 较弱不方便观测;激光是单色光源(一种波长),是用于干涉实验的光 源。 用于实验的光学仪器,在做实验前应首先了解各部分的调节功能、 作用和调节范围,以及标尺的读数方法。
式中I1、I2是被分开的两光束的强度。
按照分光的原理,可分成几何分光及物理分光两大类。几何分光意 味着在能量分配的过程中,光束主要发生几何状态的变化,例如传播方 向等,最常见的是利用折射及反射现象的分光镜;物理分光表示伴随能 量分配,光波的物理状态(或结构)发生变化。例如偏振态的变化。按 照分光比 的变化范围及形式,又可分为分级分光及连续分光两类。
5. 调针孔滤波器
由于针孔滤波器微调机构的x、y、z三个方向的平移范围很小,一般 只有3~5mm,所以开始要用光屏找到光束会聚点的位置。使针孔的三个 微调旋钮都处在可调的中间部位。然后把针孔架放好,使针孔尽可能处 于焦点处。一开始从针孔中过来的光可能很少,只能用肉眼对着针孔的 后面观察才能看到一点亮光。为了调整有效,这时应把下面的磁性座锁 紧。先仔细微调x方向和y方向,使透过的光最强。如看不到通过针孔的 光,可采用离焦法。使针孔沿z轴向远离焦点的位置移动几毫米后再观 察。这时针孔处于扩展的光场中,易于使光通过针孔,肉眼也便于观 察。如果无论如何也看不到针孔的光,就可能是针孔被灰尘堵塞,可用 吹气球把灰尘吹掉。
由频谱分析的原理我们知道,激光器发出的光束基本上是均匀的, 其频谱成分主要是基频(零频),经灰尘散射后所形成的斑点的频谱成 分主要是高频。从傅立叶光学关于空间滤波器的原理来分析,针孔滤波 器就是一个低通滤波器。细窄平行的激光束射到扩束镜后,在扩束镜的 后焦面上得到了频谱,将针孔滤波器放在后焦面(频谱面)上,并且仅 让零频通过针孔而挡住了散射光的频谱,这时由针孔出射的就是非常干 净的、均匀的光束。当针孔的中心准确地位于扩束镜后焦点时,针孔的 出射光强与入射光强几乎没有什么差别。实际调节针孔是一件非常耐心 细致的工作,需反复调节。
4. 调整扩束镜
(1) 准备工作:先把激光束调到合适的高度,并使光束与工作台面平 行。然后放上扩束镜。
Image
(a)激光束与扩束镜光轴重合 (b)激光束与扩束镜不同心 (c)激光束 与扩束镜方向不同
图 1‑2 扩束镜的光轴与激光束的光轴位置示意图
(2) 在扩束镜L1前放一中心带孔的光屏A,孔的直径约为3~5mm,让 激光束无遮挡的通过,在扩束镜后也放一光屏B。A、B两个光屏离扩束 镜约在5~10cm左右。
所有干涉类的实验,防震是最重要的要求,其次,根据光的时间相 干性,进行干涉的两束激光(或钠光)只能从一个光源分出(分振幅或 分波面),且两束光的光程差不能太大。两个同样的激光器会因为此而 不能进行干涉。
.2. 光学平台组件的工作原理及调试方法
本实验介绍光学系统主要部件的设计原理和基本调试方法,其中基 本技能的训练同样适用于其他光学实验。
(2) 光路转向系统:主要包括光束升降器及各种反光镜。光束升 降器能使激光束的高度提升及转向,有的光束升降器还带有 俯仰微调装置;反光镜的功能是使光路转向。这两类组件中 的光学元件都是外表面镀膜的反光镜。
(3) 分光系统:分光系统的功能是将一束激光按要求的比例分成 两束,是全息实验及其它有关实验中不可缺少的部件。分光 比 定义为
光学平台组件清单
序 号
型号
名称
1 DH-HNK250 氦氖内腔激光器
2 GCO-01M 空间滤波器
3
GCM085850M
Φ50.8 镜架
4
GCM081150M
Φ50.8 镜架
5 GCL-010212
双凸透镜Φ50.8 f150
6 GCL-010101
被测目镜 Φ6f9.8mm
GCM-
重要指标
数量
250mm;TEM00;2mW 1
图 1‑1 伽利略望远镜系统 1 激光器 2 扩束镜 3 针孔滤波器 4 准直透镜
3. 针孔滤波器
激光器发生的光束是高度相干的,即使遇到很小的灰尘,散射后的 光束也会产生干涉,形成很多斑点。扩束后这种斑点可以看得非常清 楚。对于全息图来说,这些斑点就是“噪声”,其存在将影响全息图的质 量。针孔滤波器的作用就是让所需要的光束从针孔中通过,而将经灰尘 散射后的光挡住。其基本原理如下:
调整好的扩束镜的光轴必须与激光束的光轴重合,如图 1‑2(a)所 示,即要求两者同位置同方向。这可借助于A和B两个光屏上的光斑来 判断是否达到了要求。可先调L1使屏上的光斑尽可能均匀、对称,可由 调节L1的横向坐标来实现。然后在屏上仔细找类似于牛顿环样的干涉圆
环。由于光很弱或是没有调整好,圆环出现在远离中心的地方如图 1‑2 (b)所示,甚至看不到圆环。
1
幻灯机组装
1
2
2
Φ40 加强铝
3
5
Φ25.4,450650nm
2
2
12
3
12
12
GCM-180201M
1
1
1
1
1
100x100x2
1
29 GCL-050003 偏振片
2
30 GCL-060624 1/4波片
1
31 GCL-060634 1/2波片
1
32 GCM-0902M 偏振片/波片架
6. 微调针孔最佳位置
当用肉眼观察到通过针孔的光较强时,即可用光屏观察。依次调节 x、y、z三个方向的微动机构,使屏上的光越来越强。由于越接近最佳 位置,越容易失调,稍有偏离,屏上的光就会完全消失,所以要尽量仔 细、轻微、缓慢的进行。x、y、z三个方向的平移微调钮,要一个一个 地调,不要两个一起调。三个调好之后要锁紧,使处于最佳位置。
实验目的 实验原理 实验步骤 思考题 1.3. 薄透镜焦距测量及透镜系统基点位置测量 1.3.1. 自准直法测焦距 1.3.2. 二次成像法(位移法)测焦距 1.3.3. 透镜系统基点测量 1.4. 显微镜与望远镜原理与应用 1.4.1. 显微镜搭建与光学系统分辨率检测 1.4.2. 望远系统的搭建和参数测量 1.5. 偏振光实验 实验目的 实验原理 实验器材 实验步骤
光学系统各部件除激光器外都安装在可调支架上,通过可调螺旋支 架能做上下、左右、前后的平动,及绕水平和垂直轴的小角度转动。
调节时手不要碰摸光学元件,不要对着光学元件呼气。各元件间的 布局要合理,不要影响调节。部件的底部都有一个磁性表座,调好后, 应将磁性表座锁紧在光学平台上。
2. 扩束准直系统的调节和使用
基本知识
光学实验仪器(如:分光计、迈克尔逊干涉仪、读数显微镜、棱镜 摄谱仪),可以用来做多种测试实验。分光计可以用于三棱镜的顶角角 度测量,某一波长的色散及色散曲线测量,光栅衍射及光谱观测,某透 明体的折射率测量。实验用光源有汞灯、钠灯或激光器。迈克尔逊干涉 仪可以用于未知激光波长的实验测量,微位移的测量,当用平行光入射 时,还可以进行面形变、气体折射率或温度场的实验观测。读数显微镜 以钠灯为光源可以进行微小尺寸、球面半径的测量,还可以进行固体热 胀系数、液体折射率等的测量。棱镜摄谱仪可以拍摄各种光源(复色 光)的光谱,还可以测量某一线状光的波长。
21 GCM-030302 76 套筒
22 GCM-030112 76支杆
23
GCM181101M
激光管夹持器
24
小磁座转接板
25
GCM560102M
狭缝
26 GCM-5701M 光阑
27 GCL-200101 毛玻璃
28 GCL-200202 白屏
1
显微镜组装
1
1
望远镜组装
1
幻灯机组装,双 棱镜干涉
(4) 扩束系统:通常是一个短焦距的透镜或透镜组(例如显微镜 的物镜),用以把细窄的激光束扩大,使之照明整个物体或 全息干板。扩束时,通常还需进行准直和空间滤波。
(5) 成象系统:主要是傅立叶透镜,是一个高质量消象差的透 镜。在一般系统中,用一对傅立叶透镜构成4F系统。在简单 系统中,一个傅立叶透镜兼变换及成象作用。
光学平台组件应用实验
实验内容: 第一次课 熟悉平台组件功能和光路调整,利用光学平台提供的组件完成光学实 验, 1.测薄凸透镜焦距 2.自组望远镜系统
3.平行光产生和检验
第二次课 利用光学平台提供的组件完成偏振光实验 1.偏振光的产生于检验 2.布儒斯特角测定 3.验证马吕斯定律 4.了解波片作用,研究圆偏光和椭偏光产生和检验
4
33 GCM-1101M 旋转台
1
34 GCM-0702M 棱镜架
1
35 GCI-060411 准直光检验器
2
36 GCI-060411 led光源白光
1
37 GCG-YP907 二维测量分划板
1
38
GCM081120M
分划板镜架
1
39
卷尺
1
40
双缝(多缝板) 杭光
1
41
干涉圆环是由扩束镜前后两曲面对入射光的部分反射,在屏上相干 涉形成的,仔细找到出现在屏上的圆环,然后慢慢调整扩束镜的两个旋 转微调,直到A、B二屏上的圆环中心与激光束重合为止。通常要反复 几次调平移微调及旋转微调才能达到。调好的圆环如图 1‑3(a)所示。
Image
Biblioteka Baidu
(a)已调准
(b)未调准
图 1‑3干涉圆环图样
含40X物镜,三种 规格针孔
1
2
3
双棱镜干涉
2
测目镜焦距
1
7 081106M Φ6 镜架
8 GCL-010215
显微物镜 Φ10 f15mm
9
GCM081110M
Φ10 镜架
10 GCL-010213
物镜Φ50.8 f250mm
11 GCL-010172
聚光镜Φ50.8 f50mm
12 GCL-010176
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