光学平台26项实验

光学平台26项实验

一、自准法测凸透镜焦距

按图所示将磁力座靠紧平台钢尺，摆好实验装置，白炽灯源照亮小孔光栏透过小孔的光束照射到反射镜上，在小孔与反射镜之间放入待测透镜，然后沿钢尺移动透镜，在小孔板接近小孔的地方看到清晰的小孔像，此时透镜到小孔屏之间的距离即为透镜的焦距，（可从尺上直接读取）。

图

1.白炽灯

2.小孔光栏

3.凸透镜

4.二维调整架

5.反射镜

6.二维反射镜调整架

7.二维平移台

8.三维平移台

9.一维平移台

二、两次成像法测凸透镜焦距

实物经正的薄透镜成一实像，物和像之间的距离必须不小于透镜到四倍焦距。当满足此条件时，在物和屏之间透镜可两个位置，但其在位置A 处时，屏上出现放大的三孔屏的像，当透镜在B 位置时屏上将出现缩小的像。调整好光路，使物屏和黑白屏间的距离大于四倍的焦距。放入待测透镜先找到靠近物屏处的放大的实像，记下物屏到黑白屏之间的距离D 及放大像时透镜的位置。然后移动透镜直到出现清晰的缩小的实像，记下此时透镜的位置量出AB 间距离d 由公式

D

d D f 422-= 即可求出透镜的焦距。

图

1.白炽灯源

2.物屏（三孔屏）

3.凸透镜

4.二维透镜夹

5.黑白屏

6.一维座

7.二维座

三、凹透镜焦距的测定

按自准法调出白炽灯平行光，即在较远处看到一灯丝的像，此时接近平行光，将凸透镜2作为辅助透镜（焦距F1位已知），与待测凹透镜3贴在一起合成组合透镜（可以认为两镜间的距离为0）这样可以把组合透镜看成一薄凸透镜，在屏上可得一实像此实像位置即为组合透镜的焦距面F2，测出组合透镜的焦距f 实际上是凹透镜3的像距，其物距为凸透镜的焦距f1（已知）。 由物像关系公式：

'

2

1'1

'11f f f =- 因此

'

1'

1''2

'f

f f f f -=

即可求出凹透镜的焦距。

图

1.白炽灯源

2.凸透镜

3.凹透镜

4.二维透镜夹

5.黑白屏

6.一维座

7.三维座

四、由物像关系放大率侧目镜焦距

按图调整好光路，在测微目镜中能清楚地看到微尺的像，并测量微尺像的高度，以微尺高度为物高，像高/物高=像距/物距，测出物距，根据上式即可求出目镜的焦距。

图

1.白炽灯源

2.微尺（10：100）

3. 二维三爪镜架

4.待测目镜

5. 二维镜夹

6.测微目镜架

7.测微目镜

8.三维座

9.一维座

五、组装显微镜并粗测其放大率

显微镜的成像原理

显微镜的光学系统如图L1为显微物镜，L2为显微镜的目镜L1的焦距很短（如100倍的物镜焦距只有1-2毫米）。它的作用是将小物体AB 放大成实像''B A ,此实像''B A 作为目镜L2的物，通过L2在明视距离（一般为So-25厘米）处成一放大的虚像''''B A 。 虚像''''B A 成为眼睛这一光学系统的物，它在视网膜上成的像，

就是眼睛通过显微镜对物AB 所获的最后的像。这个像对瞳孔的张角较放在离眼为So 的物体AB 对瞳孔的张角大许多倍。为提高放大率，实像''B A 应成目镜L2的第一焦点以内的焦深范围里。图中代表镜筒长度，通常显微镜用标准筒长，其长度I=16厘米，A 代表物镜第二焦点F1到F2的距离，叫做光学间隔。因为是固定的，为使成像清晰，在使用显微镜时，只能调节物体到物镜的距离。

1.从两块焦距不同的凸透镜中选一块作物镜，另一块作目镜限定筒长（约为16厘米），调正两透镜是它们的光轴在同一直线上。

2.在物镜前放置被观察的小物体2（微尺）使其在两透镜的光轴上，移动被观察物（微尺）直到眼睛从目镜观察到清晰放大的虚像，记下物与物镜间距离，在眼睛位置放上毫米刻尺，使像成在刻尺上，看到微尺在刻尺上的大小可测出其放大率。

图

1.白炽灯源

2.微尺（10：100）

3. 二维三爪镜架

4.物镜（f=50mm ）

5. 二维镜夹

6.目镜（f=30mm ）

7.毫米刻尺（30mm 左右）

8.干板夹

9.一维座 10.三维座

六、组装简单望远镜

将准直物镜（含胶合透镜）做物镜，另一片凸透镜做目镜，调整两镜片同轴，前方在不同距离处放标尺，调正两镜片间的间隔将能看清标尺的像。当改变两镜间的距离时望远系统的倍率放生着变化。另外将准直物镜换上一般的凸透镜，将

看到标尺的像的质量会发生变化，可作比较。

图

1.标尺（或远方景物）

2.凸透镜（含胶合透镜较好）

3.光镜二维架（三爪夹）

4.目镜（f=50）

七、组装带正像棱镜的望远镜

将六系统中在适当位置加正像棱镜，由于加入正像棱镜光路将缩短可将标尺改为物屏在平台上即可完成实验。

图

1.白炽灯源

2.物屏（三孔屏）

3. 物镜（双胶合）

4. 二维镜夹

5. 正像棱镜

6. 棱镜座

7.目镜

8. 三维镜夹

9.二维座

10.一维座 11. 三维座

八、自装投影仪

按图将光路组装好，调正白炽灯的聚光镜均匀照亮幻灯片移动投映物镜，在屏上显现清晰的幻灯片图像，通过更换物镜用两片组合或3片组合可观察到屏像的清晰度的变化。从而了解投影物镜的规律。

图

1.白炽灯

2.幻灯片

3.干板夹

4.放映物镜（f=200）

5.二维镜夹

6.黑白屏

7.一维座

8.二维座

九、透镜节点的测定

根据透镜节点的性质是通过物方节点的光线，其共轭光线必然通过像方节点，并与入射光线平行。

先用自准法分别测定两种透镜组的焦点位置，并测出焦距后去掉小孔屏2和反射镜6，调正好白炽灯聚光镜使其发出平行光，用平行光照射透镜组，当一束平行光照射到定心夹上的透镜3，此时若透镜的后节点刚好与测节点器的转轴重合，整体转动测节器组时，透镜所成像位置始终不变。此时在测量器尺上直接读取节点位置数值。

图

1.白炽灯

2.小孔屏

3.透镜（f=100）

4.测节器

5.镜夹（透镜f=150）

6.平面发射镜

7.黑白屏

8.一维座

9.二维座

十、单缝的夫琅和费衍射

夫琅和费衍射是指平行光的衍射，即光源和接收屏幕到狭缝的距离都是无限远（或相当于无限远）。在实验中常常借助于正透镜来实现，从光源S出发经透形成的平行光束垂直照射到狭缝AB上（缝宽为a），根据惠更斯-菲涅耳原镜L

1

的后焦面上叠加形成理，狭缝上各点都可看成是发射子波的新波源，子波在L

2

一组明暗的条纹，中间条纹最亮亦最宽。

实验中以He-Ne激光器作为光源，由于激光束具有良好的方向性，平行度很高，因而可以省去直准透镜L

，并且，若使观察屏远离狭缝，缝的宽度远远小于

1

缝到屏的距离（即满足远场条件），则透镜L

可以省略。简化后的光路如图。实

2

验证明，当Z 约等于100cm时，a约等于8*3

10 m时便可得到比较满意的衍射花样。

图1

1.钠光灯

2.狭缝

3.干板架

4.二维镜架

5.狭缝

6.二维镜架（f=200）

7.测微目镜及支架 8.三维座 9.二维座 10.一维座

图2

图3

光强分布曲线如下图所示。

图3

单缝衍射光强分布曲线

十一、双缝、单缝衍射

将单缝AB 换成双缝，每条缝的宽度仍为a,中间间隔宽度为b 的不透明部分，则两缝的间距为d=a+b,分布为：

νββ

22

20

0cos sin 4I I =

式中，

λθπβsin a = ， λ

θπνsin d =

表明，双缝衍射图样的光强分布由两个因子决定。其一是

2

2sin β

β

，即单缝夫琅和

费衍射图样的光强分布；其二是ν20cos 4I ，它表示光强同为I 0而相位差2v 的两光束所产生的干涉图样的光强分布。因此双缝的夫琅和费衍射图样是单缝衍射和

双缝干涉这两个因素联合作用的结果。

图1

1.钠光灯

2.聚光灯（f=50）

3.可调狭缝

4.干板夹

5.二维夹持架

6.多缝板

7.测微目镜架

8.测微目镜

9.三维座 10.一维座

由前公式可得出

（1）只要这两个因子中有一个为零，则光强为零。就第一个因子2

2sin β

β

而言，

光强为零的条件是πλ

θ

πβk a ==

sin 即 λθk a =sin (k= ,3,2,1±±±)

就第二个因子ν20cos 4I 而言，光强为零的条件是

πλθπν)2

1

(sin -±==

m d 即 λθ)2

1

(sin -±=m d （m=1,2,3……）

(2)出现双缝干涉光强其大致的条件是

λλ

θπνn d ==sin

即 λθn d =sin ),3,2,1,0( ±±±=n

(3)当λθn d =sin 确定的干涉极大正好与由λθk a =sin 确定的衍射极小的位置重合时，那么第n 级干涉极大将不会出现，这称为缺级。即当

时发生缺级，例如d/a=3,则缺少 ,9,6,3±±±各级，其光强分布曲线如图

图

十二、夫琅和费圆孔衍射

原理及实验均参照夫琅和费单缝衍射

图

1.钠光灯（a处加一小光栏1

）2.衍射孔0.45毫米 3.透镜及支架4.测微目镜及支架

十三、菲涅耳圆孔衍射

图

1.激光器及支架

2.扩束镜及支架

3.小孔板（ 1.5）及支架

4.黑白屏

5.一维座（6、8） 7.二维座

十四、菲涅耳直边衍射现象的观察

图

1.激光器及支架

2.扩束镜及支架

3.刀片及干板架

4.黑白屏

5.一维座（6、8）

6.二维座

十五、双棱镜法则测激光波长

用双棱镜分波前的方法产生双光束干涉实验是菲涅耳等人当年为研究验证光的波动性质所设计的。实验装置如图所示。单色光源M发出的光经凸透镜L 汇聚在狭缝S上，被照亮的单缝成为一线状光源，由它发出的光经双棱镜B折射

形成两束如同从虚光源S

1和S

2

发出的光一样，满足干涉条件。将屏放在两束光

束重叠区域内可看到与缝平行的干涉条纹，并且屏上任一点处的亮暗只决定于两

光波到达该点的光程差。当光程差为波长的整数倍时出明条纹，当光程差为波长的奇数倍时形成暗条纹。

图

设S 1和S 2之间距为d ，其所在垂直轴平面至屏的距离为D ，（一般认为S 1，S ，S 2处在同一垂直轴面内），两相邻的亮条纹（或暗条纹）之间的距离为y ?，单色光波长为λ ，根据干涉理论，当D 〉〉d 时，可得条纹宽度表达式为

d

D λ=?y

实验中只要测出d,D,y ?,各量，有上式即可求出波长λ。当采用激光器作实验时，光路如图所示。因激光光束平行度高，方向性好，汇聚点S 为一良好的点光源。由双棱镜B 折射造就的两束光源S 1和S 2发出的光在屏（可用墙壁）上叠加形成与双棱镜棱脊平行的干涉条纹。

图

1.激光器及支架

2.扩束镜及支架

3.可调狭缝

4.菲涅耳双棱镜

5.干板夹

6.测微目镜及架

7.三维座

8.一维座

9.二维座 实验步骤

1.按照“光学调整技术”中所描述方法调节激光束平行于导轨。

2.依次放置L ，B 并调节各元件共轴，改变B 位置观察屏上条纹的疏密变化。

3.在双棱镜B 后放置成像透镜L 0并调节共轴，观察屏上两虚光源所成像点（此时两像点应以极细的亮线连接），适当选择双棱镜位置，使得两像点间距离与可测部分的条纹总宽度相当。

4.测出N 条干涉条纹的总宽度W ，计算出条纹间隔y ?。

5.测出两像点距离d ’。

6.测出L 0至屏的距离（即像距）||ν。

7.计算L 0成像的放大率：f f /)|(|-=νβ。

8.计算两虚光源间隔：β/'d d =。

9.计算物距：βν/||||=u 。

10.计算激光波长：|)||/(|/u v y d D y d +?=?=λ。 11.重复测量5次，计算测量结果的相对误差。

十六、菲涅耳双棱镜干涉

实验原理方法如前项。

1.钠光灯

2.透镜及架

3.可调狭缝组

4.菲涅耳双棱镜及架

5.干板架

6.测微目镜及架

7.三维座

8.一维座

9.二维座

十七、菲涅耳双镜干涉

与菲涅耳双棱镜干涉实验类同。

1.钠光灯

2.小孔光栏

3. 透镜及支架

4. 可调狭缝组

5.双镜及支架

6.测微目镜及架

7.三维座

8.一维座

9.二维座

十八、牛顿环试验

1.牛顿环

2.光栅座

3.半反射透镜及架

4.测微读数显微镜架

5.钠光灯

十九、平面衍射光栅常数的测量

1.汞灯

2.透镜(f=50)

3.可调狭缝

4.透镜（f=150）

5.二维架

6.光栅

7.透镜（f=200） 8测微目镜及架

常用的衍射光栅分透射式和反射式两种。透射式光栅是用金刚石刀在平面玻璃板上刻划制成的，反射式光栅是在硬质合金上刻划而成的。由于光栅缝的刻划条数多，精度高，加工困难，故原刻划光栅昂贵。实验室中多用复制光栅或全息光栅。如图所示，一理想的透射式平面光栅可视作是相互平行、等宽、等间距均匀排列的许多狭缝。设光栅缝宽慰a ，相邻两峰间不透光的部分为b ，两者之和记作d ，称为光栅常数，根据夫琅和费衍射理论，一束平行光垂直地入射到平面透射光栅上经各缝衍射后向各方向传播，凡衍射角适合条件

λθk d =sin ,2,1,0±±=k 6-12-1

的光经透镜汇聚在焦平面上将相互加强，形成亮条纹（即光谱线）。其它方向的光将相互抵消形成暗区。6-12-1式称作平行光垂直入射时的光栅方程。式中的θ 为衍射角，λ为光波波长,k 为光谱线级数（取整数）。当k=0时，θ =0，各种波长的光均满足（6-12-1）式，重合在一起形成零级光谱。K 不为零时，不同波长的光对应不同的衍射角θ，光谱线便按波长（或衍射角）由小到大展开。级次相同的正负级谱线对称的分布在零级谱线两侧。根据6-12-1式，只要实验测出某级谱线的衍射角θ，当光栅常数d 和谱线波长λ 中的一个量为已知时，另一个量即可求得。

当平行光以入射角i 射向光栅时，根据相邻两光束光程差计算，此时光栅方程为

λθk i d =±)sin (sin ,3,2,1,0±±±=k

若入射光与衍射光在光栅面法线的同侧，上式中取（+）号，反之取（-）号。

光栅特性常用“色散率”与“分辨率”表示。色散率表示不同波长谱线分开当程度。微分6-12-1式可得色散率Di 的表达式为

θλθcos //k d d Di ==

分辨率表示能分开相邻两谱线的能力，把刚好可被分开的两谱线的平均波长 除以波长差 定义为分辨率，用R 表示，则， λλ?=/_

R

根据瑞利判据，由光栅方程也可以得到光栅的分辨率为

kN R =

式中N 为光栅狭缝总条数。

二十、组装单色仪

单色仪：是在成像平面（L 2的焦平面）上装上一个出射狭缝S 2，允许通过S 2的出射光谱只有一个较小的波长间隔λ?的一种光谱器。

棱镜位置的偏转，而是使各种不同的单色平行光通过L 2聚焦于出射狭缝S 2

的中心出射而获取某一波长的单色光。

1.低压汞灯

2.聚光灯

3.可调狭缝

4.准直物镜

5.色散棱镜

6.狭缝

7.读数显微镜

图

入射狭缝S 1在准直透镜L 的焦面上，由S 1入射到单色仪的复色光，经L 后成为平行光束，经分光棱镜P 后，分成多束单色光，S 2位于L 的焦平面上，由P 折射出来的某束单色光入射到L 后聚焦于出射狭缝S 2处出射，从而获得单色光。

二十一、偏振光演示与分析实验

1.白炽灯

2.绿色片

3.偏振片及框架（360度旋转）

4.检偏器（360度旋转）

5.毛玻璃屏及干板架

6.一维座

7.三位座

实验时调整好各器件在同一条直线上，先放一个偏振片3，然后旋转偏振片作360度旋转，屏上光强的变化。再把偏振片4放入，使偏振片3（起偏器）固定在0度不动，然后旋转偏振片4（检偏器），通过观察屏上的变化来分析偏振现象。

二十二、观察偏振光

S-光源 M-黑色反光镜 A-检偏器 F-投影屏

（一）反射引起的偏振

1.观察反射引起的偏振现象及偏振方向

2.布儒斯特定律演示

操作方法：

1.在仪器工作台面上插上照明灯和投影屏。

2按上反射镜架和检偏器。使光栏圆孔像移至投影屏上。

3.调整M和E成大致57度位置，调整照明灯光轴和M大致成33度方位上。

4.照明灯点亮后，即可在屏E上看到偏振光象。转动A时E上的光强明暗变化。当转至光强最暗位置，此时，偏振光振动方向和A偏振面一致。此时，光线在M ，即布儒斯特角。

上入射角I

b

（二）折射引起的偏振

图

S-光源 G-玻璃堆 A-检偏器 E-投影屏

1.观察折射引起的偏振及震动方向。

2.随光线入射角度变化，偏振光强改变（演示布儒斯特定律）。

操作方法：

1.将照明灯座插入光轴和导轨平行位置。

2.取下M，换上G。

3. 调整G 和 E，大致成57度。

4.转动A可观察到光强明暗变化。转至光强最暗位置时，偏振光振动方向和A 偏振面一致，此时的入射角即布儒斯特角。

5.从A上刻度值可比较振动面和图1中反射面振动方向是相互垂直的。

二十三、偏振状态实验

（一）偏振状态

1.观察线偏振光，验证马吕斯定律

2.演示椭圆偏振，圆偏振，线偏振之间的转化

S-光源 P- 起偏器 A-检偏器 M-波片

操作方法：

1.按图4装置，转动P，A，使E上光强最暗，此时记为起始值（），转动A成α角，光强增加，旋至光强最大。在360度范围内E上光强有二次最强和最暗，按马吕斯定律变化。

2.加入1/4波片，使其光轴和P振动面成45度时，由线偏振光变圆偏振光，转动检偏器时，E上光强几乎不变。若不是45度放置，则成为椭圆偏振光。

3.移动1/4波片加入1/2波片，波片光轴与P振动面成45度放置，光线为线偏振，转动检偏器A，调至最暗位置，移动波片后可看到振动面旋转90度，一般规律是波片与光轴与偏振片成α角安置时，则2α方向有线偏振光。

（二）光侧弹性（人工双折射）压缩产生双折射

S-光源（旋掉光栏及它前面的部分） P-起偏器 A-检偏器

B-光侧弹性架 G-聚光镜 E-投影屏

操作方法：

1.按图5装置，转动P和A调成全暗，再放入试样并压缩，试样光强变化。

,投影在屏上2.移去E，用肉眼观察以上两个等色线花纹，也可以另加聚光镜C

1

观察。

二十四、全息实验

（一）全息照相实验

实验操作参照我公司全息实验台（JQ-3型）使用说明书，选择适当的三维二维工作台。

图

全息照相原理图

（二）彩虹全息

彩虹全息实验原理图

彩虹全息是用激光记录，自光照明再现单色像的一种新的全息技术。它的原理与像面全息的原理基本相同，它的特点是在记录光路中的适当位置加入一个狭缝限制，再现像光波，以降低绿色模糊，因而能用白光再现。

（三）迈克耳逊干涉

可作干涉条纹现象演示，做全息照相，拍照环境的监测将有助全息实验的成功率，保证全息的质量，一般控制在4条/分钟干涉条纹的变化，即可达到拍照的条件。尤其在制作全息光栅实验时更为必要。

迈克耳逊干涉原理图

二十五、阿贝尔成像原理和空间滤波

实验原理

1873年，德国人阿贝在研究如何提高显微镜的分辨率时，提出了关于相干成像的一种新理论。他把相干成像过程分为两步，第一步：如射到物平面上的平行光经透明物体衍射，衍射光通过成像透镜后，在透镜的像方焦面上形成物体的