組合光學(xué)實驗報告

1、篇一 ： 組合光學(xué)組合光學(xué)光是一種自然現(xiàn)象. 有關(guān)光的研究學(xué)科稱為光學(xué). 習(xí)慣上光學(xué)分為幾何光學(xué)與物理光學(xué) . 物理光學(xué)中又分波動光學(xué)和量子光學(xué) . 在波動光學(xué)中以光的波動性為基礎(chǔ)研究光傳播的干涉 , 衍射 , 偏振等現(xiàn)象. 本實驗就是利用綜合光學(xué)實驗儀組合元器件, 完成波動光學(xué)中光的干涉和衍射幾個代表性實驗.實驗?zāi)康?. 觀察單縫夫瑯和費衍射現(xiàn)象 。2. 掌握單縫衍射相對光強的測量方法， 并求出單縫寬度。3. 觀察等厚干涉現(xiàn)象 。4. 學(xué)習(xí)測平凸透鏡的曲率半徑。實驗儀器he-ne 激光器 , 單縫 , 光軌 , 光具座 、 光電探測器、 數(shù)字式檢流計。牛頓環(huán)裝置， 鈉光燈 ， 改進(jìn)型讀數(shù)顯微

2、鏡。實驗原理一 、 夫瑯和費衍射光波的波振面受到阻礙時， 光繞過障礙物偏離直線而進(jìn)入幾何陰影區(qū) ， 并在屏幕上出現(xiàn)光強不均勻分布的現(xiàn)象叫做光的衍射。 衍射是波動光學(xué)的重要特征之一， 研究光的衍射不僅有助于進(jìn)一步加深對光的波動性的理解， 同時還有助于進(jìn)一步學(xué)習(xí)近代光學(xué)實驗技術(shù)，如光譜分析、 晶體結(jié)構(gòu)分析 、 全息照相 、 光信息處理等。 衍射使光強在空間重新分布， 利用硅光電池等光電器件測量光強的相對分布是一種常用的光強分布測量方法。衍射通常分為兩類： 一類是滿足衍射屏離光源或接收屏的距離為有限遠(yuǎn)的衍射， 稱為菲涅耳衍射； 另一類是滿足衍射屏與光源和接收屏的距離都是無限遠(yuǎn)的衍射 ， 也就是照射到

3、衍射屏上的入射光和離開衍射屏的衍射光都是平行光的衍射， 稱為夫瑯和費衍射 。 菲涅耳衍射解決具體問題時， 計算較為復(fù)雜。 而夫瑯和費衍射的特點是， 只用簡單的計算就可以得出準(zhǔn)確的結(jié)果。 在實驗中 ， 夫瑯和費衍射用兩個會聚透鏡就可以實現(xiàn)。 本實驗用激光器作光源， 由于激光器發(fā)散角小， 可以認(rèn)為是近似平行光照射在單縫上； 其次 ， 單縫寬度約為 0.1mm ， 單縫距接收屏如果大于1 米， 縫寬相對于縫到接收屏的距離足夠小 ， 大致滿足衍射光是平行光的要求， 也基本滿足了夫瑯和費衍射的條件。 物理學(xué)家菲涅耳假設(shè)： 波在傳播的過程中 ， 從同一波陣面上的各點發(fā)出的次波是相干波 ， 經(jīng)傳播而在空間某

4、點相遇時， 產(chǎn)生相干疊加， 這就是著名的惠更斯菲涅耳原理。如圖 1 所示 ， 單縫 ab 所在處的波陣面上各點發(fā)出的子波， 在空間某點 p 所引起光振動振幅的大小與面元面積成正比 ， 與面元到空間某點的距離成反比 ， 并且隨單縫平面法線與衍射光的夾角（衍射角&增大而減小，計算單縫所在處波陣面上各點發(fā)出的子波在p點引起光振動的總和 ， 就可以得到 p 點的光強度。 可見 ， 空間某點的光強， 本質(zhì)上是光波在該點振動的總強度。根據(jù)惠更斯-菲涅耳原理可以推出，當(dāng)入射光波長為入，單縫寬度為a時，單縫夫sin2u?asin? 瑯和費衍射的光強分布為 ： i?i0 （ 式子推導(dǎo)可參考物理教科書 ）

5、 （ 1 ）u?u2式中 io 為中央明紋中心處的光強度 ， u 為單縫邊緣光線與中心光線的相位差。根據(jù)上面的光強公式， 可得單縫衍射的特征如下：sin2u?1 ，i=io ，對應(yīng)最大光強，稱為中央主極（1）中央明紋，在6 =眥，u=0，2u大， 中央明紋寬度由 k=?1 的兩個暗條紋的衍射角所確定， 即中央亮條紋的角寬度為 ?2? 。 a（2） 暗紋，當(dāng)u=±k笈k=1 , 2，3即：?asin?/?k? 或 asin?k? 時有：i = °。且任何兩相鄰暗條紋間的衍射角的差值?a， 即暗條紋是以 p0 點為中心等間隔左右對稱分布的 。由上式可以看出 ， 當(dāng)光波長的波長一

6、定時 ， 縫寬 a愈小，衍射角6愈大，在屏上相鄰條紋的間隔也愈大，衍射效果愈顯著。反之，a愈大，各級條紋衍射角6愈小， 條紋向中央明紋靠攏。 a 無限大 ， 衍射現(xiàn)象消失。 （3） 次級明紋 ， 在兩相鄰暗紋間存在次級明紋 ， 它們的寬度是中央亮條紋寬度的一半 。 這些亮條紋的光強最大值稱為次極大。 由可得其角位置依次是：?1.432（）?0， d?a ， ?2.46?a ， ?3.47?a，把上述的值代入光強公式（ 1 ） 中 ， 可求得各級次明紋中心的強度為i?0.047i0，i?0.016i0，i?0.008i0，從上面特征可以看出 ， 各級明紋的光強隨著級次k 的增大而迅速減小， 而暗

7、紋的光強亦分布其間 。 單縫衍射圖樣的相對光強分布如圖 2 所示 。二 、 牛頓環(huán)干涉干涉也是波動光學(xué)的重要特征之一， 光的干涉現(xiàn)象在科學(xué)研究和工程技術(shù)上有著廣泛的應(yīng)用 ， “牛頓環(huán) ” 是一種分振幅法等厚干涉現(xiàn)象， 最早為牛頓所發(fā)現(xiàn)。 牛頓環(huán)干涉現(xiàn)象在光學(xué)加工中有著廣泛應(yīng)用 。 如測量透鏡的曲率半徑， 檢驗表面光潔度和平整度， 而且測量精度較高 。當(dāng)一個曲率半徑很大的平凸透鏡的凸面放在另一塊光學(xué)平板玻璃上即構(gòu)成了牛頓環(huán)裝置（ 圖 3a ） 。 這時 ， 在透鏡凸面和平板玻璃之間形成了一個空氣間隙層 ， 間隙層的厚度從中心接觸點到邊緣逐漸增加。 若有一束單色光垂直地入面反射的兩束光存在光程差，

8、 它們在平圖 3 牛頓環(huán)凸透鏡的凸面上相遇時就會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象， 由于光程差取決于空氣層的厚度， 所以厚度相同處呈現(xiàn)同一級干涉條紋， 故此種干涉稱為等厚干涉， 干涉條紋為以接觸點為中心的一系列明暗相間的同心圓環(huán)。 如圖 3b 所示 。如圖3a,在p點處的兩相干光的光程差為：s k?2dk?式中 ?2（ 2）?是因為光線在平面玻璃界面反射時所產(chǎn)生半波損失而帶來的附加光程差。2? 由干涉條件知 : 當(dāng)光程差滿足 ?k?2dk?（2k?1）k=0,1,2,3?（ 3）22時，出現(xiàn)暗條紋，由此可見，接觸點處dk=O,對應(yīng)的是零級暗條紋。當(dāng)光程差滿足?k?2dk?2?k?，k?1,2,?（4）時出現(xiàn)明條紋

9、， 由于一般測量時均使用暗條紋， 所以對亮條紋不再詳述 ?？諝忾g隙層厚度 dk 和透鏡凸面曲率半徑r 及干涉環(huán)暗條紋的半徑rk 之間有著簡單的2 幾何關(guān)系 ， 即 ： rk2?r2?（r?dk）2?2rdk?dk（ 5 ）因為 r>>d k ， 所以 dk2?2rdk ， 略去 dk2 項 ， 式 （ 3） 代入式 （ 5 ） 后 ， 得出暗條紋的半徑為 ：rk2?kr?, k=0,1,2,（6）由式（ 6） 可知 ， 如果單色光源的波長? 已知 ， 測出 k 級暗環(huán)的半徑rk ， 就可算出曲率半徑r ； 反之 ， 如果 r 已知 ， 測出 rk 后 ， 就可計算出

10、入射單色光源的波長? 。 但是用此測量關(guān)系式時往往誤差很大， 原因在于凸面和平面不可能是理想的點接觸； 接觸壓力會引起局部形變， 使接觸處成為一個圓面， 干涉中心為一暗斑， 而不是一個暗點 。 或者空氣間隙層中有了塵埃， 附加了光程差， 干涉環(huán)中心為一亮 （ 或暗 ） 斑 ， 這些原因均無法確定環(huán)的幾何中心。 所以比較準(zhǔn)確的方法是測量兩暗環(huán)的直徑來計算。由 （ 6 ） 式得第 k 級暗環(huán) ： dk2?4kr?（7）2 對于第k+m 暗環(huán) ： dk?m?4（k?m）r?（8）（8） 式減（ 7 ） 式得：22 dk? ?m?dk?4mr （9 ） 即可算出 r 或 。實驗內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理一、 單縫

11、夫瑯和費衍射1 .調(diào)整光路圖 4 是實驗裝置圖 （ 圖中沒有聚焦透鏡 ， 是因為激光束的平行度較好 , 光束的發(fā)散角很小, 故省去 ） 。 調(diào)整儀器同軸等高； 激光垂直照射在單縫平面上， 接收屏與單縫之間的距離大于1m。5. 觀察單縫衍射現(xiàn)象改變單縫寬度， 觀察衍射條紋的變化 ， 觀察各級明條紋的光強變化 。6. 測量衍射條紋的相對光強（1） 本實驗用硅光電池作為光電探測器件測量光的強度， 把光信號變成電信號， 再接入測量電路以測量光電信號。圖 4 衍射光強測試系統(tǒng)（2） 測量時 ， 從一側(cè)衍射條紋的第二個暗紋中心開始 ， 記下此時鼓輪讀數(shù)， 同方向轉(zhuǎn)動鼓輪， 中途不要改變轉(zhuǎn)動方向 。 每移動

12、 0.1mm ， 讀取一次檢流計讀數(shù) ， 一直測到另一側(cè)的第二個暗紋中心。7. 單縫寬度a 的測量由于l>1m， 因此衍射角很小， ?sin?xk ， 有: l?（10 ） 暗紋生成條件： asin?2k2asin?k?8. a?k?lk? （ 11 ） ?xk式中 l 是單縫到硅光電池之間的距離， xk 為不同級次暗條紋相對中央主極大之間的距離。 a是單縫的寬度。 要求求出單縫寬度 a ， 并表示成標(biāo)準(zhǔn)形式。數(shù)據(jù)記錄及處理1. 自己設(shè)計表格 ， 記錄數(shù)據(jù) ， 激光波長 =635nm 。2. 將所測得的 i 值做歸一化處理， 即將所測的數(shù)據(jù)對中央主極大取相對比值i/io （ 稱為

13、相對光強），在直角坐標(biāo)紙上描出i/io x曲線。（x為測量點到中央極大值點的距離）3. 由圖中找出各次極大的位置與相對光強， 分別與理論值進(jìn)行比較。4. 單縫寬度的測量， 從所描出的分布曲線上， 確定 k= ±1 ， ±2 ， ±3 時的暗紋位置xk ， 將xk 值與 l 值代入公式 （ 11 ） 中 ， 計算單縫寬度a ， 與實際值對比 ， 分析誤差原因 。二 、 牛頓環(huán)牛頓環(huán)的觀察與曲率半徑的測量光路調(diào)節(jié)的基本步驟如下:（ 實驗裝置如下圖 5 所示 ）1 。 在光具座上安上改進(jìn)型讀數(shù)顯微鏡 ， 牛頓環(huán)安裝在帶讀數(shù)的測量架上， 放上光軌 ， 鈉光燈置正前方 ，

14、調(diào)節(jié)同軸等高， 輕輕旋轉(zhuǎn) 45o 平面反射玻璃片 , 使鈉光燈發(fā)出的黃色光， 篇二 ： 基礎(chǔ)光學(xué)實驗實驗報告基礎(chǔ)光學(xué)驗姓名 ： 許學(xué)號 ： 2120903018 應(yīng)物 21 班 達(dá)一 實驗儀器基礎(chǔ)光學(xué)軌道系統(tǒng)， 基礎(chǔ)光學(xué)組合狹縫及偏振片 ， 紅光激光器及光圈支架， 光傳感器與轉(zhuǎn)動傳感器 ， 科學(xué)工作室 500 或 750 接口 ， datastudio 軟件系統(tǒng)2 實驗?zāi)康?. 通過該實驗讓學(xué)生了解并會運用實驗器材， 同時學(xué)會用計算機分析和處理實驗數(shù)據(jù)。2. 通過該實驗讓學(xué)生了解基本的光學(xué)現(xiàn)象 ， 并掌握其物理機制 。3 實驗原理單縫衍射：當(dāng)光通過單縫發(fā)生衍射，光強極小(暗點)的衍射圖案由下式

15、給出asin。=m入(m=1,2,3)，其中a是狹縫寬度，。為衍射角度，入是光波波長。雙縫干涉 ： 當(dāng)光通過兩個狹縫發(fā)生干涉， 從中央最大值( 亮點 ) 到單側(cè)某極大值的角度由下式給出 dsin 0 =m入(m=1,2,3 ，其中d是狹縫間距，°為從中心到第 m級最大的夾角，入是光波波長，m為級數(shù)。光的偏振：通過第一偏振器后偏振電場為e0,以一定的角度3穿過第二偏振器，則場強變化為e0cos 3 ,由于光強正比于場強的平方，則，第二偏振器透過的光強為i=i0cos2 3 .4 實驗內(nèi)容及過程單縫衍射單縫衍射光強分布圖如果設(shè)單縫與接收屏的距離為s,中央極強到光強極小點的距離為c,且si

16、ntan 0 =c/s那么可以推得a=sm入/c.又在此次實驗中，s=750mm,入=6.5e(-4)mm,那么推得當(dāng) m=2 時， c=(91-79)/2=6mm,當(dāng) m=3 時 ， c=(94-76)/2=9mm, 當(dāng) m=4 時 ， c=(96-74)/2=11mm,a=0.4875m/c, 又由圖可知 ： 當(dāng) m=1 時 ， c=(88-82)/2=3mm, 推得 a=0.1625mm;推得a=0.1625mm;推得a=0.1625mm;推得 a=0.1773mm; 得到 a 的平均值 0.1662mm, 誤差e=3.9% 。雙縫干涉 雙縫干涉光強分布圖雙縫間距如果設(shè)雙縫與接收屏的距離

17、為 s, 中央極強到單側(cè)極強點的距離為 c, 且么推得 d=0.4225m/c， 由圖可知當(dāng) m=2 時 ， c=(76-70)/2=3mm, 當(dāng) m=3 時 ， c=(78-68)/2=5mm, 當(dāng) m=4 時 ， c=(80-66)/2=7mm, 當(dāng) m=5 時， c=(81-65)/2=8mm, 由此推得雙縫間距d 的平均值sin 0 tan 0 =c/s,那么可以推得 d=sm入/c.又在此次實驗中，s=650mm,入=6.5e(-4)mm,那推得 d=0.2817mm;m=1 時 ， c=(75-72)/2=1.5mm推得d=0.2817mm;推得d=0.2535mm;推得d=0.2414mm;推得d=0.2641mm;0.2645mm, 誤差 e=5.8% 。雙縫寬度 如果設(shè)雙縫與接收屏的距離為 s, 主級包絡(luò)極大