光學(xué)實(shí)驗(yàn)主要儀器光路調(diào)整與技巧

1、實(shí)驗(yàn)1 光學(xué)實(shí)驗(yàn)主要儀器、光路調(diào)整與技巧引言 不論光學(xué)系統(tǒng)如何復(fù)雜，精密，它們都是由一些通用性很強(qiáng)的光學(xué)元器件組成，因此掌握一些常用的光學(xué)元器件的結(jié)構(gòu)和性能，特點(diǎn)和使用方法，對(duì)安排試驗(yàn)光路系統(tǒng)時(shí)正確的選擇光學(xué)元器件，正確的使用光學(xué)元器件有重要的作用實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆展鈱W(xué)專業(yè)基本元件的功能；調(diào)整光路，主要包括共軸調(diào)節(jié)、調(diào)平行光和針孔濾波。基本原理(一)、光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器概述:主要含：激光光源，光學(xué)元件，觀察屏或信息記錄介質(zhì)1. 激光光源;激光器即Laser(Light Amplification by stimulated emission of radiation)，原意是利用受激輻射實(shí)現(xiàn)光的放大然而實(shí)

2、際上的激光器,一般不是放大器,而是振蕩器,即利用受激輻射實(shí)現(xiàn)光的振蕩,或產(chǎn)生相干光。標(biāo)有安培表和電壓表激光器示意圖（HeNe激光）.激光的特性:(1)高度的相干性(2)光束按高斯分布激光器的分類:(1)氣體激光器He-Ne激光器,Ar離子激光器(2)液體激光器染料激光器(3)固體激光器半導(dǎo)體激光器,紅寶石激光器本套實(shí)驗(yàn)方案的選擇的激光器是氣體型He-Ne內(nèi)腔式激光器,波長為632.8nm的紅光，功率2mW。個(gè)別實(shí)驗(yàn)中還會(huì)用到白光點(diǎn)光源。2、用于光學(xué)實(shí)驗(yàn)的元件一般包括：防震平臺(tái)、分束鏡、擴(kuò)束鏡、準(zhǔn)直鏡、反射鏡、成像透鏡、傅立葉變換透鏡、多自由度微調(diào)器、可變光欄、觀察屏等部件。如果是全息實(shí)驗(yàn)還需要

3、快門、干版架、自動(dòng)曝光和顯定影定時(shí)器、記錄干版等。（本實(shí)驗(yàn)方案中，擴(kuò)束鏡采用針孔空間濾波器，準(zhǔn)直鏡、成像透鏡、傅立葉變換透鏡均采用雙凸透鏡）防震平臺(tái) 光學(xué)實(shí)驗(yàn)需要一個(gè)穩(wěn)定的工作平臺(tái)。特別是對(duì)于全息圖制作實(shí)驗(yàn)，由于是參考波和物光波干涉條紋的記錄，如果在曝光過程中因?yàn)檎駝?dòng)導(dǎo)致兩光波有變化，就要影響干涉條紋的調(diào)制度。通常要求該光波的振動(dòng)變化小于十分之一波長。影響穩(wěn)定性的因素有震動(dòng)、空氣流和熱變化等。震動(dòng)的主要影響來自地基的震動(dòng)，如果記錄系統(tǒng)部件的機(jī)構(gòu)有松動(dòng)就會(huì)把震動(dòng)放大，所以必須對(duì)工作臺(tái)采取減震措施。專用全息氣浮工作臺(tái)是最好的減震臺(tái)。簡(jiǎn)單的減震方法可用砂箱、微塑料、氣墊（用汽車、飛機(jī)輪子的內(nèi)胎）和重

4、10002000kg的鑄鐵或花崗巖，并應(yīng)安裝一個(gè)隔離罩。如果不用隔離罩，記錄全息圖時(shí)室內(nèi)不要通風(fēng)，工作人員不要大聲講話和距工作臺(tái)遠(yuǎn)一些。光學(xué)元件分束鏡: 分束鏡是光學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的一個(gè)重要元件，它的作用是將激光束分為兩束，在干涉儀系統(tǒng)組裝的實(shí)驗(yàn)中可產(chǎn)生兩束有一定夾角的相干波，在全息制作實(shí)驗(yàn)中可產(chǎn)生參考光和物體的物光光波。分束鏡一般是在玻璃板上鍍干涉膜。干涉膜有兩種：多層介質(zhì)膜和金屬膜。分光比可以連續(xù)變化或分段變化。擴(kuò)束器(擴(kuò)束鏡): 因激光束的發(fā)散角很小，需要用一個(gè)擴(kuò)束鏡以加大光束的發(fā)散角。通?？捎?0倍、40倍的顯微物鏡或焦距很短的單片正透鏡或負(fù)透鏡。本實(shí)驗(yàn)方案中，擴(kuò)束鏡采用針孔空間濾波器。雙凸

5、透鏡: 準(zhǔn)直鏡、成像透鏡、傅立葉變換透鏡之功能均可使用不同內(nèi)徑和焦距的雙凸透鏡來實(shí)現(xiàn)。為了提高光的透射率，透鏡面要鍍?cè)鐾改?。在選用透鏡時(shí)，要選用沒有缺陷和污臟的透鏡.(因?yàn)樗鼈儠?huì)使觀察或記錄圖像產(chǎn)生噪聲)反射鏡: 當(dāng)光入射到普通反射鏡的玻璃基版上時(shí)，要先經(jīng)過折射再反射，反射光的損失很大。同時(shí)玻璃片基的兩面會(huì)因多次反射引入雜散光。所以光學(xué)實(shí)驗(yàn)需用表面平整度高和涂有多層反射膜的高反射率反射鏡。其它: 還有一些輔助元件：如多自由度微調(diào)器，可三維控制鏡架或者濾波器的位置和方向；可變光闌包括可調(diào)的狹縫和圓孔光闌、觀察屏可用白紙或白屏；電子計(jì)時(shí)器用來控制曝光時(shí)間等。3、光學(xué)信息的記錄介質(zhì)主要用在全息類實(shí)驗(yàn)

6、中。包括兩大類,一類銀鹽感光材料，另一類非銀鹽感光材料，其中非銀鹽感光材料又包括，重鉻酸鹽明膠、光致聚合物等材料。銀鹽感光材料靈敏度高，但是衍射效率低。非銀鹽感光材料響應(yīng)速度快，能及時(shí)的記錄和顯示，材料分辨率高，有些材料能多次反復(fù)使用，不用貴金銀，免除了暗室的顯影定影操作，加工過程簡(jiǎn)便快速，但靈敏度低。它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，而且不同的非銀鹽感光材料的性能也是不一樣的。(二)、共軸調(diào)節(jié)：光學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常要遇到用一個(gè)或多個(gè)透鏡成像，為了獲得較好的像，必須使各個(gè)透鏡的主光軸重合（即共軸），并使物體位于透鏡的主光軸附近。另外，為了最大限度利用激光擴(kuò)束后的面光源，所有透鏡的主軸都需要大致通過光斑中心，才能獲得清

7、晰的像。共軸調(diào)節(jié)使物、屏的中心處在透鏡光軸上，并使各光學(xué)元件共軸，達(dá)到共軸能保證近軸光線的條件成立。一般分為兩步進(jìn)行，第一步粗調(diào)，即用眼睛觀察，使物、屏與透鏡中心大致在一條直線上；粗調(diào)方法如下：通過前后移動(dòng)白屏的方法先使激光光束與臺(tái)面平行，再將透明物、擴(kuò)束鏡、雙凸透鏡依次擺好，調(diào)節(jié)它們的取向和高低左右位置，憑眼睛觀察，再讓光斑、物、鏡的幾何中心處在一條直線上，這樣便使鏡的主光軸與平臺(tái)面平行且共軸，光斑也最大限度得到利用。圖示過程為：調(diào)節(jié)透鏡桿的高度，使得光斑中心與透鏡架上的中心小圓孔在同一高度。第二步細(xì)調(diào)，即移動(dòng)透鏡，當(dāng)兩次成像中心重合即達(dá)到共軸，若不重合，須視情況，針對(duì)性地調(diào)節(jié)各光學(xué)元件，直

8、至兩次成像的中心重合。如果系統(tǒng)有兩個(gè)以上的透鏡，先加入一個(gè)透鏡調(diào)節(jié)共軸，然后再依次加入透鏡，使每次所加透鏡都與原系統(tǒng)共軸。反射鏡的調(diào)節(jié)方法類似。(三)、調(diào)節(jié)平行光：調(diào)整擴(kuò)束鏡，準(zhǔn)直鏡共軸，激光擴(kuò)束鏡準(zhǔn)直鏡粗調(diào)，把準(zhǔn)直鏡放到一定位置使擴(kuò)束鏡處于準(zhǔn)直鏡的前焦面上，然后在準(zhǔn)直鏡后放一擋板，不斷前后縱向移動(dòng)擋板，觀察擋板上圓形光斑的到大小是不是發(fā)生變化，如果發(fā)生變化，就再前后移動(dòng)準(zhǔn)直鏡的位置，再前后移動(dòng)擋板，觀察圓形光斑的大小，如果變化，重復(fù)以上工作，直到光斑大小不發(fā)生變化位置，完成粗調(diào)。在調(diào)節(jié)中要注意光斑變化的和準(zhǔn)直鏡移動(dòng)方向的關(guān)系，從而很快達(dá)到粗調(diào)的效果準(zhǔn)直鏡激光擴(kuò)束鏡擋板細(xì)調(diào)1，如有條件，可以選

9、用平晶進(jìn)行細(xì)調(diào)。把平晶放到準(zhǔn)直鏡后，使光線反射到擋板上，可以觀察到干涉條紋。激光擴(kuò)束鏡準(zhǔn)直鏡平晶擋板擋板（條紋變化，使之越來越少）細(xì)調(diào)2，左右微移動(dòng)準(zhǔn)直鏡，觀察擋板條紋的變化，找出規(guī)律，并使條紋的數(shù)目減少，最后在擋板上只剩下，一條或半條條紋，這時(shí)從準(zhǔn)直鏡出來的光線就是平行光。 激光擴(kuò)束鏡準(zhǔn)直鏡平晶微移動(dòng)真空濾波器的調(diào)節(jié)：（1） 首先在激光的前面一定距離放一光屏，在激光打在屏上的一點(diǎn)做記號(hào)，并且固定光屏， （2） 然后把針孔濾波器的針孔拿出，使針孔面朝上，不要接觸桌面或工作臺(tái)。（3） 將針孔濾波器至于激光和光屏之間，調(diào)整針孔濾波器的高度使之與激光同高，這時(shí)就會(huì)在光屏上出現(xiàn)一個(gè)亮度均勻的圓光斑，并

10、且光斑的中心與我們光屏上做的記號(hào)重合。（4） 然后把針孔放到濾波器上，先稍許移動(dòng)垂直和左右方向的調(diào)節(jié)手輪，直接觀察針孔小眼，使針孔處小亮點(diǎn)最亮；再調(diào)節(jié)前后方向的手輪，使得物鏡不斷靠近針孔。（5） 待有光斑出現(xiàn)后，不斷重復(fù)第4步，使光斑的亮度逐漸增加，在光屏上觀察到同心的亮暗衍射環(huán)。（6） 最后再沿三個(gè)方向微調(diào)，使中央亮斑半徑不斷擴(kuò)大，亮度逐漸增加，直至最亮最均勻?yàn)橹?。儀器用具盡量將本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所提供的所有光學(xué)、光電、機(jī)械調(diào)整元件的功能和使用方法都熟悉。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（1）主要光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的分辨（2）進(jìn)行共軸調(diào)節(jié)、調(diào)平行光附錄：光學(xué)成像的基本概念與完善成像條件一、 光學(xué)系統(tǒng)與完善成像的概念1、光學(xué)系統(tǒng)

11、：由一系列的光學(xué)元件所構(gòu)成的系統(tǒng)。這里所說的光學(xué)元件可以是透鏡、反射鏡、棱鏡等。光學(xué)系統(tǒng)又分為：共軸光學(xué)系統(tǒng)及非共軸光學(xué)系統(tǒng)2、完善成像：像與物體只有大小的變化沒有形狀的改變（物與像是完全相似的）。二、 完善成像的條件入射為球面波，出射也為球面波（入射為同心光束，出射也為同心光束）。三、 物、像的虛實(shí)物有虛實(shí)之分，像也有虛實(shí)之分。物：發(fā)出入射光波的。 像：由出射光波形成的。1、實(shí)物、實(shí)像：由實(shí)際光線相交而成的就稱為實(shí)；2、虛物、虛像：由實(shí)際光線的延長線相交而成的。實(shí)象可由人眼或接收器（屏幕、CCD、底片、光電倍增管等）所接收；虛像不可以被接收器所接收，但是卻可以被人眼所觀察。3、物空間、像空間

12、物所在的空間稱為物空間；像所在的空間叫像空間。無論是物空間還是像空間都是無限延伸的，不能機(jī)械的以左右劃分。思考題：1、 為什么打在白屏上的光斑會(huì)出現(xiàn)麻麻點(diǎn)點(diǎn)？2、 未加針孔前出現(xiàn)衍射斑，為什么？3、 未加針孔前，白屏上為什么出現(xiàn)一亮點(diǎn)？4、 調(diào)節(jié)平行光時(shí)，由近及遠(yuǎn)移動(dòng)準(zhǔn)直鏡產(chǎn)生的光斑如何變化？為什么？實(shí)驗(yàn)2 菲涅耳衍射與針孔濾波實(shí)驗(yàn)引言利用惠更斯原理，可以定性地從某時(shí)刻的已知波陣面位置求出后面另一時(shí)刻的波陣面位置。但惠更斯原理的子波假設(shè)不涉及子波的強(qiáng)度和相位，因而無法解釋衍射圖樣中的光強(qiáng)分布。菲涅耳在惠更斯的子波假設(shè)基礎(chǔ)上，提出了子波相干疊加的思想，從而建立了反映光的衍射規(guī)律的惠更斯菲涅耳原理

13、： 波陣面前方空間某點(diǎn)處的光振動(dòng)取決于到達(dá)該點(diǎn)的所有子波的相干疊加。在此原理的基礎(chǔ)上，我們得到了菲涅耳衍射積分公式，并在不同近似下，歸納出在兩類不同的衍射現(xiàn)象。菲涅耳衍射是光源障礙物和障礙物接收屏的距離中至少有一個(gè)是有限遠(yuǎn)的衍射。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）觀察和驗(yàn)證圓孔和單縫菲涅耳衍射現(xiàn)象（2）改變衍射屏大小形狀和距離，觀察衍射變化的規(guī)律（2）用所學(xué)知識(shí)對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行解釋基本原理菲涅耳衍射的一般裝置如圖所示，其中S是點(diǎn)光源，K是開有某種形狀孔徑的衍射屏（或不透明屏），P是觀察屏，且在距離衍射屏不太遠(yuǎn)的地方。（通常光源離衍射屏的距離都要比衍射屏上的孔徑大得多，為簡(jiǎn)單起見可以認(rèn)為光源發(fā)出的光波垂直照射在衍射屏上

14、，即只要觀察屏離衍射屏不遠(yuǎn)，也可以用平行光照明。）PRoKS/RS 圖1 菲涅耳衍射的一般裝置S/ 點(diǎn)合振幅的大小取決于露出的半波帶數(shù)由上式可知，對(duì)于圓孔中心和光源的直線S S/上的不同點(diǎn)所露出的半波帶數(shù)目亦不相同，因而在這條直線上移動(dòng)觀察屏?xí)r會(huì)發(fā)現(xiàn)，某些點(diǎn)的光強(qiáng)最大，而另一些點(diǎn)的光強(qiáng)為最小。另一方面，R和Ro不變時(shí)，改變圓孔半徑也會(huì)使考察點(diǎn)的光強(qiáng)度有明暗交替的變化。在許多實(shí)驗(yàn)中，要求使用純凈的、無雜波的激光束，然而由于反射鏡、擴(kuò)束鏡上的瑕疵、灰塵、油污，以及光束經(jīng)過的空氣中懸浮的微粒等，使擴(kuò)束后的光場(chǎng)中存在許多衍射斑紋（相干噪聲）。為了改善光場(chǎng)質(zhì)量，使擴(kuò)束后的激光具有平滑的光強(qiáng)分布，常采用空

15、間濾波即針孔濾波的方法。激光束近似具有高斯型振幅或光強(qiáng)分布，細(xì)激光束經(jīng)過短聚焦的透鏡聚焦后，根據(jù)傅立葉光學(xué)的原理，在透鏡后焦面上出現(xiàn)輸入光場(chǎng)的傅立葉變換譜，仍然是高斯分布。實(shí)際輸入的光束為高斯型分布與噪聲函數(shù)的疊加，而噪聲函數(shù)中的高頻成分一般很豐富，因而可以認(rèn)為譜面上的噪聲譜和信號(hào)譜是近似分離的，因此只要選擇適當(dāng)?shù)尼樋字睆?，就可以濾去噪聲，獲得平滑的高斯分布。也就是說，針孔只讓激光束中的無干擾部分通過，起著低通濾波器的作用。它能限制光束的大小，消除擴(kuò)束鏡及其在擴(kuò)束以前光束經(jīng)過的光學(xué)元件所產(chǎn)生的高噪聲。針孔濾波器一般是厚度為的銦鋼片，它要用激光打孔的方法，制成530m的針孔。圖2 針孔濾波器示意

16、圖針孔雜散光針孔在使用時(shí)要放在擴(kuò)束鏡后焦面上的亮斑處。通常針孔和擴(kuò)束鏡安裝在一個(gè)支架上，針孔的位置可用三個(gè)互相垂直的方向調(diào)節(jié)鈕調(diào)節(jié)方向垂直調(diào)節(jié)左右調(diào)節(jié)前后調(diào)節(jié)圖3 針孔濾波器示實(shí)物圖針孔圖4 針孔濾波器實(shí)物圖儀器用具：激光器、空間濾波器、凸透鏡（準(zhǔn)直用）、光闌或狹縫、白屏，以及相關(guān)的支撐調(diào)整架 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容5.1 菲涅耳衍射（1） 按圖安排光路，調(diào)節(jié)共軸，使小孔屏或狹縫（本實(shí)驗(yàn)使用光闌和標(biāo)準(zhǔn)狹縫）處于擴(kuò)束的光斑中心。（2） 接收衍射斑，固定住其他元件，接收白屏先遠(yuǎn)后近地移動(dòng)，觀察半波帶交替變化的規(guī)律。（3） 由公式可知，改變衍射屏與光源的距離，也可以取得同樣效果。因此可以靠移動(dòng)小孔衍射屏的前后位置

17、來達(dá)到此目的。此外，隨著R的減小，觀測(cè)觀察屏上的衍射斑整體大小的變化趨勢(shì)。 圖5 菲涅耳衍射實(shí)物圖5.2 針孔濾波器的調(diào)節(jié)（5） 首先在激光的前面一定距離放一光屏，在激光打在屏上的一點(diǎn)做記號(hào)，并且固定光屏， （6） 然后把針孔濾波器的針孔拿出，使針孔面朝上，不要接觸桌面或工作臺(tái)。（7） 將針孔濾波器至于激光和光屏之間，調(diào)整針孔濾波器的高度使之與激光同高，這時(shí)就會(huì)在光屏上出現(xiàn)一個(gè)亮度均勻的圓光斑，并且光斑的中心與我們光屏上做的記號(hào)重合。（8） 然后把針孔放到濾波器上，先稍許移動(dòng)垂直和左右方向的調(diào)節(jié)手輪，直接觀察針孔小眼，使針孔處小亮點(diǎn)最亮；再調(diào)節(jié)前后方向的手輪，使得物鏡不斷靠近針孔。（5） 待有

18、光斑出現(xiàn)后，不斷重復(fù)第4步，使光斑的亮度逐漸增加，在光屏上觀察到同心的亮暗衍射環(huán)。（6） 最后再沿三個(gè)方向微調(diào)，使中央亮斑半徑不斷擴(kuò)大，亮度逐漸增加，直至最亮最均勻?yàn)橹埂?圖6 針孔濾波器的調(diào)節(jié) 注意： 濾波器的調(diào)節(jié)的過程（5）也是很好的菲涅耳衍射過程，因?yàn)榇藭r(shí)物鏡離針孔還比較遠(yuǎn)，短焦距物鏡將細(xì)激光束聚焦后又形成發(fā)散光束，照射在針孔上，白屏上的圓環(huán)亮斑便是菲涅耳衍射花樣。實(shí)驗(yàn)3 夫瑯和費(fèi)衍射實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1.研究產(chǎn)生夫瑯和費(fèi)衍射的各種光路 2.驗(yàn)證夫瑯和費(fèi)衍射圖樣的若干規(guī)律實(shí)驗(yàn)原理 光源距衍射屏為無限遠(yuǎn)即用平面波照射衍射屏，并在無限遠(yuǎn)接收的裝置，只能算夫瑯和費(fèi)衍射的嚴(yán)格定義裝置。實(shí)際上要把光源及接

19、受屏放在離衍射屏無限遠(yuǎn)處是辦不到的。此外，根據(jù)菲涅耳近似條件和夫瑯和費(fèi)近似條件，只要依據(jù)近似條件，觀察屏相對(duì)而言足夠遠(yuǎn)，便是夫瑯和費(fèi)衍射。下圖是用平面波照明衍射屏，在透鏡后焦面接收衍射場(chǎng)，它滿足定義的要求，直觀容易理解，還可以縮短裝置的長度。狹縫SL1L2焦面圖1 夫瑯和費(fèi)衍射示意圖夫瑯和費(fèi)單縫衍射花樣的特點(diǎn)是：衍射斑條紋方向與狹縫方向相平行，各級(jí)衍射班沿與狹縫垂直的方向分布開。在中央具有一特別明亮的亮條紋，兩側(cè)排列著一些強(qiáng)度較小的亮條紋，絕大部分光能都落在中央條紋上。相鄰的亮條紋之間有一暗條紋，如以相鄰暗條紋之間的間隔作為亮條紋的寬度，則兩側(cè)亮條紋是等寬的。而中央亮條紋的寬度是其他亮條紋的兩

20、倍。中央亮條紋的寬度與波長成正比，與狹縫寬度成反比，當(dāng)縫寬變大時(shí)，衍射班分布范圍變小。圓孔屏的夫瑯和費(fèi)衍射花樣的中心為一亮的圓斑，稱為愛里斑，其周圍環(huán)繞著一些明暗相間的圓環(huán)，其亮環(huán)的亮度與愛里斑相比要低得多。愛里斑中心是幾何光學(xué)像點(diǎn)，衍射光束角分布的彌散程度可用愛里斑的大小，即第一暗環(huán)的角半徑來衡量。/D其中D是圓孔直徑。在衍射花樣中，亮斑與圓環(huán)的邊緣都很不清晰，而是緩慢變化的。光強(qiáng)的分布與單縫衍射花樣很相像，可以看成是將單縫衍射花樣（通過單縫主最大的光強(qiáng)分布）繞入射光的軸線旋轉(zhuǎn)一周而成。但衍射花樣的線度卻與具有和圓孔直徑相等寬度的單縫衍射花樣的線度大不相同。儀器用具 激光器、空間濾波器、凸透

21、鏡、光闌、狹縫、白屏，以及相關(guān)的支撐調(diào)整架實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 用激光光束直接照到單縫上，調(diào)整好狹縫的高低、左右位置，使光束照射到狹縫的中間部分。調(diào)整狹縫的寬窄，觀察在距離狹縫約2米之外的屏上的衍射斑的變化規(guī)律。2. 在光路中加入擴(kuò)束、準(zhǔn)直鏡，使激光擴(kuò)束并且準(zhǔn)直后照到單縫上，在遠(yuǎn)處觀察其夫瑯和費(fèi)衍射花樣。在單縫后加上雙凸透鏡，縮短像面離單縫的距離，在臺(tái)面上觀察衍射花樣。3. 改變狹縫方向，觀察衍射花樣的改變。4. 用激光光束直接照到圓孔上，調(diào)整好高低、左右位置，若孔直徑足夠?。ㄐ∮冢?，即可在距離圓孔約1到2米之外的屏上觀察到衍射斑?？仔『涂状髸r(shí)觀察屏的距離也不同，觀察其變化規(guī)律。（因?yàn)榭臻g限制，孔徑最

22、好小于2mm）5. 在光路中加入擴(kuò)束、準(zhǔn)直鏡，使激光擴(kuò)束并且準(zhǔn)直后照到圓孔上，在遠(yuǎn)處觀察其夫瑯和費(fèi)衍射花樣。在單縫后加上雙凸透鏡，縮短像面離圓孔的距離，在臺(tái)面上觀察衍射花樣。圖2 夫瑯和費(fèi)衍射實(shí)物圖附：自制孔時(shí)，可以用小針刺鋁箔或者黑紙，只需輕刺，刺穿即可，完畢后可將其粘貼在小孔光闌上，便制成了一個(gè)圓孔衍射屏。實(shí)驗(yàn)4邁克耳遜干涉儀實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 了解邁克耳遜干涉儀的工作原理及調(diào)節(jié)方法；2 掌握使用邁克耳遜干涉儀測(cè)波長的原理；基本原理邁克耳遜干涉儀的結(jié)構(gòu)和原理邁克耳遜干涉儀的原理圖如圖1所示，A和B為材料、厚度完全相同的平行板，A的一面鏡上半發(fā)射膜，M1，M2為平面反射鏡，M2是固定的，M1和精密絲

23、桿相連，使其可前后動(dòng)，圖1 麥克爾遜干涉儀的原理最小讀數(shù)為10-4mm，可估計(jì)到10-5mm，M1和M2后各有幾個(gè)小螺絲可調(diào)節(jié)其方位。光源S發(fā)出的光射向A板而分成（1）、（2）兩束光，這兩束光又經(jīng)M1和M2反射，分別通過A的兩表面射向觀察處O，相遇而兩束光的光程差僅由M1，M2與A板的距離決定。由此可見，這種裝置使相干的兩束光在相遇之前走過的路程相當(dāng)長，而且其路徑是互相垂直的，分的很開，這正是它的主要優(yōu)點(diǎn)之一，從O處向A處觀察，除看到M1鏡外，還可以通過A的半反射膜看到M2的虛象M2，M1與M2鏡所引起的干涉，顯然與M1，M2引起的干涉等效，M1和M2形成了空氣“薄膜”，因M2不是實(shí)物，故方便

24、地改變薄膜的厚度（即M1，和M2的距離），甚至可以使M1，和M2重疊和相交，在某一鏡面還可根據(jù)需要放置其他被研究的物體，這些都為其廣泛的應(yīng)用提供了方便。1. 點(diǎn)光源產(chǎn)生的非定域干涉一個(gè)點(diǎn)光源S發(fā)出的光束經(jīng)干涉儀的等效薄膜表面M1與M2反射后，相當(dāng)于兩個(gè)虛光源S1，S2發(fā)出的相干光束（圖2）。若原來空氣膜厚度（即M1，和M2之間的距離）為h，則兩個(gè)虛光源S1和S2之間的距離為2h,顯然只要(M1，和M2即M2)足夠大,在光源同側(cè)的任一點(diǎn)上,總能有S1和S2的相干光線相交,從而在P點(diǎn)處可觀察到干涉現(xiàn)象,因而這種干涉是非定域的。若P點(diǎn)在某一條紋上，則由S1和S2到達(dá)該條紋任意點(diǎn)（包括P點(diǎn)）的光程差是

25、一個(gè)常量，故P點(diǎn)在的曲面是旋轉(zhuǎn)雙曲線，旋轉(zhuǎn)軸是S1、S2的連線，顯然，干涉圖樣的形狀和觀察屏的位置有關(guān)，當(dāng)觀察屏垂直于S1、S2的連線時(shí)，干涉圖是一組同心圓，下面我們利用圖3推導(dǎo)的具體形式，光程差把小括號(hào)內(nèi)展開，則由于所以 （1）從式（1）可以看出，在=0處，即干涉環(huán)的中心處光程差有極大值，即中心處干涉級(jí)次最高，如果中心處是亮的，則。若改變光程差，但中心處仍是亮的，則，我們得到 （2）即M1和M2之間的距離每改變半個(gè)波長，其中心就“生出“或”消失“一個(gè)圓環(huán)，兩平面反射鏡之間的距離增大時(shí)，中心就”吐出“一個(gè)個(gè)圓環(huán)，反之，距離減小時(shí)中心就”吞近“一個(gè)個(gè)圓環(huán)，同時(shí)條紋之間的間隔（即條紋的稀疏）也發(fā)生

26、變化，有式（2）可知，只要讀出干涉儀中M1移動(dòng)的距離和數(shù)出相應(yīng)吞進(jìn)（或吐出）的環(huán)數(shù)就可求得波長。把點(diǎn)光源換成擴(kuò)展光源，擴(kuò)展光源中各點(diǎn)光源是獨(dú)立的、互不相干的，每個(gè)點(diǎn)光源都有自己的一套干涉條紋，在無窮遠(yuǎn)處，擴(kuò)展光源上任兩個(gè)獨(dú)立光源發(fā)出的光線，只要入射角相同，都會(huì)會(huì)聚在同一干涉條紋上，因此在無窮遠(yuǎn)處就會(huì)見到清晰的等傾條紋，當(dāng)M1和M2不平行時(shí)，用點(diǎn)光源在小孔徑接收的范圍內(nèi)，或光源離M1和M2較遠(yuǎn)，或光是正入射時(shí)，在“膜”附近都會(huì)產(chǎn)生等厚條紋。2. 條紋的可見度使用絕對(duì)的單色光源，當(dāng)干涉光的光程差連續(xù)改變時(shí)，條紋的可見度一直是不變的，如果使用的光源包含兩種波長及，且和相差很小，當(dāng)光程差為（其中m為正

27、整數(shù)）時(shí)，兩種光產(chǎn)生的條紋重疊的亮紋和暗紋，使得視野中條紋的可見度降低，若及的光的亮度又相同，則條紋的可見度為零，即看不清條紋了。再逐漸移動(dòng)M1以增加（或減?。┕獬滩睿梢姸扔兄饾u提高，直到1的亮條紋與2的亮條紋重合，暗條紋重合，此時(shí)可看到清晰的干涉條紋，再 繼續(xù)移動(dòng)M1，可見度又下降，在光程差時(shí)，可見度最小（或?yàn)榱悖?，因此，從某一可見度為零的位置到下一個(gè)可見度為零的位置，其間光程差變化應(yīng)為化簡(jiǎn)后 （3） 式中。利用式（3）可測(cè)出鈉黃光雙線的波長差。3. 時(shí)間相干性問題時(shí)間相干性是光源相干程度的一個(gè)描述，為簡(jiǎn)單起見，以入射角i=0作為例子,討論相距為d的薄膜上、下兩表面反射光的干涉情況，這時(shí)兩

28、束光的光程差L=2d，干涉條紋清晰，當(dāng)d增加某一數(shù)值d后，原有干涉條紋變成一片模糊，2d就叫作相干長度，用Lm表示，相干長度除以光速C，是光走過這段長度所需的時(shí)間，稱為相干時(shí)間，用tm表示，不同的光源有不同的相干長度，因而也有不同的相干時(shí)間，對(duì)于相干長度和相干時(shí)間的問題有兩種解釋，一種解釋是認(rèn)為實(shí)際發(fā)射的光波不可能是無窮長的波列，而是有限長度的波列，當(dāng)波列的長度比路的光程小時(shí)，一路光已通過了半反射鏡，另一路還沒有到達(dá)，這時(shí)它們之間就不可能發(fā)生干涉，只有當(dāng)波列長度大于兩路的光程差時(shí)，兩路光才能在半反射鏡處相遇發(fā)生干涉，所以波列的長度就表征了相干長度，另一種結(jié)實(shí)認(rèn)為：實(shí)際光源發(fā)射的光不可能是絕對(duì)單

29、色的，而是有一個(gè)波長范圍，用譜線寬度來表示，假設(shè)“單色光“的中心波長為0，譜線寬度為，也就是說“單色光”是有波長為到之間所有的波長組成的，各個(gè)波長對(duì)應(yīng)一套干涉花紋，隨著距離d的增加，和之間所形成的各套干涉條紋就逐漸錯(cuò)開了，當(dāng)d增加到使兩者錯(cuò)開一條條紋時(shí)，就看不到干涉條紋了，這時(shí)對(duì)應(yīng)的2d=Lm，就叫做相干長度，由此我們可以得到Lm與0及之間的關(guān)系為： （4）波長差越小，光源的單色性越好，相干長度就越長，所以上面兩種解釋是完全一致的，相干時(shí)間tm則用下世表示 (5)nmnm，相干長度有2cmnm的譜線，只有10-410-7nm，相干長度長達(dá)幾米到幾公里的范圍，對(duì)白光而言，其和是同一數(shù)量級(jí)，相干長

30、度為波長數(shù)量級(jí)，僅能看到級(jí)數(shù)很小的幾條彩色條紋。4. 透明薄片折射率（或厚度）的測(cè)量（1）白光干涉條紋 干涉條紋的明暗決定于光程差與波長關(guān)系，用白光光源，只有在d=0的附近才能在M1、M2交線處看到干涉條紋，這時(shí)對(duì)各種光的波長來說，其光程差均為（反射時(shí)附加），故產(chǎn)生直線黑紋，即所謂的中央條紋，兩旁有對(duì)稱分布的彩色條紋，d稍大時(shí)，因?qū)Ω鞣N不同波長的光，滿足明暗條紋的條件不同，所產(chǎn)生的干涉條紋明暗互相重疊，結(jié)果就顯不出來，只有用白光才能判斷出中央條紋，利用這一點(diǎn)可定出d=0的位置。（2）固體透明薄片折射率或厚度測(cè)定 當(dāng)視場(chǎng)中出現(xiàn)中央條紋之后，在M1與A之間放入折射率為n厚度為l的透明物體，則此時(shí)程

31、差要比原來增大因而中央條紋移出視場(chǎng)范圍，如果將M1向A前移d，使，則中央條紋回重新出現(xiàn)，測(cè)出d及l(fā)，可由式求出折射率n。實(shí)驗(yàn)儀器邁克爾遜干涉儀、鈉光燈、HeNe激光器、小孔光欄實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 觀察非定域干涉條紋1. 打開HeNe激光器，使激光光束基本垂直M2面，在光源前放一小孔光闌，調(diào)節(jié)M2上的三個(gè)螺釘（有時(shí)還需調(diào)節(jié)M1后面的三個(gè)螺釘），使小孔出射的激光束，經(jīng)M1與M2反射后防在毛玻璃上重合，這時(shí)能在毛玻璃上看到兩排光點(diǎn)一一重合。2. 去掉小孔光闌，換上短焦距透鏡而使光源成為發(fā)散光束，在兩光束光程差不太大時(shí)，在毛玻璃屏上可觀察到干涉條紋，輕輕調(diào)節(jié)M2后的螺絲，應(yīng)出現(xiàn)圓心在毛玻璃屏中心的圓條紋。3

32、. 轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪，觀察干涉條紋的形狀、疏密及中心“吞”、“吐”條紋隨光程差的改變而變化的情況。2. 測(cè)量HeNe激光器的波長采用非定域的干涉條紋測(cè)波長，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)手輪，移動(dòng)M1以改變h，利用式（2）可算出波長，中心每“出生”或“吞進(jìn)”50個(gè)條紋，記下對(duì)應(yīng)的h值，n的總數(shù)要不小于500條，用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理方法求出值。3. 測(cè)鈉黃燈光波長即鈉黃燈雙線的波長差，觀察條紋可見度的變化。調(diào)節(jié)測(cè)微螺旋，使兩個(gè)平面鏡與分束器中心的距離大致相等，目測(cè)平面鏡垂直于臺(tái)面。在鈉燈與分束器之間插入小孔光欄，調(diào)節(jié)平面鏡，使從觀察處看到的由兩個(gè)平面鏡反射的兩組光點(diǎn)相互接近，直到重合，去掉小孔光欄，即在觀測(cè)屏上可以看到明暗相

33、間的干涉條紋。仔細(xì)調(diào)節(jié)平面鏡，使干涉條紋變粗，逐步把干涉環(huán)的圓心調(diào)到觀測(cè)屏中央，直到移動(dòng)觀測(cè)屏環(huán)心處無明暗變化。所得一系列明暗相同的同心圓環(huán)即相當(dāng)于某一厚度的平行空氣膜產(chǎn)生的等傾干涉圖樣。取等傾干涉條紋的清晰位置，記下測(cè)微螺旋讀數(shù)h，移動(dòng)M1以改變h，利用可算出波長，中心每“出生”或“吞進(jìn)”50個(gè)條紋，記下對(duì)應(yīng)的h值，n的總數(shù)要不小于250條，用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理方法求出值。 鈉黃燈含兩種波長相近的單色光，所以在干涉儀動(dòng)鏡移動(dòng)過程中，兩種黃光產(chǎn)生的干涉條紋疊加的干涉圖樣會(huì)出現(xiàn)清晰與模糊的周期性變化（光拍現(xiàn)象）。根據(jù)推導(dǎo)，鈉黃雙線的波長差。式中為兩種波長的平均值，可取上一個(gè)實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果；是干涉圖樣

34、出現(xiàn)一個(gè)清晰-模糊-清晰的變化周期，平面鏡和另一個(gè)平面鏡的虛象之間空氣膜厚度的改變量。實(shí)驗(yàn)對(duì)光拍周期須多次測(cè)量。4測(cè)量鈉光的相干長度，觀察氦氖激光的相干情況（不必測(cè)出相干長度）。思考題1. 測(cè)HeNe激光器波長時(shí)，要求n盡可能大，這是為什么？對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)應(yīng)采用什么方法進(jìn)行處理？2. 從圖2中看，如果把干涉儀中的補(bǔ)償板去掉，回影響到哪些測(cè)量？哪些測(cè)量不受影響？實(shí)驗(yàn)5鈮酸鋰晶體橫向電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解電光調(diào)制的基本原理及鈮酸鋰晶體橫向調(diào)制的基本機(jī)構(gòu)。2.掌握鈮酸鋰電光調(diào)制器的調(diào)試方法并測(cè)量和計(jì)算晶體的特性參數(shù)。實(shí)驗(yàn)原理給晶體外加電場(chǎng)時(shí)，晶體的折射率將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象成為電光效應(yīng)。外電場(chǎng)E

35、引起的折射率變化關(guān)系式為：········ （1）其中a、b為常數(shù)，是E=0時(shí)的折射率。由一次項(xiàng)引起的折射率變化的效應(yīng)，稱為一次電光效應(yīng)或電光效應(yīng)，也稱普朗克（Pokell）效應(yīng)。一次電光效應(yīng)只存在于二十類無對(duì)稱中心的晶體中。由二次項(xiàng)引起的折射率變化的效應(yīng)，稱為二次電光效應(yīng)也稱平方電光效應(yīng)或克爾（Kerr）效應(yīng)，二次電光效應(yīng)則可能存在于任何物質(zhì)中。一般一次電光效應(yīng)要比二次電光效應(yīng)顯著的多。電光效應(yīng)在工程技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。通常用折射率橢球的變化來分析。晶體在未加電場(chǎng)時(shí)的折射率橢球方程為： （2）式中nx、ny、n

36、z分別為三個(gè)主軸x、y、z上的主折射率。晶體在外加電場(chǎng)作用下折射率橢球發(fā)生變化，即橢球的三個(gè)主軸位置和長度都發(fā)生變化，變化的大小與外加電場(chǎng)E的大小和方向及晶體的性質(zhì)又關(guān)。鈮酸鋰晶體是負(fù)單軸晶體，即nx=ny=n0、nzne 。它所屬的三方晶系3m點(diǎn)群電光系數(shù)有四個(gè)，即22、13、33、51。由此可得鈮酸鋰晶體在外加電場(chǎng)后的折射率橢球方程為： （3）通常情況下，鈮酸鋰晶體采用450z切割，沿x軸或y軸加壓，z軸方向通光的運(yùn)用方式，當(dāng)主軸x軸方向上外加電場(chǎng)時(shí)，有Ez=Ey=0, 晶體主軸x,y要發(fā)生旋轉(zhuǎn)，（3）式變?yōu)椋?。因，故?duì)應(yīng)項(xiàng)可以忽略，經(jīng)坐標(biāo)變換，可求出三個(gè)感應(yīng)主軸x、y、z（仍在z方向上）

37、上的主折射率變成（4）式所示。其中鈮酸鋰晶體變?yōu)殡p軸晶體，其折射率橢球z軸的方向和長度基本保持不變，而x,y截面由半徑為n0變?yōu)闄E圓，橢圓的長短軸方向x y相對(duì)原來的x y軸旋轉(zhuǎn)了450，轉(zhuǎn)角的大小與外加電場(chǎng)的大小無關(guān)，而橢圓的長度nx，ny的大小與外加電場(chǎng)Ex成線性關(guān)系。 （4）當(dāng)光沿鈮酸鋰晶體光軸z方向傳播時(shí)，經(jīng)過長度為的晶體后，由于晶體的橫向電光效應(yīng)（x-z），兩個(gè)正交的偏振分量將產(chǎn)生位相差： （5）其中 為晶體在x方向的橫向尺寸，Ex×為加在晶體x方向兩端面間的電壓。通過晶體使光波兩分量產(chǎn)生相位差（光程差/2）所需的電壓，稱為“半波電壓”，以表示。由上式可得出鈮酸鋰晶體在以（

38、x-z）方式運(yùn)用時(shí)的半波電壓表示式： （6）還可以利用求一外加電壓下所產(chǎn)生的相位差： (7)由（5）式可以看出，鈮酸鋰晶體橫向電光效應(yīng)產(chǎn)生的位相差不僅與外加電壓稱正比，還與晶體長度比/有關(guān)系。因此，實(shí)際運(yùn)用中，為了減小外加電壓，通常使/有較大值，即晶體通常被加工成細(xì)長的扁長方體。鈮酸鋰晶體的電光系數(shù)×1012m/V, 此處采用nm光波，n02.2956，ne2.2044。2. 電光調(diào)制原理激光調(diào)制的方法很多，如機(jī)械調(diào)制，電光調(diào)制，聲光調(diào)制，磁光調(diào)制和電源調(diào)制等。其中電光調(diào)制開關(guān)速度快，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，因?yàn)椋诩す庹{(diào)Q技術(shù)，混合型光學(xué)雙穩(wěn)器等方面運(yùn)用廣泛。電光調(diào)制根據(jù)所使加的電場(chǎng)方向不同，可

39、分為縱向調(diào)制和橫向調(diào)制。利用縱向電光效應(yīng)的調(diào)制，叫做縱向電光調(diào)制，利用橫向電光調(diào)制效應(yīng)的調(diào)制，叫做橫向電光調(diào)制。本次實(shí)驗(yàn)中，我們只做鈮酸鋰晶體的橫向調(diào)制實(shí)驗(yàn)。1.橫向電光調(diào)制：圖1晶體電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖圖1為典型的利用硫酸鈉晶體橫向電光效應(yīng)原理的激光振幅調(diào)制器。其中起偏器的偏震方向平行于電光晶體x軸，檢偏器的偏振方向平行于y軸。因此入射光經(jīng)起偏器后偏振方向變?yōu)檎袷幏较蚱叫杏趚軸的線偏振光，它在晶體的感應(yīng)軸x y軸上的投影和位相都相等，設(shè)分 ex=A0cost ey=A0cost (8)或用復(fù)振幅的表示方法，將位于晶體表面（z=0）的光波表示為Ex(0)=AEy(0)=A所以 入射光的強(qiáng)度是I

40、i=| Ex(0)|2+| Ey(0)|2=2A2 (9)當(dāng)光通過長為的電光晶體后，x 和y兩分量之間就產(chǎn)生位相差即：Ex(0)=A (10)通過檢偏器出射的光，是該兩分量在y軸上的投影之和(Ey)= (11)其對(duì)應(yīng)的輸出光強(qiáng)It可寫為It(Ey)0·（Ey）0*=2A2sin2 (12)由（9）、（12）式，光強(qiáng)透過率T為： （13）將（7）式帶入： （14） 其中V0是直流偏壓，是交流調(diào)制信號(hào)，Vm是振幅，是調(diào)制頻率。從上式可以看出，改變V0或Vm或，輸出特性將發(fā)生相應(yīng)變化。考察（5）式，我們知道，對(duì)于單色光，為常數(shù)，因而T將僅隨晶體上的電壓所變化，如圖二所示，T與的關(guān)系是非線性

41、的。若工作點(diǎn)選擇不合適，會(huì)使輸出信號(hào)發(fā)生畸變。但在附近有一近似直線部分，這一直線部分稱為線性工作區(qū)，由上式可以看出，當(dāng)時(shí)，T50 。圖2 TV的關(guān)系曲線3. 改變直流偏壓對(duì)輸出特性的影響1）當(dāng),時(shí)，將工作點(diǎn)選定在線性工作區(qū)中心，此時(shí)，可獲得較高效率的線性調(diào)制，把帶入（14）式，得： = （15）當(dāng)時(shí)， （16）即，這時(shí)，調(diào)制器輸出的波形和調(diào)制信號(hào)的波形的頻率相同，即線性調(diào)制。2）當(dāng)或，時(shí)，把帶入（14）式，得： （17）即，這時(shí)看到的是“倍頻”失真。把帶入（14）式，經(jīng)類似的推導(dǎo)得： （18）即，這時(shí)看到的仍是“倍頻”失真的波形。即直流偏壓V0在零附近或附近變化時(shí)，由于工作點(diǎn)不在線性工作區(qū)，輸

42、出波形將失真。3）當(dāng)，時(shí)調(diào)制器的工作點(diǎn)雖然選定在線性工作區(qū)的中心，但不滿足小信號(hào)調(diào)制的要求，（15）式不能寫成（16）式，此時(shí)的投射率函數(shù)（15）展開成貝賽爾函數(shù)，即由（15）式得： T （19）由上式可以看出，輸出的光束除包含交流基波外，還包含由奇次偕波。此時(shí)，調(diào)制信號(hào)的幅度較大，奇次偕波不能忽略，因此，此時(shí)工作點(diǎn)雖然選在線性區(qū)，輸出波形仍然失真。4）當(dāng),時(shí),參考時(shí)的情況，可有： （20）可見與成反向增長，其他都與,時(shí)相同。實(shí)驗(yàn)儀器晶體電光調(diào)制器，電光調(diào)制電源，He-Ne激光器，起偏器，檢偏器等。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 光路調(diào)節(jié) 調(diào)節(jié)激光管使激光束與晶體調(diào)節(jié)臺(tái)表面平行，同時(shí)，使光束通過各光學(xué)元件中心。

43、調(diào)節(jié)起偏器和檢偏器正交，且分別平行與x，y軸，放上晶體后各器件要細(xì)調(diào)，精細(xì)調(diào)節(jié)是利用單軸晶體的錐光干涉圖的變化來完成。錐光干涉圖樣由于晶體的不均勻性，在檢偏器后面的白屏上可看到一弱點(diǎn)，然后緊靠晶體前放一毛玻璃片（或鏡頭紙），這時(shí)可在白屏上可觀察到單軸晶體的錐光干涉圖。一個(gè)暗十字圖形貫穿整個(gè)圖樣，四周為明暗相間的同心干涉園環(huán)，十字中心也是園環(huán)的中心，它對(duì)應(yīng)著晶體的光軸方向，十字方向?qū)?yīng)于兩個(gè)偏振片的偏振軸方向。在觀察過程重復(fù)微調(diào)晶體，如果有必要，也可以調(diào)激光管，使干涉圖樣中心與光電位置重和， 同時(shí)盡可能使圖樣對(duì)稱，完整，確保光束既與晶體光軸平行，又從晶體中心穿過。在調(diào)節(jié)偏振片，使干涉圖樣出現(xiàn)清晰的暗十字，且十字的一條平行與x軸。這一步很重要，一定要耐心仔細(xì)調(diào)節(jié)。 把輸入光強(qiáng)調(diào)制到最大（這時(shí)放大器電源關(guān)掉，光電管不能對(duì)準(zhǔn)HeNe光點(diǎn)，以免燒壞），屏上可看到干涉圖形，（房間應(yīng)