工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心2014年12月實(shí)驗(yàn)規(guī)則及注意事項(xiàng)1 壓強(qiáng)計(jì)不可超量程使用，以免損壞。2 壓強(qiáng)計(jì)使用結(jié)束，應(yīng)把氣室的氣體放光，否則導(dǎo)致壓強(qiáng)計(jì)不能回零。3 在打開激光電源前，必須確認(rèn)高壓插座可靠地與激光管連接，激光電源嚴(yán)禁開路使用。4 He-Ne激光器的陽(yáng)帶有幾千伏的高壓，請(qǐng)注意安全！5 激光管為玻璃結(jié)構(gòu)，易碎，特別是布氏窗結(jié)構(gòu)，由多種玻璃構(gòu)成，應(yīng)避免受力和碰撞。激光膜片是非常易損的光學(xué)元件，應(yīng)絕對(duì)避免人手的觸摸和剮蹭，必要的清潔請(qǐng)使用專用長(zhǎng)絲棉或脫脂棉結(jié)合干凈的乙醚或丙酮輕輕擦拭。6 光學(xué)元件的取放要小心，不7 用結(jié)束，應(yīng)將調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)整到可調(diào)范圍中

2、部。目 錄實(shí)驗(yàn)一、組合干涉儀.3實(shí)驗(yàn)二、衍射現(xiàn)象的觀察.6實(shí)驗(yàn)三、偏振光的檢測(cè).7實(shí)驗(yàn)四、He-Ne激光器和激光諧振腔9實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 12實(shí)驗(yàn)一 組合干涉儀一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^本實(shí)驗(yàn)，觀察干涉現(xiàn)象，了解干涉原理，學(xué)會(huì)干涉光路的搭構(gòu)與調(diào)整，通過干涉環(huán)的變化與被測(cè)量的關(guān)系，得到一些被測(cè)的物理量。二、 實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)介：干涉測(cè)量技術(shù)是一種利用光的干涉現(xiàn)象來測(cè)量某些物理量的微小變化的技術(shù),一般情況下,它是將一束光通過光學(xué)元件分為兩束,一束作為參考光,另一束作為測(cè)量光,測(cè)量光落在被測(cè)物體上或通過被測(cè)樣品,然后再將這兩束光重新擬合,利用干涉圖形的變化,檢查出目標(biāo)某個(gè)物理量的微小變化.這種測(cè)量方法由于大多采用高穩(wěn)

3、定度的、長(zhǎng)相干的激光作為光源，因此一般都具有大量程、高分辨率、高精度、對(duì)目標(biāo)影響小的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)使用環(huán)境和要求的不同，往往采用不同的光路結(jié)構(gòu)。本實(shí)驗(yàn)主要搭構(gòu)三種較為常見的光路結(jié)構(gòu)，組成1）邁克爾遜干涉儀，2）馬赫-曾德爾干涉儀，3）薩格奈克干涉儀，以熟悉它們的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。1）邁克爾遜干涉儀 邁克爾遜干涉儀作為一種十分古老的干涉儀，于1880年由邁克爾遜發(fā)明，并主要由此于1907年獲得諾貝爾獎(jiǎng)金。它的基本光路結(jié)構(gòu)如圖1。它常被用來測(cè)量物體的微小位移變化：從光源發(fā)出的一束相干光經(jīng)分束鏡G一分為二，分為兩束。一束透射光落在反射鏡M1上，另一束反射光落

4、在發(fā)射鏡M2上，M1、M2分別將這兩束光沿原路反射回來，在分束鏡G上重合后射入擴(kuò)束鏡，投影在白屏上，如果我們對(duì)光路調(diào)整的合適，將在白屏上看到一系列的明暗相間的干涉條紋，這些干涉條紋會(huì)隨著M1或M2的移動(dòng)而移動(dòng)，且非常敏感，只要反射鏡移動(dòng)半個(gè)波長(zhǎng)，干涉條紋就移動(dòng)一個(gè)周期，而光波長(zhǎng)一般都在微米量級(jí)，因此它具有很高的靈敏度和分辨率。圖12）馬赫-曾德爾干涉儀（選做）馬赫-曾德爾干涉儀的光路結(jié)構(gòu)如圖2所示, 從光源發(fā)出的一束相干光經(jīng)分束鏡G1一分為二，分為兩束。一束透射光落在反射鏡M1上，另一束反射光落 在發(fā)射鏡M2上，M1、M2分別將這兩束光反射至分束鏡G2上,并使這兩束光重合,進(jìn)入擴(kuò)束鏡，如果調(diào)整

5、合適，我們可在擴(kuò)束鏡后的白屏上看見一系列明暗相間的干涉條紋。這種干涉儀主要用于測(cè)量透明物質(zhì)的折射率的變化，光纖傳感器中的干涉儀大多采用這種光路結(jié)構(gòu)，圖23）薩格奈克干涉儀（選做）薩格奈克干涉儀的光路結(jié)構(gòu)如圖3所示，光路由一個(gè)分束鏡G和三個(gè)反射鏡M組成，它的光路比較特殊，兩束光沿著相同的路徑反向傳播。由于兩束光的傳播路徑嚴(yán)格重合，因此任何實(shí)際樣品的影響都是同時(shí)作用在兩個(gè)光束上的，且大多數(shù)情況下作用相互抵消，我們觀察不到變化，但這種干涉儀對(duì)角度的變化卻有反映。假設(shè)干涉儀繞垂直于光路平面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，則一束光將順著轉(zhuǎn)動(dòng)方向傳播，而另一束光將逆著轉(zhuǎn)動(dòng)方向傳播，這將引起光程差的變化，從而引起干涉條紋的移動(dòng)。

6、目前廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域的的激光陀螺、光纖陀螺就是基于該原理。圖3三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：本實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容為，在光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，按圖示1、2、3所示光路搭建出三種干涉儀，并調(diào)整出粗細(xì)適當(dāng)?shù)母缮鏃l紋。然后在光路中加入氣室，對(duì)氣室加壓，改變氣室中的空氣壓強(qiáng)，由于氣體的折射率依賴于氣體的壓強(qiáng)，當(dāng)這種變化只作用在某一路光束時(shí)，必將引起兩束光之間的光程差的改變，從而引起干涉條紋的變化。通過壓強(qiáng)計(jì)讀出空氣壓強(qiáng)同干涉條紋變化的關(guān)系，可繪制出空氣壓強(qiáng)與干涉條紋變化的關(guān)系曲線和空氣折射率與壓強(qiáng)的關(guān)系曲線（氣室長(zhǎng)度100mm）。比較三種干涉儀的測(cè)量結(jié)果，了解三種干涉儀的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。四、儀器構(gòu)成： 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（400mm&

7、#215;600mm） 1個(gè) 二維可調(diào)半導(dǎo)體激光器（650nm，4mW) 1套 二維可調(diào)分束鏡 1套二維可調(diào)反射鏡 2套二維可調(diào)擴(kuò)束鏡 1套白屏 1個(gè)氣室壓強(qiáng)計(jì) 1套五、實(shí)驗(yàn)步驟：1 將半導(dǎo)體激光器、分束鏡、反射鏡和擴(kuò)束鏡按照?qǐng)D1、2和3位置擺放2 通過白屏調(diào)整光束的位置，使所有光束在同一水平高度，保證干涉的實(shí)現(xiàn)3 調(diào)整分束鏡和反射鏡的位置，得到干涉條紋4 調(diào)整閥門改變氣室的壓強(qiáng)，觀察條紋的變化5 在白屏上固定一個(gè)點(diǎn)，計(jì)條紋移動(dòng)的數(shù)目6 計(jì)算條紋移動(dòng)的數(shù)目與氣室壓強(qiáng)的變化，畫出關(guān)系曲線六、實(shí)驗(yàn)中的調(diào)試方法和注意事項(xiàng)：1. 為了得到粗細(xì)合適的干涉條紋，應(yīng)使重新擬合的兩束光盡量重合。兩束光之間的夾

8、角越小，干涉條紋越粗，反之越細(xì)。在調(diào)整光路時(shí)，應(yīng)先使兩束光落在同一個(gè)平面內(nèi)。這可以用固定在磁性表座上的白屏來觀察兩束光各點(diǎn)的高度是否相同來確定。然后在通過使兩束光匯集于同一點(diǎn)來保證水平方向的夾角可盡量的小。2. 空氣壓強(qiáng)的變化應(yīng)平穩(wěn)而緩慢，可通過氣室本身的泄漏來實(shí)現(xiàn)。條紋的變化可通過條紋經(jīng)過白屏上的一個(gè)固定點(diǎn)來計(jì)數(shù)。3. 應(yīng)盡量避免有反射光進(jìn)入激光器，這將引起激光器工作不穩(wěn)定。4. 條紋計(jì)數(shù)時(shí)不要接觸平臺(tái)，以免引起條紋的抖動(dòng)。5. 光學(xué)元件的表面嚴(yán)禁觸摸。七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果（1）邁克爾遜干涉儀實(shí)驗(yàn)圖像實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)條紋移動(dòng)的數(shù)目氣室的壓強(qiáng)1019222175341564614058122610102712

9、8681469（2）薩格奈克干涉儀實(shí)驗(yàn)圖像：由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以看出，無(wú)論氣室的壓強(qiáng)怎么變化，干涉條紋都不發(fā)生改變，這是因?yàn)樗_格奈克干涉儀光路的光程差不發(fā)生改變。實(shí)驗(yàn)二 衍射現(xiàn)象的觀察一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^本實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握衍射基本原理二、 實(shí)驗(yàn)原理內(nèi)容： 光的衍射是光的波動(dòng)性的主要標(biāo)志之一，是傅立葉光學(xué)、衍射光柵和二元光學(xué)等的基礎(chǔ)，它決定光學(xué)成象系統(tǒng)的分辨率，同時(shí)可以利用它進(jìn)行精密測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)所用縫元件共包含10種結(jié)構(gòu)，通過對(duì)透射光的光強(qiáng)分布情況的測(cè)量和分析，了解掌握光的衍射理論儀器構(gòu)成：導(dǎo)軌式光學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)：800mm導(dǎo)軌 1根； 二維可調(diào)半導(dǎo)體激光器 1個(gè)單縫多縫元件 1個(gè)； 一維位移架 1個(gè)12檔

10、光欄探頭 1個(gè)； 激光功率指示儀 1臺(tái)導(dǎo)軌滑塊 3個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟：1 將導(dǎo)軌平穩(wěn)地放置在一個(gè)堅(jiān)固的平臺(tái)上。2 將半導(dǎo)體激光器放置于導(dǎo)軌的一端，縫元件架緊靠激光器放置，將一維位置架放置在導(dǎo)軌的另一端，放上12檔光探頭并鎖緊，調(diào)節(jié)光探頭到一維位移架的中間區(qū)域。3 調(diào)整激光器指向方位和光探頭的高低，使激光準(zhǔn)確進(jìn)入探測(cè)光欄孔。4 在縫元件架上放上縫元件，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容將要被測(cè)的縫或光柵調(diào)入光路，在光探頭端就會(huì)出現(xiàn)一條干涉或衍射圖案。5 旋轉(zhuǎn)探頭上的光欄盤使0.2mm縫光欄進(jìn)入探測(cè)位置。6 轉(zhuǎn)動(dòng)一維位移架上的絲杠鈕，使探頭從一端向另一端進(jìn)行掃描探測(cè)，并記錄下光探頭位置與功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，驗(yàn)證光強(qiáng)分布與波長(zhǎng)和縫參

11、數(shù)的關(guān)系。x/mm-1.7-1.6-1.4-1.2-1-0.9-0.8-0.6-0.4-0.2y/w0.10.21.11.92.52.00.53.614.633.1x/mm00.20.40.60.80.911.21.41.61.7y/W55.133.614.63.60.52.02.51.91.10.20.1實(shí)驗(yàn)三 偏振光的檢測(cè)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^本實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對(duì)偏振光的特性和偏振器件有一個(gè)基本的了解，同時(shí)了解偏振光在工程上的應(yīng)用。二、 實(shí)驗(yàn)原理內(nèi)容： 通過二個(gè)偏振片和一個(gè)波片的組合，驗(yàn)證光是一種橫波，具有偏振的特性以及馬呂斯定律、1/4波片的光學(xué)特性、旋光效應(yīng)及半導(dǎo)體激光的偏振特性，從而領(lǐng)會(huì)光的

12、偏振特性和雙折射晶體的光學(xué)原理。儀器構(gòu)成：導(dǎo)軌式光學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)：800mm導(dǎo)軌 1根二維可調(diào)半導(dǎo)體激光器 1個(gè)激光功率指示儀 1臺(tái)顯示屏 1個(gè)偏振附件：偏振片/波片架（含2個(gè)偏振片和1/4個(gè)波片） 1 套旋光晶片（包括調(diào)整架） 1個(gè)導(dǎo)軌滑塊 5個(gè)三、實(shí)驗(yàn)步驟1 半導(dǎo)體激光器的偏振特性： 導(dǎo)軌、激光功率指示計(jì)、二維可調(diào)半導(dǎo)體激光器、偏振架（檢偏器）1個(gè) 將激光器、偏振架（檢偏器）、功率指示計(jì)光探頭（用最大孔）依次排列。 將激光器、功率指示計(jì)光探頭分別與功率指示計(jì)相連。 打開功率指示計(jì)電源，激光輸出。調(diào)整激光指向和各架子的高度，使激光從偏振片的中心通過，進(jìn)入功率指示計(jì)探頭。 旋轉(zhuǎn)檢偏器，記錄下功率最

13、大值和最小值，以及所對(duì)應(yīng)的角度，由此求出半導(dǎo)體激光的偏振度。2 光的偏振特性以及馬呂斯定律： 將激光器、偏振架1（起偏器）、偏振架2（檢偏器）、功率指示計(jì)光探頭依次排列。 旋轉(zhuǎn)檢偏器，記錄下角度與功率的關(guān)系，繪制曲線，以驗(yàn)證馬呂斯定律。注意：半導(dǎo)體激光器輸出的激光可能是一近似線偏振光，應(yīng)注意起偏器的方位。3 1/4波片的光學(xué)特性： 在實(shí)驗(yàn)2基礎(chǔ)上，旋轉(zhuǎn)檢偏器使激光完全不能通過，進(jìn)入消光狀態(tài)。 在起偏器與檢偏器之間加入1/4波片架，這時(shí)可能會(huì)有部分光通過檢偏器。 旋轉(zhuǎn)1/4波片，使系統(tǒng)重新進(jìn)入消光狀態(tài)。 記下消光狀態(tài)時(shí)的1/4波片方位角度，并旋轉(zhuǎn)45°。 旋轉(zhuǎn)檢偏器記錄下光強(qiáng)的變化。（

14、對(duì)于理想狀態(tài)光強(qiáng)應(yīng)無(wú)較大變化，近似為一圓偏振光。）4 物質(zhì)的旋光特性： 在實(shí)驗(yàn)2的基礎(chǔ)上，旋轉(zhuǎn)起偏器，使系統(tǒng)進(jìn)入消光狀態(tài)。 將旋光晶體放入起偏器與檢偏器之間，觀察檢偏器后的透光情況。 旋轉(zhuǎn)檢偏器，使系統(tǒng)再次進(jìn)入消光狀態(tài)。記錄下旋轉(zhuǎn)的角度。求出晶體的旋光率。已知旋光晶體厚度l3 mm。 領(lǐng)取葡萄糖溶液，測(cè)量葡萄糖溶液濃度。對(duì)葡萄糖試劑溶液，當(dāng)入射光的波長(zhǎng)給定時(shí)，旋光度與偏振光通過溶液的長(zhǎng)度L和溶液的濃度c成正比，即 式中旋光度的單位為“°”，偏振光通過葡萄糖試劑溶液的長(zhǎng)度L的單位為dm ，葡萄糖試劑溶液濃度的單位為g.ml-1。為該物質(zhì)的比旋光度，它在數(shù)值上等于偏振光通過單位長(zhǎng)度（dm

15、）、單位濃度（g.ml-1）的溶液后引起的振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)角度。其單位為°· ml · dm -1· g 1。葡萄糖試劑溶液的比旋光度在測(cè)試溫度下約為52.89°·ml·dm-1·g-1，玻璃杯的長(zhǎng)度為0.55dm。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1. 半導(dǎo)體激光器的偏振特性數(shù)據(jù)記錄：功率值/mW對(duì)應(yīng)的角度最大值1.93182°最小值0.107268°由表中的數(shù)據(jù)可以計(jì)算偏振度，且發(fā)現(xiàn)最大光強(qiáng)和最小光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的角度相差90°，可知激光是近似線偏振光。2. 光的偏振特性以及馬呂斯定律數(shù)據(jù)記錄：檢偏器角度值/

16、76;光功率/mW125600.0585222840.220.0585333030.540.296643150.850.500053441.340.92406211.030.87167420.500.5523I-關(guān)系曲線I-圖像從圖中可以看出，I-圖像中各點(diǎn)近似分布在一條直線附近，即二者成正比，驗(yàn)證了馬呂斯定律。3. 1/4波片的光學(xué)特性：數(shù)據(jù)記錄：消光時(shí)1/4波片對(duì)應(yīng)的角度為256°。此時(shí)將波片轉(zhuǎn)過45°后，旋轉(zhuǎn)檢偏器，光強(qiáng)與角度的關(guān)系記錄如下表：檢偏器角度值光功率/mW1249°0.4402282°0.4763344°0.5444399&#

17、176;0.460I-曲線從如上的圖線可以看出，旋轉(zhuǎn)檢偏器時(shí)光功率近似不變，說明出射光為近似圓偏振光。4. 旋光晶體旋光角度測(cè)量檢偏器起始角度/°檢偏器消光位置角度/°174130273128375132平均值74130晶體旋光率。5. 葡萄糖溶液濃度測(cè)量溶液選擇旋光角度測(cè)量(度)溶液濃度c(g/100ml) 2號(hào)溶液123平均值576620.63實(shí)驗(yàn)四 HeNe激光器與激光諧振腔一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^實(shí)驗(yàn)，可進(jìn)一步了解激光器的結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握激光調(diào)諧的原理和技巧，驗(yàn)證諧振腔理論，全面、深入地了解激光器的結(jié)構(gòu)、特性、工作條件和相關(guān)理論和有關(guān)公式。為使用激光這一光學(xué)中最重要的

18、光源打下良好的基礎(chǔ)。二、 實(shí)驗(yàn)原理內(nèi)容：本套實(shí)驗(yàn)裝置的核心是He-Ne激光器，采用的是半內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，激光器的一個(gè)全反射鏡與毛細(xì)管、儲(chǔ)氣套等作成一體，全反射鏡與毛細(xì)管垂直。而另一個(gè)半反射鏡則被安裝在一個(gè)精密的二維調(diào)整架上，可靈活移動(dòng)。 通過一準(zhǔn)直光源調(diào)整激光管和半反射鏡，使之產(chǎn)生激光。用功率指示計(jì)檢測(cè)這束激光，并進(jìn)一步調(diào)整膜片使之達(dá)到最佳狀態(tài)（功率最大）。觀察光斑大小和光強(qiáng)分布。重復(fù)移動(dòng)半反射鏡并重新使之達(dá)到最佳狀態(tài)。觀察光斑大小和分布變化，記錄功率，比較前后變化，分析腔長(zhǎng)對(duì)功率、橫膜的影響。儀器構(gòu)成：光學(xué)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)軌：800毫米 1根 準(zhǔn)直光源： 二維可調(diào)半導(dǎo)體激光器， 650納米 3.5毫瓦（含2

19、20伏電源）。 1個(gè) 小孔光欄屏： 1個(gè) 激光管調(diào)整架： 由兩個(gè)二維調(diào)整架組成，可完成4個(gè)自由度的調(diào)整。 1個(gè)半內(nèi)腔氦氖激光管：波長(zhǎng)633nm，最大輸出功率2mW （硬封長(zhǎng)壽命管）。 1個(gè) 激光電源： 穩(wěn)流，電流可調(diào)，范圍4.5-8mA 1個(gè) 二維膜片架： 精密細(xì)牙調(diào)整螺釘（含硬膜膜片）。 1付 激光功率指示計(jì)：3位半數(shù)字表頭，測(cè)量范圍：200微瓦、2、20、200毫瓦、可調(diào)檔。 1套 顯示屏： 80毫米X100毫米 1塊 可調(diào)損耗組件：三維可調(diào) 1套 掃描干涉儀 1臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)步驟：1 激光器的調(diào)整主要是調(diào)整He-Ne激光器與反射鏡的相對(duì)位置關(guān)系，只有當(dāng)諧振腔的兩個(gè)反射鏡均以激光器毛細(xì)管相垂直

20、時(shí)，激光才有可能產(chǎn)生，本實(shí)驗(yàn)的調(diào)試過程主要是用一束半導(dǎo)體激光作為基準(zhǔn)，用自準(zhǔn)直的方法使激光諧振腔達(dá)到諧振條件，產(chǎn)生He-Ne激光。 1） 打開功率指示計(jì)的電源，LD發(fā)生激光。2） 調(diào)整LD的高度和方向，同時(shí)調(diào)整小孔屏的高度和位置，使通過小孔的激光可打在He-Ne激光器的布氏窗中心區(qū)域。3） 將He-Ne激光器的另一個(gè)反射鏡連同二維精密調(diào)整架放置在He-Ne激光器前的滑塊上，調(diào)整反射鏡架的高度使激光大致打在反射鏡的中心位置上，鎖緊反射鏡架。4） 前后滑動(dòng)反射鏡，并注意光斑在反射鏡上的位置，并反復(fù)調(diào)整LD和小孔光欄屏方向和位置，以使反射鏡在前后滑動(dòng)的過程中，光斑始終位于反射鏡膜片的中心區(qū)域。這時(shí)LD激光束基本上與導(dǎo)軌平行，我們將以這條激光束作為基準(zhǔn)來調(diào)整諧振腔。在實(shí)驗(yàn)過程中這個(gè)基準(zhǔn)不應(yīng)再變動(dòng)。5） 取下He-Ne激光器反射鏡架，這時(shí)LD激光束又會(huì)落在 He-Ne激光器的布氏窗上，通過激光器的玻璃外殼，我們會(huì)看到這束LD激光是否進(jìn)入了毛細(xì)管（這時(shí) He-Ne激光器光源應(yīng)處于“關(guān)”狀態(tài)，以便于觀察）。調(diào)整布氏窗這端的二維調(diào)整架，使L