光學平臺組件實驗

1、光學平臺組件應用實驗實驗內容：第一次課熟悉平臺組件功能和光路調整，利用光學平臺提供的組件完成光學實驗，測薄凸透鏡焦距自組望遠鏡系統(tǒng)平行光產(chǎn)生和檢驗第二次課 利用光學平臺提供的組件完成偏振光實驗偏振光的產(chǎn)生于檢驗布儒斯特角測定驗證馬呂斯定律了解波片作用，研究圓偏光和橢偏光產(chǎn)生和檢驗光學平臺組件清單序 號型號名稱重要指標數(shù)量1DH-HNK250氦氖內腔激光器250mm;TEM00;2mW12GCO-01M空間濾波器含 40X 物鏡，三種 規(guī)格針孔13GCM-085850M 50.8 鏡架24GCM-081150M 50.8 鏡架35GCL-010212雙凸透鏡 50.8 f150雙棱鏡干涉26GC

2、L-010101被測目鏡 6f9.8mm測目鏡焦距17GCM-081106M 6 鏡架18GCL-010215顯微物鏡 10 f15mm顯微鏡組裝19GCM-081110M 10 鏡架110GCL-010213物鏡 50.8 f250mm望遠鏡組裝111GCL-010172聚光鏡 50.8 f50mm幻燈機組裝，雙棱鏡干涉112GCL-010176放映物鏡 50.8f200mm幻燈機組裝113GCL-010147 40 f200214GCL-010145 40 f80215GCC-102104反射鏡 40 加強鋁316GCM-085840M40 鏡架517GCC-411102五五分光平片 25

3、.4,450-650nm218GCM-0858254M 254 鏡架219GCM-420101磁座1220GCM-1302干板夾321GCM-03030276 套筒1222GCM-03011276 支桿1223GCM-181101M激光管夾持器GCM-180201M124小磁座轉接板125GCM-560102M狹縫126GCM-5701M光闌127GCL-200101毛玻璃128GCL-200202白屏100 x100 x2129GCL-050003偏振片230GCL-0606241/4 波片131GCL-0606341/2 波片132GCM-0902M偏振片 / 波片架433GCM-1101

4、M旋轉臺134GCM-0702M棱鏡架135GCI-060411準直光檢驗器236GCI-060411led 光源白光137GCG-YP907二維測量分劃板138GCM-081120M分劃板鏡架139卷尺140雙縫（多縫板）杭光141jx8 測微目鏡杭光142PT-38讀數(shù)顯微鏡架杭光143PT-13白屏杭光144PT-14品字形物像屏杭光145平臺面包板長富 600*1200*8/12不銹鋼146光功率計方式1光學平臺組件應用實驗參考資料目錄 TOC o 1-5 h z Equation Chapter 1 Section 1 光學平臺組件應用實驗 4 HYPERLINK l bookmar

5、k6 o Current Document 光學實驗基礎知識 4. HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 基本常識 4. HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 基本知識 4. HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 光學平臺組件的工作原理及調試方法 5. HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 實驗目的 5. HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 實驗原理 5. HYPER

6、LINK l bookmark24 o Current Document 實驗步驟 1.0. HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 思考題 1.0. HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 薄透鏡焦距測量及透鏡系統(tǒng)基點位置測量 1. 0 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 自準直法測焦距 1.1 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 二次成像法（位移法）測焦距 1. 3 HYPERLINK l bookmark3

7、8 o Current Document 透鏡系統(tǒng)基點測量 1.4 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 1.4. 顯微鏡與望遠鏡原理與應用 1. 7 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 1.4.1. 顯微鏡搭建與光學系統(tǒng)分辨率檢測 1. 7 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 望遠系統(tǒng)的搭建和參數(shù)測量 2. 0 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 1.5. 偏振光實驗 2.3 HYPERLINK l bo

8、okmark48 o Current Document 實驗目的 2.4. HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 實驗原理 2.4. HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 實驗器材 2.8. HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 實驗步驟 2.8.1. 光學平臺組件應用實驗光學實驗基礎知識基本常識光學平臺提供水平、穩(wěn)定的臺面，一般平臺都需要進行隔振等措施，保證 其不受外界因素干擾，使實驗正常進行。所有光學鏡片 （透鏡、平面鏡、棱鏡、光柵、波片、偏振片、分光鏡

9、等等 ） 通光面不能用手觸摸，需要清潔時必須用專用鏡頭紙。用于固定鏡片的支架上的固定螺釘和調節(jié)螺釘要輕扭。 白熾燈是復色光源（白光由紅、澄、黃、綠、青、藍、紫色光混合而 成）；汞燈是由部分線狀譜的光混合成的復色光源；鈉燈是準單色光源（有兩 條非常相近的波長），可以用于干涉實驗的光源，只是光強較弱不方便觀測； 激光是單色光源（一種波長），是用于干涉實驗的光源。用于實驗的光學儀器，在做實驗前應首先了解各部分的調節(jié)功能、作用和 調節(jié)范圍，以及標尺的讀數(shù)方法?；局R光學實驗儀器（如：分光計、邁克爾遜干涉儀、讀數(shù)顯微鏡、棱鏡攝譜 儀），可以用來做多種測試實驗。分光計可以用于三棱鏡的頂角角度測量，某 一

10、波長的色散及色散曲線測量，光柵衍射及光譜觀測，某透明體的折射率測 量。實驗用光源有汞燈、鈉燈或激光器。邁克爾遜干涉儀可以用于未知激光波 長的實驗測量，微位移的測量，當用平行光入射時，還可以進行面形變、氣體 折射率或溫度場的實驗觀測。讀數(shù)顯微鏡以鈉燈為光源可以進行微小尺寸、球 面半徑的測量，還可以進行固體熱脹系數(shù)、液體折射率等的測量。棱鏡攝譜儀 可以拍攝各種光源（復色光）的光譜，還可以測量某一線狀光的波長。在光具座上可進行的光學實驗有：薄透鏡的焦距測定，典型光學系統(tǒng)（顯 微鏡、望遠鏡）的設計，偏振現(xiàn)象的觀測，雙棱鏡的干涉、激光或鈉光燈的波 長測量等。在光學平臺上可以進行各種各樣的光學實驗，除上述

11、的各種光學實驗外， 還可以進行許多設計性和研究性的實驗、全息干涉測量或全息照相實驗。全息照相分為兩個步驟：全息記錄和再現(xiàn)。從物理角度說，全息記錄是兩 束光（物光和參考光）的干涉圖樣的拍攝和沖洗；全息再現(xiàn)是通過干涉圖片產(chǎn) 生的衍射圖像。所有干涉類的實驗，防震是最重要的要求，其次，根據(jù)光的時間相干性， 進行干涉的兩束激光（或鈉光）只能從一個光源分出（分振幅或分波面），且 兩束光的光程差不能太大。兩個同樣的激光器會因為此而不能進行干涉。光學平臺組件的工作原理及調試方法本實驗介紹光學系統(tǒng)主要部件的設計原理和基本調試方法，其中基本技能 的訓練同樣適用于其他光學實驗。實驗目的（1）了解光學系統(tǒng)主要部件的設

12、計原理，熟悉其調節(jié)方法。（2）學習擴束準直系統(tǒng)的調節(jié)和使用。（3）學習平行光束的調整方法。實驗原理1. 光學系統(tǒng)主要部件 光學系統(tǒng)，一般由光源、光路轉向系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、擴束系統(tǒng)、成象系統(tǒng) 及各種專用部件構成。（1）光源：用于產(chǎn)生實驗所用的光， 根據(jù)實驗需要采用不同的光源， 常用光 源有鹵素燈、汞燈、鈉燈、氦氖激光等。（2）光路轉向系統(tǒng)：主要包括光束升降器及各種反光鏡。光束升降器能 使激光束的高度提升及轉向， 有的光束升降器還帶有俯仰微調裝置； 反光 鏡的功能是使光路轉向。 這兩類組件中的光學元件都是外表面鍍膜的反光 鏡。（3）分光系統(tǒng)：分光系統(tǒng)的功能是將一束激光按要求的比例分成兩束， 是全息實

13、驗及其它有關實驗中不可缺少的部件。分光比 定義為I2I1式中I1、I2是被分開的兩光束的強度圖 1-1 伽利略望遠鏡系統(tǒng)按照分光的原理，可分成幾何分光及物理分光兩大類。幾何分光意味著在 能量分配的過程中，光束主要發(fā)生幾何狀態(tài)的變化，例如傳播方向等，最常見 的是利用折射及反射現(xiàn)象的分光鏡；物理分光表示伴隨能量分配，光波的物理 狀態(tài)（或結構）發(fā)生變化。例如偏振態(tài)的變化。按照分光比 的變化范圍及形 式，又可分為分級分光及連續(xù)分光兩類。（4）擴束系統(tǒng)：通常是一個短焦距的透鏡或透鏡組 （例如顯微鏡的物鏡） ， 用以把細窄的激光束擴大，使之照明整個物體或全息干板。擴束時，通常 還需進行準直和空間濾波。（5

14、）成象系統(tǒng)：主要是傅立葉透鏡，是一個高質量消象差的透鏡。在一 般系統(tǒng)中，用一對傅立葉透鏡構成 4F 系統(tǒng)。在簡單系統(tǒng)中，一個傅立葉 透鏡兼變換及成象作用。光學系統(tǒng)各部件除激光器外都安裝在可調支架上，通過可調螺旋支架能做 上下、左右、前后的平動，及繞水平和垂直軸的小角度轉動。調節(jié)時手不要碰摸光學元件，不要對著光學元件呼氣。各元件間的布局要 合理，不要影響調節(jié)。部件的底部都有一個磁性表座，調好后，應將磁性表座 鎖緊在光學平臺上。擴束準直系統(tǒng)的調節(jié)和使用激光束的面積很小，一般都需經(jīng)過擴束及準直，必要時還需加上針孔濾波 器，使其成為面積較大的均勻光斑。激光擴束鏡通常使用半球形擴束鏡或顯微鏡物鏡。在擴束

15、鏡的焦點上放置 針孔濾波器，在針孔濾波器后面放置準直鏡。準直透鏡與擴束鏡構成倒裝的伽 利略望遠鏡系統(tǒng)，如圖 1-1為了獲得均勻的平行光，必須使光學元件的方位符合盡量減少像差的條 件。首先應使激光束與全息臺面平行，其他光學元件必須共軸。而且，要求發(fā) 散或會聚的光束應朝向擴束鏡及準直鏡的曲率半徑 R大的表面或平面；平行光應朝向 R小的表面。通?？捎脽艚z的反射光來判斷 R的大小。1 激光器 2 擴束鏡3 針孔濾波器4 準直透鏡針孔濾波器激光器發(fā)生的光束是高度相干的，即使遇到很小的灰塵，散射后的光束也 會產(chǎn)生干涉，形成很多斑點。擴束后這種斑點可以看得非常清楚。對于全息圖 來說，這些斑點就是 “噪聲 ”

16、，其存在將影響全息圖的質量。針孔濾波器的作用 就是讓所需要的光束從針孔中通過，而將經(jīng)灰塵散射后的光擋住。其基本原理 如下：由頻譜分析的原理我們知道，激光器發(fā)出的光束基本上是均勻的，其頻譜 成分主要是基頻(零頻)，經(jīng)灰塵散射后所形成的斑點的頻譜成分主要是高 頻。從傅立葉光學關于空間濾波器的原理來分析，針孔濾波器就是一個低通濾 波器。細窄平行的激光束射到擴束鏡后，在擴束鏡的后焦面上得到了頻譜，將 針孔濾波器放在后焦面(頻譜面)上，并且僅讓零頻通過針孔而擋住了散射光 的頻譜，這時由針孔出射的就是非常干凈的、均勻的光束。當針孔的中心準確 地位于擴束鏡后焦點時，針孔的出射光強與入射光強幾乎沒有什么差別。

17、實際 調節(jié)針孔是一件非常耐心細致的工作，需反復調節(jié)。調整擴束鏡準備工作：先把激光束調到合適的高度，并使光束與工作臺面平行然后放上擴束鏡。(a)激光束與擴束鏡光軸重合(b)激光束與擴束鏡不同心(c)激光束與擴束鏡方向不同圖 1-2 擴束鏡的光軸與激光束的光軸位置示意圖在擴束鏡 L1前放一中心帶孔的光屏 A ，孔的直徑約為 35mm，讓激光 束無遮擋的通過，在擴束鏡后也放一光屏 B。A 、B兩個光屏離擴束鏡約在510cm左右。調整好的擴束鏡的光軸必須與激光束的光軸重合，如圖1-2(a)所示，即要求兩者同位置同方向。這可借助于 A 和 B兩個光屏上的光斑來判斷是否達到了 要求?？上日{ L1使屏上的光

18、斑盡可能均勻、對稱，可由調節(jié) L1的橫向坐標來實現(xiàn)。然后在屏上仔細找類似于牛頓環(huán)樣的干涉圓環(huán)。由于光很弱或是沒有調整 好，圓環(huán)出現(xiàn)在遠離中心的地方如圖 1-2 (b)所示，甚至看不到圓環(huán)。干涉圓環(huán)是由擴束鏡前后兩曲面對入射光的部分反射，在屏上相干涉形成 的，仔細找到出現(xiàn)在屏上的圓環(huán)，然后慢慢調整擴束鏡的兩個旋轉微調，直到 A、B二屏上的圓環(huán)中心與激光束重合為止。通常要反復幾次調平移微調及旋轉微調才能達到。調好的圓環(huán)如圖(b)未調準圖 1-3 干涉圓環(huán)圖樣調針孔濾波器由于針孔濾波器微調機構的 x、y、 z三個方向的平移范圍很小，一般只有 35mm，所以開始要用光屏找到光束會聚點的位置。使針孔的三

19、個微調旋鈕都 處在可調的中間部位。然后把針孔架放好，使針孔盡可能處于焦點處。一開始 從針孔中過來的光可能很少，只能用肉眼對著針孔的后面觀察才能看到一點亮 光。為了調整有效，這時應把下面的磁性座鎖緊。先仔細微調 x方向和 y方向， 使透過的光最強。如看不到通過針孔的光，可采用離焦法。使針孔沿z軸向遠離焦點的位置移動幾毫米后再觀察。這時針孔處于擴展的光場中，易于使光通過 針孔，肉眼也便于觀察。如果無論如何也看不到針孔的光，就可能是針孔被灰 塵堵塞，可用吹氣球把灰塵吹掉。微調針孔最佳位置當用肉眼觀察到通過針孔的光較強時，即可用光屏觀察。依次調節(jié)x、y、 z三個方向的微動機構，使屏上的光越來越強。由于

20、越接近最佳位置，越容易失 調，稍有偏離，屏上的光就會完全消失，所以要盡量仔細、輕微、緩慢的進 行。x、y、z三個方向的平移微調鈕，要一個一個地調，不要兩個一起調。三個 調好之后要鎖緊，使處于最佳位置。平行光的產(chǎn)生與檢驗激光束經(jīng)過擴束鏡會聚及針孔濾波器后，由針孔出射的是一束發(fā)散的同心 光束，一般要用準直鏡將它調成平行光。準直鏡一般用口徑較大焦距較長的雙膠合透鏡來擔任，這樣可以得到面積 較大的光束，處理較大的圖象。在要求不太高的場合，用薄的單片凸透鏡也可 以。下面介紹用準直鏡獲得平行光的方法。（1）把準直鏡放在針孔后面， 使準直鏡較平的一面對著擴束鏡， 另一面 為光束的輸出面。（2）粗略移動準直鏡

21、， 使其前焦點大致與擴束鏡的后焦點 （即針孔所在 位置）重合。（ 3） 用光屏放在準直鏡后觀察輸出光束與準直鏡邊框的影子， 橫向平移 準直鏡，使光斑處于框影的中央位置。（4）旋轉準直鏡， 使光軸與激光傳播方向一致。 可以從擴束鏡前面順著 激光傳播方向觀察準直鏡， 可以看到隨準直鏡光軸轉動的三個光點， 此三個 光點是激光束透過準直鏡時，由透鏡玻璃的三個球形表面部分反射回來的 光形成的。 當此三個光點的連線與激光束傳播方向重合時 （目視）即可認為 準直鏡的光軸方向已調好。（ 5） 用平晶檢查輸出光是否平行。 平晶是兩個表面嚴格平行的一塊玻璃。由薄膜干涉的理論知道，一束光射 到平晶上后，在前、后兩個

22、界面反射的光束將發(fā)生干涉。由于平晶各處的厚度 相等，故光程差由光的入射角度決定。當入射光調整為平行光時，光程差處處 相等，整個光場上的光強應均勻分布，看不到干涉條紋。然而由于平晶兩表面 不可能絕對平行，而且其折射率也存在某種不均勻性，所以即使平行光照射 時，也會看到干涉條紋，但這時干涉條紋的間隔應為最大。調節(jié)時，將平晶放 在準直透鏡后面使其與入射光成一角度，觀察平晶前后表面反射光形成的干涉 條紋，沿 z軸平移準直透鏡位置，直至條紋間隔為最大。如圖 1-4所示。圖 1-4 平晶檢查輸出光是否平行示意圖（6）用自準直法檢查輸出光平行與否。 可用一塊平面反射鏡， 放在準直 鏡后，使準直鏡的輸出光經(jīng)平

23、面鏡反射回來。 并將針孔濾波器拿掉 （可在調 好平行光后再調針孔濾波器） 。用一帶孔的光屏放在擴束鏡的會聚點上， 使 激光束從屏孔中無阻擋的通過。這樣由平面鏡反射回來的光經(jīng)準直鏡后又 會聚到帶孔的屏上。 轉動反射平面鏡使會聚光斑在小孔的近旁。 當前后移動 準直鏡時可看到光斑的大小在變化。 當光斑最小時即認為已經(jīng)調好， 這時由 準直鏡輸出的光為平行光。實驗步驟（1）將出射激光擴束。（2）用針孔濾波器濾波。（3）調節(jié)平行光，并用平晶和自準直法檢查輸出光平行度。思考題（1）用平晶檢查輸出光時，為什么條紋最少時即為平行光？（2）用自準直法檢查輸出光時，為什么會聚光斑最小是即為平行光？薄透鏡焦距測量及透

24、鏡系統(tǒng)基點位置測量透鏡分為會聚透鏡和發(fā)散透鏡兩類，當透鏡厚度與焦距相比甚小時，這種透鏡稱為薄透鏡。如圖 1-5所示，設薄透鏡的像方焦距為 f ，物距為 l ，對應的 像距為 l ，在近軸光線的條件下透鏡成像的高斯公式為ll(1-1)(1-2)應用上式時必須注意各物理量所適用的符號法則。在本實驗中我們規(guī)定， 距離自參考點 （薄透鏡光心 ）量起。與光線行進方向一致時為正，反之為負，運 算時已知量須添加符號，未知量則根據(jù)求得結果中的符號判斷其物理意義。測量會聚透鏡焦距的一般方法有：靠測量物距與像距求焦距。具體方法 是：用反射照明光后的實物作為光源，其發(fā)出的光線經(jīng)會聚透鏡后，在一定條 件下成實像，可用

25、白屏獲取實像加以觀察，通過測定物距和像距，利用式 （1-2） 即可算出 f 。但是此種方法精度不高。自準直法測焦距自準直法是光學實驗中常用的方法。在光學信息處理中，自準直法測量透 鏡焦距，簡單迅速，能直接測得透鏡焦距的數(shù)值。在光學信息處理中，多使用 相干的平行光束，而自準直法作為檢測平行光的手段之一，仍不失為一種重要 的方法。實驗目的（1）學會調節(jié)光學系統(tǒng)共軸。（2）掌握薄透鏡焦距的常用測定方法。（3）研究透鏡成像的規(guī)律?；驹砣鐖D 1-6 自準直法測會聚透鏡焦距原理圖所示，若物體 AB 正好處在透鏡 L的前焦面處，那么物體上各點發(fā)出的光經(jīng)過透鏡后，變成不同方向的平行光，經(jīng)透鏡后方的反射鏡

26、M 把平行光反射回來，反射光經(jīng)過透鏡后，成一倒立 的與原物大小相同的實象 AB，像 AB位于原物平面處。即成像于該透鏡的前焦 面上。此時物與透鏡之間的距離就是透鏡的焦距 f ，它的大小可用刻度尺直接 測量出來。LMOA(B)B(A)圖 1-6 自準直法測會聚透鏡焦距原理圖實驗儀器1)激光平行光源(包括激光器,擴束鏡，準直鏡等)2)干板架3)目標板4)待測透鏡( = 40.0mm，f= 200.0mm )5)反射鏡6)二維調節(jié)透鏡 /反射鏡支架7) 光學平臺，支桿，調節(jié)支座實驗步驟1)參照圖 1-7 自準直光路裝配圖，沿滑軌裝妥各器件，并調至共軸LM毛玻璃 P*圖 1-7 自準直光路裝配圖（2）

27、移動待測透鏡，直至在目標板上獲得鏤空圖案的倒立實像；（3）調整反射鏡，并微調待測透鏡，使像最清晰且與物等大（充滿同一圓 面積）；（4）分別記下目標板和被測透鏡的位置 a1、 a2；（5）計算： f a1 a2 ；（6）重復幾次實驗，計算焦距，取平均值。二次成像法（位移法）測焦距二次成像法（也稱位移法）測量焦距是通過兩次成像，測量出相關數(shù)據(jù)， 通過成像公式計算出透鏡焦距。實驗目的（1）學會調節(jié)光學系統(tǒng)共軸。（2）掌握薄透鏡焦距的常用測定方法。（3）研究透鏡成像的規(guī)律?；驹碛赏哥R兩次成像求焦距方法如下：當物體與白屏的距離 l 4f 時，保持其相對位置不變，則會聚透鏡置于物 體與白屏之間，可以找

28、到兩個位置，在白屏上都能看到清晰的像如圖 1-8 所 示，透鏡兩位置之間的距離的絕對值為 d ，運用物像的共扼對稱性質，容易證明22f l2 d2(1-3)4l上式表明只要測出d 和l ，就可以算出 f 由于是通過透鏡兩次成像而求得的 f ，這種方法稱為二次成像法或貝塞爾法這種方法中不須考慮透鏡本 身的厚度，因此用這種方法測出的焦距一般較為準確儀器用具（1）激光平行光源（包括激光器 ,擴束鏡，準直鏡等）（2）干板架（3）目標板（4）待測透鏡（ =40.0mm，f =80.0mm ）（5）光屏（6）二維調節(jié)透鏡 /反射鏡支架（7）導軌，滑塊，支桿，調節(jié)支座等實驗步驟（1）布置各器件并調至共軸，使

29、目標板與光屏之間的距離 l 4f ；（2）移動待測透鏡，使被照亮的目標板在光屏上成一清晰的放大像，記下 待測透鏡的位置 a1和目標板與分劃板間的距離 l ；（3）再移動待測透鏡，直至在像屏上成一清晰的縮小像，記下L的位置a2 ，判斷清晰像時在像屏位置放上反射鏡，當目標板成像與目標圖案完全重合 時，為清晰像；（4）計算： d a1 a2（5）重復幾次實驗，計算焦距，取平均值。透鏡系統(tǒng)基點測量每個厚透鏡及共軸球面透鏡組都有六個基點。即兩個焦點 F ,F ；兩個主 點 H,H ；兩個節(jié)點 N ,N 。實驗目的（1）了解透鏡組的基點的一般特性（2）學習測定光具組基點和焦距的方法基本原理（1）主面和主點

30、若將物體垂直于系統(tǒng)的光軸，放置在第一主點 H 處，則必成一個與物體同 樣大小的正立的像于第二主點 H 處，即主點是橫向放大率1的一對共軛點。過主點垂直于光軸的平面，分別稱為第一和第二主面，如圖1-9中的 MH和 MH 。（2）節(jié)點和節(jié)面節(jié)點是角放大率 1 的一對共軛點。入射光線（或其延長線）通過第一 節(jié)點 N 時，出射光線（或其延長線）必通過第二節(jié)點 N ，并與 N 的入射光線 平行（如圖 1-9）。過節(jié)點垂直于主光軸的平面分別稱為第一和第二節(jié)面。當 共軸球面系統(tǒng)處于同一媒質時，兩主點分別與兩節(jié)點重合。圖 1-9 透鏡組光路示意圖（3）焦點、焦面平行于系統(tǒng)主軸的平行光束，經(jīng)系統(tǒng)折射后與主軸的交

31、點 F 稱為像方焦 點；過 F 垂直于主軸的平面稱為像方焦面。第二主點 H 到像方焦點 F 的距 離，稱為系統(tǒng)的像方焦距 f 。此外，還有物方焦點 F 及焦面和焦距 f。LAN(H)OBL.S.N(H)F(B)A圖 1-10 測量基點示意圖綜上所述，薄透鏡的兩主點和節(jié)點與透鏡的光心重合，而共軸球面系統(tǒng)兩 主點和節(jié)點的位置，將隨各組合透鏡或折射面的焦距和系統(tǒng)的空間特性而異。 實際使用透鏡組時，多數(shù)場合透鏡組兩邊都是空氣，物方和像方媒質的折射率 相等，此時節(jié)點和主點重合。本實驗以兩個薄透鏡組合為例，主要討論如何測定透鏡組的節(jié)點（主 點）。設 L為已知透鏡焦距等于 f0的凸透鏡， L.S.為代測透鏡

32、組，其主點（節(jié) 點）為H、 H （N、N ），像焦點為F。當AB（高度已知）放在 L 的前焦點處 時，它經(jīng)過 L 以及L.S.將成像 AB 于L.S.的后焦面上。因為 AOPAN ， ABPAB ，OBPNB ，所以 AOB AN B，即AB A Bf0 f ，所以 ff0 A B （3-1）AB因此我們可以通過測量 AB 的大小，從而得到 f 的數(shù)值。 因為是平行光入射到透鏡組上，所以像 AB 的位置就是 F 的位置。 F 的位 置既然確定，而 NF f ，因此 N 的位置也就確定了。把 L.S.的入射方向和出 射方向互相顛倒，即可測定 F和N的位置。本實驗節(jié)點和主點重合，所以 H 和 H

33、的位置也得到確定。儀器用具（1）激光平行光源（包括激光器 ,擴束鏡，準直鏡等）（2）干板架（3）目標板（ 4） 標準透鏡（ = 40.0mm， f = 80.0mm）（5）一維調節(jié)滑塊導軌，滑塊，支桿，調節(jié)支座等（6）節(jié)點器（含兩 = 40 透鏡，f =200 和 f =350）（ 7） 固定套（8）支桿底座（ GCM-5305M ）（9）反射鏡（10）二維調節(jié)透鏡 /反射鏡支架實驗步驟（1）安置各器件，調整各光學元件同軸等高。（2）借助反射鏡調節(jié)目標板（目標板圖案為正方形，邊長 10mm）與標準 透鏡（透鏡焦距為 - f0）之間的距離，使目標板（物方圖案寬度為 h1 ）位于透鏡 L0的前焦面

34、。（自準直法）（3）借助反射鏡找到節(jié)點器后方清晰像的位置 a ，用分劃板替換平面鏡， 測量清晰像的寬度 h2 。記錄節(jié)點器在導軌上的位置 b ，從節(jié)點器上讀出透鏡 L2 的偏移量 c 。ff0 h2（4）計算像方焦距h1像方主點 H 與節(jié)點器中透鏡 L2 光心的距離為 d f （a b c）（5）將節(jié)點架旋轉 180，重復第 3 步，測得數(shù)據(jù) h3， a ， b ，c計算物方焦距 f ，物方主點 H與節(jié)點器中透鏡 L1光心的距離 d 。（6）繪圖標示節(jié)點器中透鏡組的主面及基點位置。1.4. 顯微鏡與望遠鏡原理與應用1.4.1. 顯微鏡搭建與光學系統(tǒng)分辨率檢測顯微鏡主要是用來幫助人眼觀察近處的微

35、小物體，顯微鏡與放大鏡的區(qū)別 是二級放大。通過本實驗使學生更了解顯微鏡的原理，自己搭建顯微鏡，測量 相關參數(shù)。實驗目的1）學習顯微鏡的原理及使用顯微鏡觀察微小物體的方法；2）學習測定顯微鏡放大倍數(shù)的方法；3）測量顯微鏡的分辨本領?；驹碜詈唵蔚娘@微鏡是由兩個凸透鏡構成。其中，物鏡的焦距很短，目鏡的焦距較長。它的光路如圖 1-11所示。圖中的 Lo為物鏡（焦點在 F0和 F0 ），其焦 距為 fo ； Le為目鏡，其焦距為 f e 。將長度為 y1的被觀測物體 AB放在Lo的焦距外且接近焦點 F0 處，物體通過物鏡成一放大倒立實像 AB （其長度為 y2 ），此實像在目鏡的焦點以內，經(jīng)過目鏡放

36、大，結果在明視距離 D上得到一個放大的虛像AB （其長度為 y3 ）。虛像 AB 對于被觀測物AB 來說是倒立的。由圖1-11可見，顯微鏡的放大率為tantany3 l2y3 y2y1 l2y2 y1(1-4)式中，y3y2l2l2Dfe (因fel2 D ），為目鏡的放大率；y3y1l2l2o（因l1比 f0大得多），為物鏡的放大率。為顯微物鏡焦點Fo 到目鏡焦點 Fe 之間的距離，稱為物鏡和目鏡的光學間隔。因此式 （1-4）可改寫成D fef0eo(1-5)由式（1-5）可見，顯微鏡的放大率等于物鏡放大率和目鏡放大率的乘積。在fe、 fo 、和D 為已知的情形下，可以利用式 （1-5）算出

37、顯微鏡的放大率。圖 1-11 簡單顯微鏡的光路圖儀器用具白光點光源開口式二維調節(jié)透鏡 /反射鏡支架光源探頭夾持器顯微目鏡( 10X，帶分劃板)干板架支桿底座( GCM-5305M )毛玻璃干板架分辨率板顯微物鏡( = 20.0mm, f = 50.0mm)導軌，滑塊，支桿，調節(jié)支座等五、實驗步驟參照圖 1-11布置各器件，調整光學元件同軸等高。將透鏡 Lo 和 Le 之間的距離定位 195mm。觀測分辨率板上線數(shù)對為 10 的區(qū)間，從目鏡分劃板上讀出此區(qū)間的 長度。計算顯微鏡的物鏡放大率。（5）觀察分辨率板，記錄能夠清晰分辨的分辨率板區(qū)間。望遠系統(tǒng)的搭建和參數(shù)測量望遠鏡是幫助人們看清遠處物體以

38、便觀察、瞄準與測量的一種助視儀器， 通過本實驗使學生更加了解望遠鏡原理，自己搭建望遠鏡，測量相關參數(shù)。實驗目的（1）學習了解望遠鏡的構造及原理；（2）學習測定望遠鏡放大倍數(shù)的方法；（3）理解分辨本領的含義?；驹硗h鏡是如何把遠處的景物移到我們眼前來的呢？這靠的是組成望遠鏡的 兩塊透鏡。望遠鏡的前面有一塊直徑大、焦距長的凸透鏡，名叫物鏡；后面的 一塊透鏡直徑小焦距短，叫目鏡。物鏡把來自遠處景物的光線，在它的后面匯 聚成倒立的縮小了的實像，相當于把遠處景物一下子移近到成像的地方。而這 景物的倒像又恰好落在目鏡的前焦點處，這樣對著目鏡望去，就好象拿放大鏡 看東西一樣，可以看到一個放大了許多倍的虛

39、像。這樣，很遠很遠的景物，在 望遠鏡里看來就仿佛近在眼前一樣。常見望遠鏡可簡單分為伽利略望遠鏡，開普勒望遠鏡等。伽利略發(fā)明的望遠鏡在人類認識自然的歷史中占有重要地位。它由一個凹 透鏡（目鏡）和一個凸透鏡（物鏡）構成。其優(yōu)點是結構簡單，能直接成正 像。但自從開普勒望遠鏡發(fā)明后此種結構已不被專業(yè)級的望遠鏡采用，而多被 玩具級的望遠鏡采用，所以又被稱做觀劇鏡。開普勒望遠鏡：原理由兩個凸透鏡構成。由于兩者之間有一個實像，可方 便的安裝分劃板，并且各種性能優(yōu)良，所以目前軍用望遠鏡，小型天文望遠鏡 等專業(yè)級的望遠鏡都采用此種結構。但這種結構成像是倒立的，所以要在中間 增加正像系統(tǒng)。圖 1-12 開普勒望遠

40、鏡光路示意圖為能觀察到遠處的物體，物鏡用較長焦距的凸透鏡，目鏡用較短焦距的凸 透鏡。遠處射來光線（視為平行光），經(jīng)過物鏡后，會聚在它的后焦點外離焦 點很近的地方，成一倒立、縮小的實像。目鏡的前焦點和物鏡的后焦點是重合 的。所以物鏡的像作為目鏡的物體，從目鏡可看到遠處物體的倒立虛像，由于 增大了視角，故提高了分辨能力，見圖 1-12。當觀測無限遠處的物體時，物鏡的焦平面和目鏡的焦平面重合，物體通過 物鏡成像在它的后焦面上，同時也處于目鏡的前焦面上，因而通過目鏡觀察時 成像于無限遠，此時望遠鏡的放大率為：(1-6)由此可見，望遠鏡的放大率 等于物鏡和目鏡焦距之比。若要提高望遠鏡的 放大率，可增大物

41、鏡的焦距或減小目鏡的焦距。當用望遠鏡觀測近處物體時，其成像的光路圖可用圖 1-13來表示。圖中l(wèi)1、l1和l2、l2分別為透鏡 Lo和 Le成像時的物距和像距， 是物鏡和目鏡焦點之間的距離，即光學間隔（在實用望遠鏡中是 可得個不為零的小數(shù)量）。由圖 1-13tan A BOBy2l2AB tanOBy1l1 l1 l2y2l1l ( l1 l1 l2)圖 1-13 觀察近處物體時望遠鏡的光路圖故觀察近處物體時望遠鏡的放大率為(1-7)tanl1( l1 l1)tanl1l2在滿足近軸光線和薄透鏡條件前提下，利用透鏡成像公式，可得為了把放大的虛像 y3與物體 y1直接比較，必須使 y3和 y1處

42、于同一平面內，即要求l2 l1 l1 l 2 。同時引入望遠鏡鏡筒長度 l l1 l2 ，并利用 l1和l2兩個表達式，得l1l2l1l2( l1 ll1) foee(1-8)在測出 fo、 fe、 l和l1后，由式(1-8)可算出望遠鏡的放大率。顯然當物距l(xiāng)1 f o時，因式 (1-8)中括號內的量接近于 1，式(1-8)變回式(1-6)。望遠鏡的分辨本領用它的最小分辨角 來表示。由光的衍射理論知：(理論 ) 1.22D式中，為 照明光波的波長， D 為望遠鏡物鏡的孔徑，角度的單位是弧度。即兩個物體如果對望遠鏡的張角小于 (理論)值。則望遠鏡將無法分辨 它們是兩個物體(兩個物體重疊成一個像)

43、儀器用具（1）標尺（2）干板架（3）磁力表座（4）物鏡（40.0，f 150.0）（5）一維調節(jié)滑塊（6）一維調節(jié)滑塊（7）目鏡（ =20.0mm，f = 30.0mm； = 20.0mm， f = -40.0）（8）導軌，滑塊，支桿，調節(jié)支座等五. 實驗內容（1）按照圖 1-12組裝開普勒望遠鏡（物鏡選擇 f =150mm，目鏡選擇 f = 30mm），調整光學元件同軸等高。（2）將標尺安放在距離望遠鏡物鏡大于 1 米處，用一只眼睛直接觀察標 尺，同時用另外一只眼睛通過望遠鏡的目鏡看標尺的像，并對準標尺上兩個紅 色標記間的區(qū)間，長度為 L。經(jīng)適應性練習，獲得被望遠鏡放大的和直觀的標尺 的疊加

44、像。（3）測出紅色標記內標尺的長度 L ，則其放大率為=L=L（4）量出望遠鏡的鏡筒長度 l和物距 l1 ，按照式 （1-8）計算其放大率，并與實 驗觀察出來的放大率進行比較。（5）替換目鏡（ f = -40mm），搭建伽利略望遠鏡，重復（ 2）（ 3）（ 4） 步。（6）由波長和物鏡孔徑，理論計算望遠鏡的的最小分辨角。1.5. 偏振光實驗光波是一種電磁波、因此，光波的傳播方向就是電磁波的傳播方向，所以 光波的速度與電矢量 E和磁矢量 H相互垂直。在光波的影響中，通常 H的影響是 較小的， E的影響最大，所以通常把 E稱為光矢量，光的偏振態(tài)也是由 E來決 定。光的偏振現(xiàn)象是光學中一種重要現(xiàn)象，

45、是驗證光是橫波的重要依據(jù)。本實 驗通過對偏振現(xiàn)象的理論分析，并從實驗操作入手，通過觀測各波片之后的偏 振態(tài)變化和偏振光的光強，對光的偏振現(xiàn)象作出理論與實驗的解釋。實驗目的1）了解光的偏振態(tài)的性質；2）了解波片的作用及圓偏光和橢偏光的；3）驗證馬呂斯定律；利用布儒斯特角測量介質的折射率；實驗原理按照光的電磁理論，光波就是電磁波，電磁波是橫波，所以光波也是橫 波。在大多數(shù)情況下，電磁輻射同物質相互作用時，起主要作用的是電場，因 此常以電矢量作為光波的振動矢量。其振動方向相對于傳播方向的一種空間取 向稱為偏振，光的這種偏振現(xiàn)象是橫波的特征。根據(jù)偏振的概念，如果電矢量的振動只限于某一確定 方向的光，稱

46、為平面偏振光，亦稱線偏振光；如果電矢量 隨時間作有規(guī)律的變化，其末端在垂直于傳播方向的平面 上的軌跡呈橢圓（或圓），這樣的光稱為橢圓偏振光（或 圓偏振光）；若電矢量的取向與大小都隨時間作無規(guī)則變化，各方向的取向率相同，稱為自然光，如圖 1-14所圖 1-14 自然光示；若電矢量在某一確定的方向上最強，且各向的電振動無固定相位關系，則 稱為偏振光凡是電振動只限于某一確定方向和該方向的負方向的光稱為線偏振光（亦 稱平面偏振光）。在垂直于光傳播方向的任一確定平面內，光波電矢量端點隨 時間作橢圓運動的光稱作橢圓偏振光；作圓運動的稱作圓偏振光。以上三種統(tǒng) 稱完全偏振光，若在垂直于光傳播方向的平面（簡稱迎

47、光平面）內，電矢量的 取向與大小都隨時間作無規(guī)則變化，且各方向的取向幾率相同，彼此之間沒有 固定的位相關系，則稱為自然光。自然光和線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光 三者的任一個組合起來，就成為部分偏振光。獲得偏振光的方法（1）非金屬鏡面的反射，當自然光從空氣照射在折射率為 n的非金屬鏡面 （如玻璃、水等）上，反射光與折射光都將成為部分偏振光。當入射角增大到 某一特定值 0時，鏡面反射光成為完全偏振光，其振動面垂直于射面，這時入 射角 稱為布儒斯特角，也稱起偏振角，由布儒斯特定律得：tan(1-9)其中， n為折射率。（2）多層玻璃片的折射，當自然光以布儒斯特角入射到疊在一起的多層平 行玻璃片上時

48、，經(jīng)過多次反射后透過的光就近似于線偏振光，其振動在入射面 內。（3）晶體雙折射產(chǎn)生的尋常光（ o光）和非常光（ e光），均為線偏振光。（4）用偏振片可以得到一定程度的線偏振光。偏振片偏振片是利用某些有機化合物晶體的二向色性，將其滲入透明塑料薄膜 中，經(jīng)定向拉制而成。它能吸收某一方向振動的光，而透過與此垂直方向振動 的光，由于在應用時起的作用不同而叫法不同，用來產(chǎn)生偏振光的偏振片叫做 起偏器，用來檢驗偏振光的偏振片叫做檢偏器。按照馬呂斯定律，強度為 I0的線偏振光通過檢偏器后，透射光的強度為：2I I0 cos2（1-10）式中 為入射偏振光的偏振方向與檢偏器偏振化方向之間的夾角，顯然當 以光線

49、傳播方向為軸轉動檢偏器時，透射光強度 I發(fā)生周期性變化。當 =0 時，透射光強最大；當 =90時，透射光強為極小值（消光狀態(tài)）；當 0 90時，透射光強介于最大和最小之間。自然光通過起偏器后可變?yōu)榫€偏振光，線偏振光振動方向與起偏器的透光 軸方向一致。因此，如果檢偏器的透光軸與起偏器的透光軸平行，則在檢偏器 后面可看到一定光強，如果二者垂直時，則無光透過，如圖1-15所示。其中（ a）圖為起偏器透光軸 P1與檢偏器透光軸 P2平行的情況；（ b）圖為起偏器透 光軸 P1與檢偏器透光軸 P2垂直的情況。此時透射光強為零，此種現(xiàn)象稱為消 光。在實驗中要經(jīng)常利用“消光”現(xiàn)象來判斷光的偏振狀態(tài)。圖 1-

50、15 偏振光馬呂斯定律如果光源中的任一波列（用振動平面 E表示）投射在起偏器 P上（圖 3-2）， 只有相當于它的成份之一的 Ey （平行于光軸方向的矢量）能夠通過，另一成份 Ex（ E0 cos ）則被吸收。與此類似，若投射在檢偏器 A上的線偏振光的振幅 為 E0，則透過 A的振幅為 E0cos （這里 是P與A偏振化方向之間的夾角）。由 于光強與振幅的平方成正比，可知透射光強 I 隨 而變化的關系為2I I0 cos2（1-11）這就是馬呂斯定律。布儒斯特角當光從折射率為 n1的介質（例如空氣）入射到折射率為 n2 的介質（例如玻 璃）交界面，而入射角又滿足：tann2n1(1-12)時，

51、反射光即成完全偏振光，其振動面垂直于入射面。B 稱布儒斯特角，上式即布儒斯特定律。顯然， B 角的大小因相關物質折射率大小而異。若 n1表 示的是空氣折射率，（數(shù)值近似等于 1）上式可寫成：tann2圖 1-16 布儒斯特定律波片波片也稱相位延遲片，是由晶體制成的厚度均勻的薄片，其光軸與薄片表面平行，它能使晶片內的 o光和 e光通過晶片后產(chǎn)生附加相位差。根據(jù)薄片的厚 度不同，可以分為 1/2波長片， 1/4波長片等，所用的 1/2、1/4波長片皆是對鈉光 而言的。當線偏振光垂直射到厚度為 L，表面平行于自身光軸的單軸晶片時，則尋常光（ o光）和非常光（ e光）沿同一方面前進，但傳播的速度不同。

52、這兩種偏振光通過晶片后，它們的相位差 為：(1-13)2 no ne L其中， 為入射偏振光在真空中的波長， no和ne分別為晶片對 o光和 e光的折 射率， L為晶片的厚度。橢圓偏振光和圓偏振光我們知道，兩個互相垂直的，同頻率且有固定相位差的簡諧振動，可用下 列方程表示（通過晶片后 o光和 e光的振動）：(1-14)X Aesin tY Ao sin t從兩式中消去 t，經(jīng)三角運算后得到全振動的方程式為：X2Ae2Y2Ao22XYcosAeAo2 sin(1-15)由此式可知；當 =K (K = 0，1.2.）時，為線偏振光當 2K 1 （K = 0，1.2.）時，為正橢圓偏振光。在 Ao =Ae時， 2為圓偏振光。當 為其他值時，為橢圓偏振光。在