《工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)》課件

工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)

主講教師：李晶閩南理工學(xué)院實(shí)踐教學(xué)中心

工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)

主講教師：李晶閩南理工學(xué)院1目錄

光學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)備知識(shí)…………2實(shí)驗(yàn)一用自準(zhǔn)法測(cè)薄凸透鏡焦距f………………5實(shí)驗(yàn)二用位移法測(cè)薄凸透鏡焦距f………………7實(shí)驗(yàn)三目鏡焦距fe的測(cè)量………9實(shí)驗(yàn)四自組顯微鏡………………11實(shí)驗(yàn)五自組透射式幻燈機(jī)（投影系統(tǒng)）………13實(shí)驗(yàn)六測(cè)節(jié)點(diǎn)位置及透鏡組焦距………………15實(shí)驗(yàn)七菲涅爾雙棱鏡干涉………18實(shí)驗(yàn)八偏振光分析………………21目錄光學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)備知識(shí)………2光學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)備知識(shí)返回光學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)備知識(shí)返回3光學(xué)實(shí)驗(yàn)是普通物理實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要部分。這里先介紹光學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常用到的知識(shí)和調(diào)節(jié)技術(shù)。初學(xué)者在做實(shí)驗(yàn)以前應(yīng)認(rèn)真閱讀這些內(nèi)容，并且在實(shí)驗(yàn)中遵守有關(guān)規(guī)則和靈活運(yùn)用有關(guān)知識(shí)。一、光學(xué)元件和儀器的維護(hù)透鏡、棱鏡等光學(xué)元件，大多數(shù)是用光學(xué)玻璃制成的。它們的光學(xué)表面都是經(jīng)過(guò)仔細(xì)的研磨和拋光，有些還鍍有一層或多層薄膜。對(duì)這些元件或其材料的光學(xué)性能（例如折射率、反射率、透射率等）都有一定的要求，而它們的機(jī)械性能和化學(xué)性能可能很差，若使用和維護(hù)不當(dāng)，則會(huì)降低光學(xué)性能甚至損壞報(bào)廢。造成損壞的常見(jiàn)原因有：摔壞、磨損、污損、發(fā)霉、腐蝕等。為了安全使用光學(xué)元件和儀器，必須遵守以下規(guī)則：必須在了解儀器的操作和使用方法后方可使用。輕拿輕放，勿使儀器或光學(xué)元件受到?jīng)_擊或震動(dòng)，特別要防止摔落。不使用的光學(xué)元件應(yīng)隨時(shí)裝入專用盒內(nèi)并放入平臺(tái)的箱子內(nèi)，最好放入干燥器中保存。切忌用手接觸元件的光學(xué)表面。如必需用手拿光學(xué)元件時(shí)，只能接觸其磨沙面，如透鏡的邊緣、棱鏡的上下底面等（如預(yù)備圖-1）。光學(xué)實(shí)驗(yàn)是普通物理實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要部分。這里先介紹光學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)4光學(xué)表面上如有灰塵，用實(shí)驗(yàn)室專備的干燥脫脂棉輕輕拭去或用橡皮球吹掉。光學(xué)表面上若有輕微的污痕或指印，用清潔的鏡頭紙輕輕拂去，但不要加壓擦拭，更不準(zhǔn)用手帕、普通紙片、衣服等擦拭。若表面有較嚴(yán)重的污痕或指印，應(yīng)由實(shí)驗(yàn)室人員用丙酮或酒精清洗。所有鍍膜面均不能接觸或擦拭。防止唾液或其溶液濺落在光學(xué)表面上。光學(xué)表面上如有灰塵，用實(shí)驗(yàn)室專備的干燥脫脂棉輕輕拭去或用橡皮5調(diào)整光學(xué)儀器時(shí)，要耐心細(xì)致，一邊觀察一邊調(diào)整，動(dòng)作要輕、慢，嚴(yán)禁盲目及粗魯操作。儀器用畢后應(yīng)放回箱內(nèi)或加罩，防止灰塵沾污。二、消視差光學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常要測(cè)量像的位置和大小，經(jīng)驗(yàn)告訴我們，要測(cè)準(zhǔn)物體的大小，必須將量度標(biāo)尺與被測(cè)物體緊貼在一起。如果標(biāo)尺遠(yuǎn)離被測(cè)物體，讀數(shù)將隨眼睛的位置不同而有所改變，難以測(cè)準(zhǔn)，如預(yù)備圖-2所示。可是在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中被測(cè)物往往是一個(gè)看得見(jiàn)摸不著的像，怎樣才能確定標(biāo)尺和待測(cè)像是緊貼在一起的呢？利用“視差”現(xiàn)象可以幫助我們解調(diào)整光學(xué)儀器時(shí)，要耐心細(xì)致，一邊觀察一邊調(diào)整，動(dòng)作要輕、慢，6決這個(gè)問(wèn)題。為了認(rèn)識(shí)“視差”現(xiàn)象，讀者可做一簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)：雙手各伸出一只手指，并使一指在前，一指在后相隔一定距離，且兩指平行。用一只眼睛觀察，當(dāng)左右（或上下）晃動(dòng)眼睛時(shí)（眼睛移動(dòng)方向應(yīng)與被觀察手指垂直），就會(huì)發(fā)現(xiàn)兩指間有相對(duì)移動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為“視差”。而且還會(huì)看到離眼近者，其移動(dòng)方向與眼睛移動(dòng)方向相反；離眼遠(yuǎn)者則與眼睛移動(dòng)方向相同。若將兩指緊貼在一起，則無(wú)上述現(xiàn)象，即無(wú)“視差”。由此可以利用視差現(xiàn)象來(lái)判斷測(cè)像與標(biāo)尺是否緊貼。若待測(cè)像和標(biāo)尺間有視差，說(shuō)明它們沒(méi)有緊貼在一起，則應(yīng)該稍稍調(diào)節(jié)像或標(biāo)尺位置，并同時(shí)微微晃動(dòng)眼睛觀察，直到它們之間無(wú)視差后方可進(jìn)行測(cè)量。這一調(diào)節(jié)步驟，我們常稱之為“消視差”。在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，“消視差”常常是測(cè)量前必不可少的操作步驟。決這個(gè)問(wèn)題。為了認(rèn)識(shí)“視差”現(xiàn)象，讀者可做一簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)：雙手各7三、共軸調(diào)節(jié)光學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常要用一個(gè)或多個(gè)透鏡成像。為了獲得質(zhì)量好的像，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。此外透鏡成像公式中的物距、像距等都是沿主光軸計(jì)算長(zhǎng)度的，為了測(cè)量準(zhǔn)確，必須使透鏡的主光軸與帶有刻度的標(biāo)尺平行。為了達(dá)到上述要求的調(diào)節(jié)我們統(tǒng)稱為共軸調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)方法如下：1、粗調(diào)，將光源、物和透鏡靠攏，調(diào)節(jié)它們的取向和高低左右位置，憑眼睛觀察，使它們的中心處在一條和標(biāo)尺平行的直線上，使透鏡的主光軸與標(biāo)尺平行，并且使物（或物屏）和成像平面（或像屏）與平臺(tái)垂直。這一步因單憑眼睛判斷，調(diào)節(jié)效果與實(shí)驗(yàn)者的經(jīng)驗(yàn)有關(guān)，故稱為粗調(diào)。通常應(yīng)再進(jìn)行細(xì)調(diào)（要求不高時(shí)可只進(jìn)行粗調(diào)）。2、細(xì)調(diào)，這一步驟要靠其他儀器或成像規(guī)律來(lái)判斷和調(diào)節(jié)。不同的裝置可能有不同的具體調(diào)節(jié)方法。下面介紹物與單個(gè)凸透鏡共軸的調(diào)節(jié)方法。使物體與單個(gè)凸透鏡共軸實(shí)際上是指將物上的某一點(diǎn)調(diào)到主光軸上。要解決這一問(wèn)題，首先要知道如何判斷物上的點(diǎn)是否在透鏡的主光軸上。根據(jù)凸透鏡成像規(guī)律即可判斷。如預(yù)備圖-3所示，當(dāng)物AB與像屏之間的距離b大于4f時(shí)，將凸透鏡沿光軸移到O1或O2位置都能在屏上成像，一次成大像A1B1，一次成小像A2B2。物點(diǎn)A位于光軸上，則兩次三、共軸調(diào)節(jié)8像的A1和A2點(diǎn)都在光軸上而且重合。物點(diǎn)B不在光軸上，則兩次像的B1和B2一定都不在光軸上，而且不重合。但是，小像的B2點(diǎn)總是比大像的B1點(diǎn)更接近光軸。由此可知，若要將B點(diǎn)調(diào)到凸透鏡光軸上，只需記住像屏上小像的B2點(diǎn)位置（屏上貼有坐標(biāo)紙供記錄位置時(shí)作參照物），調(diào)節(jié)透鏡（或物）的高低左右，使B1向B2靠攏。這樣反復(fù)調(diào)節(jié)幾次直到B1與B2重合，即說(shuō)明B點(diǎn)已調(diào)到透鏡的主光軸上了。 若要調(diào)多個(gè)透鏡共軸，則應(yīng)先將物上B點(diǎn)調(diào)到一個(gè)凸透鏡的主光軸上，然后，同樣根據(jù)軸上物點(diǎn)的像總在軸上的原理，逐個(gè)增加待調(diào)透鏡，調(diào)節(jié)它們使之逐個(gè)與第一個(gè)透鏡共軸。像的A1和A2點(diǎn)都在光軸上而且重合。物點(diǎn)B不在光軸上，則兩次9實(shí)驗(yàn)一用自準(zhǔn)法測(cè)薄凸透鏡焦距f返回實(shí)驗(yàn)一用自準(zhǔn)法測(cè)薄凸透鏡焦距f返回10一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康蘑耪莆蘸?jiǎn)單光路的分析和調(diào)整方法⑵了解、掌握自準(zhǔn)法測(cè)凸透鏡焦距的原理及方法二、實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)發(fā)光點(diǎn)（物）處在凸透鏡的焦平面時(shí)，它發(fā)出的光線通過(guò)透鏡后將成為一束平行光。若用與主光軸垂直的平面鏡將此平行光反射回去，反射光再次通過(guò)透鏡后仍會(huì)聚于透鏡的焦平面上，其會(huì)聚點(diǎn)將在發(fā)光點(diǎn)相對(duì)于光軸的對(duì)稱位置上。三、實(shí)驗(yàn)儀器一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?11、帶有毛玻璃的白熾燈光源S2、品字形物屏P：SZ-143、凸透鏡L：f=190mm(f=150mm)4、二維調(diào)整架：SZ-075、平面反射鏡M二維調(diào)整架：SZ-077、通用底座：SZ-048、二維底座：SZ-029、通用底座：SZ-0410、通用底座：SZ-041、帶有毛玻璃的白熾燈光源S12四、儀器實(shí)物圖及原理圖

圖一四、儀器實(shí)物圖及原理圖13五、實(shí)驗(yàn)步驟1、把全部元件按圖一的順序擺放在平臺(tái)上，靠攏，調(diào)至共軸。而后拉開(kāi)一定的距離。可調(diào)成如圖一所示的距離2、前后移動(dòng)凸透鏡L，使在物屏P上成一清晰的品字形像。3、調(diào)M的傾角，使P屏上的像與物重合。4、再前后微動(dòng)透鏡L，使P屏上的像既清晰又與物同大小。

五、實(shí)驗(yàn)步驟145、分別記下P屏和透鏡L的位置a1、a2。6、把P屏和透鏡L都轉(zhuǎn)180度，重復(fù)做前四步。7、再記下P和L的新位置b1、b2。8、分別把f=150mm和f=190mm的透鏡各做一遍，并比較實(shí)驗(yàn)值和真實(shí)值的差異，并分析其原因。9、老師可選擇更多規(guī)格的透鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。（選做）六、數(shù)據(jù)處理被測(cè)透鏡焦距：f=(fa+fb)/25、分別記下P屏和透鏡L的位置a1、a2。15實(shí)驗(yàn)二用位移法測(cè)薄凸透鏡焦距f返回實(shí)驗(yàn)二用位移法測(cè)薄凸透鏡焦距f返回16一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私狻⒄莆瘴灰品y(cè)凸透鏡焦距的原理及方法二、實(shí)驗(yàn)原理對(duì)凸透鏡而言，當(dāng)物和像屏間的距離L大于4倍焦距時(shí)，在它們之間移動(dòng)透鏡，則在屏上會(huì)出現(xiàn)兩次清晰的像，一個(gè)為放大的像，一個(gè)為縮小的像。分別記下兩次成像時(shí)透鏡距物的距離O1、O2(e=|O1-O2|)，距屏的距離O1'、O-2'根據(jù)光線的可逆性原理，這兩個(gè)位置是“對(duì)稱”的。即O1=O2'，O2=O1'則：L－e=O1＋O2'＝２O1＝２O2'O1=O2'＝(L－e)/２而O1'=L－O1＝L－(L－e)/２＝(L+e)/2把結(jié)果帶入透鏡的牛頓公式1/s+1/s'=1/f一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?7得到透鏡的焦距為由此便可算得透鏡的焦距，這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是，把焦距的測(cè)量歸結(jié)為對(duì)于可以精確測(cè)定的量L和e的測(cè)量，避免了在測(cè)量u和v時(shí)，由于估計(jì)透鏡中心位置不準(zhǔn)確所帶來(lái)的誤差。三、實(shí)驗(yàn)儀器帶有毛玻璃的白熾燈光源S2、品字形物屏P：SZ-143、凸透鏡L：f=190mm(f=150mm)4、二維調(diào)整架：SZ-075、白屏H：SZ-136、通用底座：SZ-047、二維底座：SZ-028、通用底座：SZ-049、通用底座：SZ-04四、儀器實(shí)物圖及原理圖（見(jiàn)圖二）得到透鏡的焦距為由此便可算得透鏡的焦距，這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是，把18五、實(shí)驗(yàn)步驟把全部器件按圖二的順序擺放在平臺(tái)上，靠攏后目測(cè)調(diào)至共軸，而后再使物屏P和白屏H之間的距離大于4倍焦距。沿標(biāo)尺前后移動(dòng)L，使品字形物在白屏H上成一清晰的放大像，記下L的位置a1。再沿標(biāo)尺向后移動(dòng)L，使物再在白屏H上成一縮小像，記下L的位置a2。將P、L、H轉(zhuǎn)180度，重復(fù)做前三步，又得到L的兩個(gè)位置b1、b2。分別把f=150mm和f=190mm的透鏡各做一遍，并比較實(shí)驗(yàn)值和真實(shí)值的差異并分析其原因。老師可選擇更多規(guī)格的透鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。（選做）五、實(shí)驗(yàn)步驟19六、數(shù)據(jù)處理透鏡焦距：f=(fa+fb)/2六、數(shù)據(jù)處理20圖二圖二21實(shí)驗(yàn)三目鏡焦距fe的測(cè)量返回實(shí)驗(yàn)三目鏡焦距fe的測(cè)量返回22一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私?、掌握用測(cè)量物像放大率來(lái)求目鏡焦距fe的原理及方法二、實(shí)驗(yàn)原理焦距的測(cè)量可以歸結(jié)為測(cè)量焦點(diǎn)到光學(xué)系統(tǒng)的某一指定點(diǎn)的距離。測(cè)量焦距時(shí)，常用到牛頓公式：。若物空間和像空間的光學(xué)介質(zhì)相同，則。線放大率：。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?3三、實(shí)驗(yàn)儀器1、帶有毛玻璃的白熾燈光源S2、1/10mm分劃板F3、二維調(diào)整架：SZ-074、被測(cè)目鏡Le(fe=14mm)5、可變口徑二維架：SZ-056、測(cè)微目鏡L(去掉其物鏡頭的讀數(shù)顯微鏡)7、讀數(shù)顯微鏡架:SZ-388、三維底座：SZ-019、一維底座：SZ-0310、一維底座：SZ-0311、通用底座：SZ-04三、實(shí)驗(yàn)儀器24四、儀器實(shí)物圖及原理圖圖三四、儀器實(shí)物圖及原理圖圖三25五、實(shí)驗(yàn)步驟把全部器件按圖三的順序擺放在平臺(tái)上，靠攏后目測(cè)調(diào)至共軸。在F、Le、L的底座距離很小的情況下，前后移動(dòng)Le，直至在測(cè)微目鏡L中看到清晰的1/10mm的刻線，并使之與測(cè)微目鏡中的標(biāo)尺（mm刻線）無(wú)視差。測(cè)出1/10mm刻線的寬度，求出其放大倍率m1，并分別記下L和Le的位置a1、b1。把測(cè)微目鏡L向后移動(dòng)30—40mm，再慢慢向前移動(dòng)Le，直至在測(cè)微目鏡L中又看到清晰且與毫米標(biāo)尺刻線無(wú)視差的1/10mm的刻線像。再測(cè)出像寬，求出m2，記下L和Le的位置a1、b2。六、數(shù)據(jù)處理mx=(像寬/實(shí)寬)÷20（20為測(cè)微目鏡的放大倍數(shù)）像距改變量：s=(a1-a2)+(b2-b1)被測(cè)目鏡焦距：fe=s/(m2-m1)五、實(shí)驗(yàn)步驟26實(shí)驗(yàn)四自組顯微鏡返回實(shí)驗(yàn)四自組顯微鏡返回27一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私怙@微鏡的基本原理和結(jié)構(gòu)，并掌握其調(diào)節(jié)、使用和測(cè)量它的放大率的一種方法。二、實(shí)驗(yàn)原理物鏡Lo的焦距fo很短，將F1放在它前面距離略大于fo的位置，F(xiàn)1經(jīng)Lo后成一放大實(shí)像F’1，然后再用目鏡Le作為放大鏡觀察這個(gè)中間像F’1，F(xiàn)’1應(yīng)成像在Le的第一焦點(diǎn)Fe之內(nèi)，經(jīng)過(guò)目鏡后在明視距離處成一放大的虛像F’’1。三、實(shí)驗(yàn)儀器1、帶有毛玻璃的白熾燈光源S2、1/10mm分劃板F1一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?83、二維調(diào)整架：SZ-074、物鏡Lo：fo=15mm5、二維調(diào)整架：SZ-076、測(cè)微目鏡Le（去掉其物鏡頭的讀數(shù)顯微鏡）7、讀數(shù)顯微鏡架:SZ-388、三維底座：SZ-019、一維底座：SZ-0310、一維底座：SZ-0311、通用底座：SZ-043、二維調(diào)整架：SZ-0729四、儀器實(shí)物圖及原理圖圖四（1）四、儀器實(shí)物圖及原理圖圖四（1）30圖四（2）圖四（2）31五、實(shí)驗(yàn)步驟1、把全部器件按圖四的順序擺放在平臺(tái)上，靠攏后目測(cè)調(diào)至共軸。2、把透鏡Lo、Le的間距固定為180mm。3、沿標(biāo)尺導(dǎo)軌前后移動(dòng)F1（F1緊挨毛玻璃裝置，使F1置于略大于fo的位置），直至在顯微鏡系統(tǒng)中看清分劃板F1的刻線。六、數(shù)據(jù)處理顯微鏡的計(jì)算放大率：M＝（250×）/（f0×fe）其中：=f0-fe，見(jiàn)圖示。本實(shí)驗(yàn)中的fe=250/20(計(jì)算方法可參考光學(xué)書(shū)籍)五、實(shí)驗(yàn)步驟32實(shí)驗(yàn)五自組透射式幻燈機(jī)返回實(shí)驗(yàn)五自組透射式幻燈機(jī)返回33一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私饣脽魴C(jī)的原理和聚光鏡的作用，掌握對(duì)透射式投影光路系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。二、實(shí)驗(yàn)原理幻燈機(jī)能將圖片的像放映在遠(yuǎn)處的屏幕上，但由于圖片本身并不發(fā)光，所以要用強(qiáng)光照亮圖片，因此幻燈機(jī)的構(gòu)造總是包括聚光和成像兩個(gè)主要部分，在透射式的幻燈機(jī)中，圖片是透明的。成像部分主要包括物鏡L、幻燈片P和遠(yuǎn)處的屏幕。為了使這個(gè)物鏡能在屏上產(chǎn)生高倍放大的實(shí)像?；脽羝琍必須放在物鏡L的物方焦平面外很近的地方，使物距稍大于L的物方焦距。聚光部分主要包括很強(qiáng)的光源（通常采用溴鎢燈）和透鏡L1L2構(gòu)成的聚光鏡。聚光鏡的作用是一方面要在未插入幻燈片時(shí)，能使屏幕上有強(qiáng)烈而均勻的照度，一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?4并且不出現(xiàn)光源本身結(jié)構(gòu)（如燈絲等）的像；一經(jīng)插入幻燈片后，能夠在屏幕上單獨(dú)出現(xiàn)幻燈圖片的清晰的像。另一方面，聚光鏡要有助于增強(qiáng)屏幕上的照度。因此，應(yīng)使從光源發(fā)出并通過(guò)聚光鏡的光束能夠全部到達(dá)像面。為了這一目的，必須使這束光全部通過(guò)物鏡L，這可用所謂“中間像”的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。即聚光器使光源成實(shí)像，成實(shí)像后的那些光束繼續(xù)前進(jìn)時(shí)，不超過(guò)透鏡L邊緣范圍。光源的大小以能夠使光束完全充滿L的整個(gè)面積為限。聚光鏡焦距的長(zhǎng)短是無(wú)關(guān)緊要的。通常將幻燈片放在聚光器前面靠近L2的地方，而光源則置于聚光器后2倍于聚光器焦距之處。聚光器焦距等于物鏡焦距的一半，這樣從光源發(fā)出的光束在通過(guò)聚光器前后是對(duì)稱的，而在物鏡平面上光源的像和光源本身的大小相等。并且不出現(xiàn)光源本身結(jié)構(gòu)（如燈絲等）的像；一經(jīng)插入幻燈片后，能35三、實(shí)驗(yàn)儀器1、帶有毛玻璃的白熾燈光源S2、聚光鏡L1：f1=50mm3、二維調(diào)整架：SZ-074、幻燈底片P5、干板架：SZ-126、放映物鏡L2：f2=190mm7、二維調(diào)整架：SZ-078、白屏H：SZ-139、三維底座：SZ-0110、一維底座：SZ-0311、二維底座：SZ-0212、一維底座：SZ-0313、通用底座：SZ-04四、儀器實(shí)物圖及原理圖（見(jiàn)圖六）三、實(shí)驗(yàn)儀器36圖六圖六37五、實(shí)驗(yàn)步驟把全部?jī)x器按圖六的順序擺放在平臺(tái)上，靠攏后目測(cè)調(diào)至共軸。將L2與H的間隔固定在間隔所能達(dá)到的最大位置，前后移動(dòng)P，使其經(jīng)L2在屏H上成一最清晰的像。將聚光鏡L1緊挨幻燈片P的位置固定，拿去幻燈片P，沿導(dǎo)軌前后移動(dòng)光源S，使其經(jīng)聚光鏡L1剛好成像于白屏H上。再把底片P放在原位上，觀察像面上的亮度和照度的均勻性。并記錄下所有儀器的位置，并算U1、U2、V1、V2的大小。把聚光鏡L1`拿去，再觀察像面上的亮度和照度的均勻性。注：演示其現(xiàn)象時(shí)的參考數(shù)據(jù)為U1=35，V1=35，U2=300，V2=520。和計(jì)算焦距時(shí)的數(shù)據(jù)并不相同。六、數(shù)據(jù)處理放映物鏡的焦距：f2=M/(M+1)平方×D2聚光鏡的焦距：f1=D1/(M+1)－D1/(M+1)平方五、實(shí)驗(yàn)步驟38實(shí)驗(yàn)六測(cè)節(jié)點(diǎn)位置及透鏡組焦距返回實(shí)驗(yàn)六測(cè)節(jié)點(diǎn)位置及透鏡組焦距返回39一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私馔哥R組節(jié)點(diǎn)的特性，掌握測(cè)透鏡組節(jié)點(diǎn)的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理光學(xué)儀器中的共軸球面系統(tǒng)、厚透鏡、透鏡組，常把它作為一個(gè)整體來(lái)研究。這時(shí)可以用三對(duì)特殊的點(diǎn)和三對(duì)面來(lái)表征系統(tǒng)在成像上的性質(zhì)。若已知這三對(duì)點(diǎn)和三對(duì)面的位置，則可用簡(jiǎn)單的高斯公式和牛頓公式來(lái)研究其成像規(guī)律。共軸球面系統(tǒng)的這三對(duì)基點(diǎn)和基面是：主焦點(diǎn)（F，F(xiàn)'）和主焦面，主點(diǎn)（H，H'）和主平面，節(jié)點(diǎn)（N，N'）和節(jié)平面。如附圖1，一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?0附圖1附圖2附圖1附圖241實(shí)際使用的共軸球面系統(tǒng)——透鏡組，多數(shù)情況下透鏡組兩邊的介質(zhì)都是空氣，根據(jù)幾何光學(xué)的理論，當(dāng)物空間和像空間介質(zhì)折射率相同時(shí)，透鏡組的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分別與兩個(gè)主點(diǎn)重合，在這種情況下，主點(diǎn)兼有節(jié)點(diǎn)的性質(zhì)，透鏡組的成像規(guī)律只用兩對(duì)基點(diǎn)（焦點(diǎn)，主點(diǎn)）和基面（焦面，主面）就完全可以確定了。實(shí)際使用的共軸球面系統(tǒng)——透鏡組，多數(shù)情況下透鏡組兩邊的介質(zhì)42根據(jù)節(jié)點(diǎn)定義，一束平行光從透鏡組左方入射，如附圖2，光束中的光線經(jīng)透鏡組后的出射方向，一般和入射方向不平行，但其中有一根特殊的光線，即經(jīng)過(guò)第一節(jié)點(diǎn)N的光線PN，折射后必須通過(guò)第二節(jié)點(diǎn)N'且出射光線N'Q平行于原入射光線PN。設(shè)N'Q與透鏡組的第二焦平面相交于F''點(diǎn)。由焦平面的定義可知，PN方向的平行光束經(jīng)透鏡組會(huì)聚于F''點(diǎn)。若入射的平行光的方向PN與透鏡組光軸平行時(shí)，F(xiàn)''點(diǎn)將與透鏡組的主焦點(diǎn)F'重合，如附圖3《工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)》課件43綜上所述節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有下列性質(zhì)：當(dāng)平行光入射透鏡組時(shí)，如果繞透鏡組的第二節(jié)點(diǎn)N'微微轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)小角，則平行光經(jīng)透鏡組后的會(huì)聚點(diǎn)F'在屏上的位置將不橫移，只是變得稍模糊一點(diǎn)兒，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)透鏡組后入射于節(jié)點(diǎn)N的光線并沒(méi)有改變?cè)瓉?lái)入射的平行光的方向，因而N'Q的方向也不改變，又因?yàn)橥哥R組是繞N'點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，N點(diǎn)不動(dòng)，附圖3綜上所述節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有下列性質(zhì)：當(dāng)平行光入射透鏡組時(shí)，如果繞透鏡44所以N‘Q線也不移動(dòng)，而像點(diǎn)始終在N’Q線上，故F‘’點(diǎn)不會(huì)有橫向移動(dòng)，至于NF‘’的長(zhǎng)度，當(dāng)然會(huì)隨著透鏡組的轉(zhuǎn)動(dòng)有很小的變化，所以F‘’點(diǎn)前后稍有移動(dòng)，屏上的像會(huì)稍有模糊一點(diǎn)。反之，如果透鏡組繞N‘點(diǎn)以外的點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，則F’‘點(diǎn)會(huì)有橫向移動(dòng)，利用節(jié)點(diǎn)的這一特性構(gòu)成了下面的測(cè)量方法。使用一個(gè)能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)軌，導(dǎo)軌側(cè)面裝有刻度尺，這個(gè)裝置就是節(jié)點(diǎn)架。把透鏡組裝在可以旋轉(zhuǎn)的節(jié)點(diǎn)架的導(dǎo)軌上，節(jié)點(diǎn)架前是一束平行光，平行光射向透鏡組。接著將透鏡組在節(jié)點(diǎn)架上前后移動(dòng)，同時(shí)使架做微小的轉(zhuǎn)動(dòng)。兩個(gè)動(dòng)作配合進(jìn)行，直到能得到清晰的像，且不發(fā)生橫移為止。這時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)軸必通過(guò)透鏡組的像方節(jié)點(diǎn)N'，它的位置就被確定了。并且當(dāng)N'與H'重合時(shí)，所以N‘Q線也不移動(dòng)，而像點(diǎn)始終在N’Q線上，故F‘’點(diǎn)不45從轉(zhuǎn)動(dòng)軸到屏的距離為N'F'，即為透鏡組的像方焦距f’。把透鏡組轉(zhuǎn)180度，使光線由L2進(jìn)入，由L1射出。利用同樣的方法可測(cè)出物方節(jié)點(diǎn)N的位置。三、實(shí)驗(yàn)儀器1、帶有毛玻璃的白熾燈光源S2、1/10mm分劃板F3、二維調(diào)整架：SZ-074、物鏡Lo：fo=190mm5、二維調(diào)整架：SZ-07從轉(zhuǎn)動(dòng)軸到屏的距離為N'F'，即為透鏡組的像方焦距f’。把466、透鏡組L1、L2：f1=220mm，f2=300mm7、節(jié)點(diǎn)架：SZ-258、測(cè)微目鏡Le（去掉其物鏡頭的讀數(shù)顯微鏡）9、讀數(shù)顯微鏡架:SZ-3810、三維底座：SZ-0111、一維底座：SZ-0312、一維底座：SZ-0313、一維底座：SZ-0314、通用底座：SZ-0415、白屏H：SZ-136、透鏡組L1、L2：f1=220mm，f2=30047四、儀器實(shí)物圖及原理圖圖七四、儀器實(shí)物圖及原理圖圖七48五、實(shí)驗(yàn)步驟調(diào)節(jié)由F，Lo組成的“平行光管”使其出平行光，可借助于對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)調(diào)焦的望遠(yuǎn)鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)。將“平行光管”、待測(cè)透鏡組、測(cè)微目鏡，按圖七的順序擺放在平臺(tái)上，目測(cè)調(diào)至共軸。前后移動(dòng)測(cè)微目鏡，使之能看清F處分劃板刻線的像。沿節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)架導(dǎo)軌前后移動(dòng)透鏡組，（同時(shí)也要相應(yīng)地移動(dòng)測(cè)微目鏡），直至轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)時(shí)，F(xiàn)處分劃板刻線的像無(wú)橫向移動(dòng)為止，此時(shí)像方節(jié)點(diǎn)N落在節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)架的轉(zhuǎn)軸上。用白屏H代替測(cè)微目鏡，使分劃板刻線的像清晰的成于白屏H上，分別記下屏和節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)架在標(biāo)尺導(dǎo)軌上的位置a、b，再在節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)架的導(dǎo)軌上記下透鏡組的中心位置（用一條刻線標(biāo)記）與調(diào)節(jié)架轉(zhuǎn)軸中心（0刻線的位置）的偏移量d。五、實(shí)驗(yàn)步驟49把節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)架轉(zhuǎn)180度，使入射方向和出射方向相互顛倒，重復(fù)3、4、5步，從而得到另一組數(shù)據(jù)a’、b’、d’。六、數(shù)據(jù)處理1、像方節(jié)點(diǎn)N偏離透鏡組中心的距離為：d透鏡組的像方焦距：f’=a-b物方節(jié)點(diǎn)N偏離透鏡組中心的距離為：d’透鏡組的物方焦距為：f=a’-b’2、用1：1的比例畫(huà)出該透鏡組及它的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置。把節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)架轉(zhuǎn)180度，使入射方向和出射方向相互顛倒，重復(fù)350實(shí)驗(yàn)七菲涅爾雙棱鏡干涉返回實(shí)驗(yàn)七菲涅爾雙棱鏡干涉返回51一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠^察雙棱鏡干涉現(xiàn)象及測(cè)定光波波長(zhǎng)二、實(shí)驗(yàn)原理利用光的干涉現(xiàn)象進(jìn)行光波波長(zhǎng)的測(cè)量，首先要獲得兩束相干光，使之重疊形成干涉，干涉條紋的空間分布既跟條紋與相干光源之間的相對(duì)位置有關(guān)，又跟光波波長(zhǎng)有關(guān)，從它們之間的關(guān)系式就能測(cè)出光波波長(zhǎng)。本實(shí)驗(yàn)利用雙棱鏡獲得兩束相干光，如附圖5所示，雙棱鏡是由兩塊底邊相接、折射棱角α小于1度的直角棱鏡組成的，從單縫S發(fā)出的單色光的波陣面，經(jīng)雙棱鏡折射后形成兩束互相重疊的光束，它們相當(dāng)于從狹縫S的兩個(gè)虛像S1 和S2射出的兩束相干光。于是在波束重疊的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了干涉，在該區(qū)域內(nèi)放置的屏上可以觀測(cè)到干涉條紋。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?2如附圖6所示，設(shè)S1與S2的間距為d，縫S至觀察屏的距離為D，O為觀察屏上距S1和S2等距的點(diǎn)，由S1和S2射來(lái)的兩束光在O點(diǎn)的光程差為零，故在O點(diǎn)處兩光波互相加強(qiáng)形成零級(jí)亮條紋，而在O點(diǎn)兩側(cè)，則排列著明暗相間的等距干涉條紋。附圖5附圖6如附圖6所示，設(shè)S1與S2的間距為d，縫S至觀察屏的距離為D53對(duì)于屏上距O點(diǎn)為x的P點(diǎn)。當(dāng)D>>d。D>>x時(shí)，有δ／d=x/因?yàn)镈故δ／dx/D即δ=xd/D根據(jù)相干條件，當(dāng)光程差δ滿足：（1）δ=2k()時(shí)，即在x=k處（k=0、1、2、…），產(chǎn)生亮條紋。（2）δ=（2k-1）時(shí)，即在x=（2k-1）處（k=0、1、2、…），產(chǎn)生暗條紋。因此，兩相鄰亮條紋（或暗條紋）間的距離為干涉條紋的間距為：x=xk+1-xk=d——兩個(gè)狹縫中心的間距λ——單色光波波長(zhǎng)D——狹縫屏到觀測(cè)屏（測(cè)微目鏡焦平面）的距離從實(shí)驗(yàn)中測(cè)得D，d以及x，即可由上式算出波長(zhǎng)。對(duì)于屏上距O點(diǎn)為x的P點(diǎn)。當(dāng)D>>d。D>>x時(shí)，有δ／54三、實(shí)驗(yàn)儀器1、鈉光燈（可加圓孔光闌）2、凸透鏡L：f=50mm3、二維調(diào)整架：SZ-074、單面可調(diào)狹縫：SZ-225、二維調(diào)整架：SZ-076、菲涅爾雙棱鏡：7、測(cè)微目鏡Le（去掉其物鏡頭的讀數(shù)顯微鏡）三、實(shí)驗(yàn)儀器558、讀數(shù)顯微鏡架:SZ-389、三維底座：SZ-0110、二維底座：SZ-0211、一維底座：SZ-0312、一維底座：SZ-0313、凸透鏡L’：f=150mm14、二維調(diào)整架：SZ-0715、通用底座：SZ-01四、儀器實(shí)物圖及原理圖（見(jiàn)圖十）8、讀數(shù)顯微鏡架:SZ-38四、儀器實(shí)物圖及原理圖（56圖十圖十57五、實(shí)驗(yàn)步驟1、把全部?jī)x器按照?qǐng)D十的順序在平臺(tái)上擺放好(圖上數(shù)值均為參考數(shù)值)，并調(diào)成共軸系統(tǒng)。鈉光燈（可加圓孔光闌）經(jīng)透鏡L聚焦于狹縫上。調(diào)節(jié)單縫和雙棱鏡的棱脊平行，而且由單縫射出的光對(duì)稱地照在棱脊的兩側(cè)。2、用白屏H或直接用眼睛觀測(cè)到干涉條紋后，再用測(cè)微目鏡中觀測(cè)。使相干光束處在目鏡視場(chǎng)中心，并調(diào)節(jié)單縫和棱脊的平行度，使干涉條紋最清晰。雙棱鏡干涉圖樣，應(yīng)為等間隔的明暗相間的干涉條紋。五、實(shí)驗(yàn)步驟583、用測(cè)微目鏡測(cè)出干涉條紋的間距x，測(cè)出單縫到測(cè)微目鏡叉絲分劃板的距離D，再用二次成像法測(cè)出兩個(gè)虛光源的間距d，由x=xk+1-xk=便可求出光波的波長(zhǎng)，并與鈉燈的波長(zhǎng)實(shí)際值比較，分析誤差原因。（二次成像法，在數(shù)據(jù)處理中有講解）。六、數(shù)據(jù)處理二次成像法：3、用測(cè)微目鏡測(cè)出干涉條紋的間距x，測(cè)出單縫到測(cè)微目鏡叉絲分59保持圖中狹縫、雙棱鏡的位置不動(dòng)，加入一已知焦距f=150的透鏡放在雙棱鏡后，使單縫與測(cè)微目鏡間的距離D>4f，移動(dòng)透鏡成像時(shí)，可以在兩個(gè)不同的位置上，從目鏡中看到一大一小兩個(gè)清晰的縫像（既虛光源S1、S2的像），測(cè)出兩個(gè)清晰的像間距d1及d2，根據(jù)物象公式，虛光源S1、S2的間距d=（第一成像）。d=(第二次成像)而s1=，=s2，故即代入公式即可求出波長(zhǎng)λ。《工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)》課件60實(shí)驗(yàn)八偏振光分析返回實(shí)驗(yàn)八偏振光分析返回61一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠^察光的偏振現(xiàn)象，分析偏振光，起偏，定光軸二、實(shí)驗(yàn)原理偏振光的基本概念光是電磁波，它的電矢量E和磁矢量H相互垂直，且均垂直于光的傳播方向c，通常用電矢量E代表代表光的振動(dòng)方向，并將電矢量E和光的傳播方向c所構(gòu)成的平面稱為光振動(dòng)面。在傳播過(guò)程中，電矢量的振動(dòng)方向始終在某一確定方向的光稱為平面偏振光一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?2或線偏振光，如附圖15（a）。光源發(fā)射的光是由大量原子或分子輻射構(gòu)成的。由于大量原子或分子的熱運(yùn)動(dòng)和輻射的隨機(jī)性，它們所發(fā)射的光的振動(dòng)面，出現(xiàn)在各個(gè)方面的幾率是相同的。故這種光源發(fā)射的光對(duì)外不顯現(xiàn)偏振的性質(zhì)，稱為自然光附圖15（b）。在發(fā)光過(guò)程中，有些光的振動(dòng)面在某個(gè)特定方向上出現(xiàn)的幾率大于其他方向，即在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)電矢量在某一方向上較強(qiáng)，這種的光稱為部分偏振光，如圖附圖15（c）所示，還有一些光，其振動(dòng)面的取向和電矢量的大小隨時(shí)間作有規(guī)律的變化，而電矢量末端在垂直于傳播方向的平面上的軌跡呈橢圓或圓。這種光稱為橢圓偏振光或圓偏振光?；蚓€偏振光，如附圖15（a）。光源發(fā)射的光是由大量原子或分子63附圖15（a）附圖15（b）附圖15（c）（二）獲得偏振光的常用方法將非偏振光變成偏振光的過(guò)程稱為起偏，起偏的裝置稱為起偏器。常用的起偏裝置主要有：1、反射起偏器（或透射起偏器）當(dāng)自然光在兩種媒質(zhì)的界面上反射和折射時(shí)，反射光和折射光都將成為部分偏振光。當(dāng)入射角達(dá)到某一特定值時(shí)，反射光成為完全偏振光，其振動(dòng)面垂直于入射面（見(jiàn)附圖16）而角就是布儒斯特角，也稱為起偏振角，由布儒斯特定律得附圖15（a）附圖15（b）附圖1564例如，當(dāng)光由空氣射向n=1.54的玻璃板時(shí)，=57度45679若入射光以起偏振角射到多層平行玻璃片上，經(jīng)過(guò)多次反射最后透射出來(lái)的光也就接近于線偏振光，其振動(dòng)面平行于入射面。由多層玻璃片組成的這種透射起偏振器又稱為玻璃片堆。見(jiàn)附圖17。附圖16例如，當(dāng)光由空氣射向n=1.54的玻璃板時(shí)，=57度4567652、晶體起偏器利用某些晶體的雙折射現(xiàn)象來(lái)獲得線偏振光，如尼科爾棱鏡等。偏振片（分子型薄膜偏振片）聚乙烯醇膠膜內(nèi)部含有刷狀結(jié)構(gòu)的煉狀分子。在膠膜被拉伸時(shí)，這些煉狀分子被拉直并平行排列在拉伸方向上，拉伸過(guò)的膠膜只允許振動(dòng)取向平行于分子排列方向（此方向稱為偏振片的偏振軸）的光通過(guò)，利用它可獲得線偏振光，其示意圖參看附圖18。偏振片是一種常用的“起偏”元件，用它可獲得截面積較大的偏振光束（它就是本實(shí)驗(yàn)使用的元件）。附圖172、晶體起偏器附圖1766(三)偏振光的檢測(cè)鑒別光的偏振光狀態(tài)的過(guò)程稱為檢偏，它所用的裝置稱為檢偏器。實(shí)際上，起偏器和檢偏器是通用的。用于起偏的偏振片稱為起偏振器，把它用于檢偏就成為檢偏器了。按照馬呂斯定律，強(qiáng)度為I0的線偏振光通過(guò)檢偏器后，透射光的強(qiáng)度為式中為入射光偏振方向與檢偏器偏振軸之間的夾角。顯然，當(dāng)以光線傳播方向?yàn)檩S轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器時(shí)，透射光強(qiáng)度I將發(fā)生周期性變化。當(dāng)=0度時(shí)，透射光強(qiáng)度最大；當(dāng)=90度時(shí)，透射光強(qiáng)度最?。ㄏ顟B(tài)）；當(dāng)0度<<90度時(shí)，透射光強(qiáng)度介于最大值和最小值之間。因此，根據(jù)透射光強(qiáng)度變化的情況，可以區(qū)別光的不同偏振狀態(tài)。(三)偏振光的檢測(cè)67(三)偏振光的檢測(cè)鑒別光的偏振光狀態(tài)的過(guò)程稱為檢偏，它所用的裝置稱為檢偏器。實(shí)際上，起偏器和檢偏器是通用的。用于起偏的偏振片稱為起偏振器，把它用于檢偏就成為檢偏器了。按照馬呂斯定律，強(qiáng)度為I0的線偏振光通過(guò)檢偏器后，透射光的強(qiáng)度為式中為入射光偏振方向與檢偏器偏振軸之間的夾角。顯然，當(dāng)以光線傳播方向?yàn)檩S轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器時(shí)，透射光強(qiáng)度I將發(fā)生周期性變化。當(dāng)=0度時(shí)，透射光強(qiáng)度最大；當(dāng)=90度時(shí)，透射光強(qiáng)度最?。ㄏ顟B(tài)）；當(dāng)0度<<90度時(shí)，透射光強(qiáng)度介于最大值和最小值之間。因此，根據(jù)透射光強(qiáng)度變化的情況，可以區(qū)別光的不同偏振狀態(tài)。附圖18(三)偏振光的檢測(cè)附圖1868（四）偏振光通過(guò)波晶片時(shí)的情形1.波晶片波晶片是從單軸晶體中切割下來(lái)的平行平面板，其表面平行于晶體的光軸。當(dāng)一束單色平行自然光正入射到波晶片上時(shí)，光在晶體內(nèi)部便分解為o光與e光。o光電矢量垂直于光軸;e光電矢量平行于光軸。而o光和e光的傳播方向不變，仍都與表面垂直。但o光在晶體內(nèi)的速度為,e光的為即相應(yīng)的折射率、不同。設(shè)晶片的厚度為L(zhǎng)，則兩束光通過(guò)晶體后就有位相差σ,即（四）偏振光通過(guò)波晶片時(shí)的情形69式中λ為光波在真空中的波長(zhǎng)。的晶片，稱為全波片，；稱為半波片（λ/2波片）；為λ/4片，上面的k都是任意整數(shù)。不論全波片，半波片或λ/4片都是對(duì)一定波長(zhǎng)而言。以下直角坐標(biāo)系的選擇，是以e光振動(dòng)方向?yàn)闄M軸，o光振動(dòng)方向?yàn)榭v軸。沿任意方向振動(dòng)的光，正入射到波晶片的表面，其振動(dòng)便按此坐標(biāo)系分解為e分量和o分量。2.光束通過(guò)波片后偏振態(tài)的改變平行光垂直入射到波晶片后，分解為e分量和o分量，透過(guò)晶片，二者間產(chǎn)生一附加位相差σ。離開(kāi)晶片時(shí)合成光波的偏振性質(zhì)，決定于σ及入射光的性質(zhì)。（1）偏振態(tài)不變的情形式中λ為光波在真空中的波長(zhǎng)。的晶片，稱為全波片，；稱為半波片70（i）自然光通過(guò)波晶片，仍為自然光。因?yàn)樽匀还獾膬蓚€(gè)正交分量之間的位相差是無(wú)規(guī)的，通過(guò)波晶片，引入一恒定的位相差σ，其結(jié)果還是無(wú)規(guī)的。（ii）若入射光為線偏振光，其電矢量E平行e軸（或o軸），則任何波長(zhǎng)片對(duì)它都不起作用，出射光仍為原來(lái)的線偏振光。因?yàn)檫@時(shí)只有一個(gè)分量，談不上振動(dòng)的合成與偏振態(tài)的改變。除上述二情形外，偏振光通過(guò)波晶片，一般其偏振情況是要改變的。（2）λ/2片與偏振光（i）若入射光為線偏振光，在λ/2片的前面（入射處）上分解為ε=0或π（i）自然光通過(guò)波晶片，仍為自然光。因?yàn)樽匀还獾膬蓚€(gè)正交分量71出射光表示為討論二波的相對(duì)位相差，上式可寫(xiě)為=故出射光二正交分量的相對(duì)位相差為：和這說(shuō)明出射光也是線偏振光，但振動(dòng)方向與入射光的不同。如入射光與晶片光軸成角，則出射光與光軸成-角。即線偏振光經(jīng)λ/2片電矢量振動(dòng)方向轉(zhuǎn)過(guò)了2角。（ii）若入射光為橢圓偏振光，作類似的分析可知，半波片既改變橢圓偏振光長(zhǎng)（短）軸的取向，也改變橢圓偏振光（圓偏振光）的旋轉(zhuǎn)方向。出射光表示為72（3）λ/4片與偏振光（i）入射光為線偏振光ε=0或π則出射光為則出射光為此式代表一正橢圓偏振光。對(duì)應(yīng)于右旋，對(duì)應(yīng)于左旋。當(dāng)時(shí)，出射光為圓偏振光。（ii）入射光為圓偏振光此式代表線偏振光。出射光電矢量沿一、三象限；，沿二、四象限。（3）λ/4片與偏振光73（iii）入射光為橢圓偏振光

出射光為可見(jiàn)出射光一般為橢圓偏振光。三、實(shí)驗(yàn)儀器1、He—Ne激光器（632.8nm）2、偏振片（起偏器）3、可變口徑二維架：SZ-054、偏振片（檢偏器）5、手動(dòng)X軸旋轉(zhuǎn)架：SZ-066、白屏H：SZ-137、通用底座：SZ-048、一維底座：SZ-039、一維底座：SZ-0310、通用底座：SZ-0411、1/4、1/2波片各一片12、公用底座：SZ-04（波片使用）13、手動(dòng)X軸旋轉(zhuǎn)架：SZ-06（iii）入射光為橢圓偏振光74四、儀器實(shí)物圖及原理圖圖十九四、儀器實(shí)物圖及原理圖圖十九75五、實(shí)驗(yàn)步驟，及數(shù)據(jù)處理定偏振片光軸：把所有器件按圖十九的順序擺放在平臺(tái)上，調(diào)至共軸。旋轉(zhuǎn)第二個(gè)偏振片，使起偏器的偏振軸與檢偏器的偏振軸相互垂直，這時(shí)可看到消光現(xiàn)象?？疾炱矫嫫窆馔ㄟ^(guò)λ/2波長(zhǎng)時(shí)的現(xiàn)象：（1）在兩塊偏振片之間插入λ/2波長(zhǎng)片，把X軸旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)動(dòng)360度，能看到幾次消光？解釋這現(xiàn)象。（2）將λ/2波長(zhǎng)轉(zhuǎn)任意角度，這時(shí)消光現(xiàn)象被破壞。把檢偏器轉(zhuǎn)動(dòng)360度，觀察到什么現(xiàn)象？由此說(shuō)明通過(guò)λ/2波長(zhǎng)片后，光變?yōu)樵鯓拥钠駹顟B(tài)？五、實(shí)驗(yàn)步驟，及數(shù)據(jù)處理76（3）仍使起偏器和檢偏器處于正交（即處于消光現(xiàn)象時(shí)），插入λ/2波長(zhǎng)，使消光，再將轉(zhuǎn)15度，破壞其消光。轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器至消光位置，并記錄檢偏器所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。（4）繼續(xù)將λ/2波長(zhǎng)轉(zhuǎn)15度（即總轉(zhuǎn)動(dòng)角為30度），記錄檢偏器達(dá)到消光所轉(zhuǎn)總角度。依次使λ/2波長(zhǎng)總轉(zhuǎn)角為45度，60度，75度，90度，記錄檢偏器消光時(shí)所轉(zhuǎn)總角度。

半波片轉(zhuǎn)動(dòng)角度檢偏器轉(zhuǎn)動(dòng)角度15度30度45度60度75度90度從上面實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出什么規(guī)律？（3）仍使起偏器和檢偏器處于正交（即處于消光現(xiàn)象時(shí)），插入λ77用波長(zhǎng)片產(chǎn)生圓偏振光和橢圓偏振光（1）按圖十九使與起偏器和檢偏器正交，用λ/4波長(zhǎng)片代替λ/2波長(zhǎng)片，轉(zhuǎn)動(dòng)λ/4波片使消光。（2）再將λ/4波片轉(zhuǎn)動(dòng)15度，然后將檢偏器轉(zhuǎn)動(dòng)360度，觀察到什么現(xiàn)象？你認(rèn)為這時(shí)從λ/4波片出來(lái)光的偏振狀態(tài)是怎樣？（3）依次將轉(zhuǎn)動(dòng)總角度為30度，45度，60度，75度，90度，每次將檢偏器轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄所觀察到的現(xiàn)象。λ/4波片轉(zhuǎn)動(dòng)的角度檢偏器轉(zhuǎn)動(dòng)360度觀察到的現(xiàn)象光的偏振性質(zhì)15度30度45度60度75度90度用波長(zhǎng)片產(chǎn)生圓偏振光和橢圓偏振光78ENDEND79工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)

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工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)

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光學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)備知識(shí)…………2實(shí)驗(yàn)一用自準(zhǔn)法測(cè)薄凸透鏡焦距f………………5實(shí)驗(yàn)二用位移法測(cè)薄凸透鏡焦距f………………7實(shí)驗(yàn)三目鏡焦距fe的測(cè)量………9實(shí)驗(yàn)四自組顯微鏡………………11實(shí)驗(yàn)五自組透射式幻燈機(jī)（投影系統(tǒng)）………13實(shí)驗(yàn)六測(cè)節(jié)點(diǎn)位置及透鏡組焦距………………15實(shí)驗(yàn)七菲涅爾雙棱鏡干涉………18實(shí)驗(yàn)八偏振光分析………………21目錄光學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)備知識(shí)………81光學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)備知識(shí)返回光學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)備知識(shí)返回82光學(xué)實(shí)驗(yàn)是普通物理實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要部分。這里先介紹光學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常用到的知識(shí)和調(diào)節(jié)技術(shù)。初學(xué)者在做實(shí)驗(yàn)以前應(yīng)認(rèn)真閱讀這些內(nèi)容，并且在實(shí)驗(yàn)中遵守有關(guān)規(guī)則和靈活運(yùn)用有關(guān)知識(shí)。一、光學(xué)元件和儀器的維護(hù)透鏡、棱鏡等光學(xué)元件，大多數(shù)是用光學(xué)玻璃制成的。它們的光學(xué)表面都是經(jīng)過(guò)仔細(xì)的研磨和拋光，有些還鍍有一層或多層薄膜。對(duì)這些元件或其材料的光學(xué)性能（例如折射率、反射率、透射率等）都有一定的要求，而它們的機(jī)械性能和化學(xué)性能可能很差，若使用和維護(hù)不當(dāng)，則會(huì)降低光學(xué)性能甚至損壞報(bào)廢。造成損壞的常見(jiàn)原因有：摔壞、磨損、污損、發(fā)霉、腐蝕等。為了安全使用光學(xué)元件和儀器，必須遵守以下規(guī)則：必須在了解儀器的操作和使用方法后方可使用。輕拿輕放，勿使儀器或光學(xué)元件受到?jīng)_擊或震動(dòng)，特別要防止摔落。不使用的光學(xué)元件應(yīng)隨時(shí)裝入專用盒內(nèi)并放入平臺(tái)的箱子內(nèi)，最好放入干燥器中保存。切忌用手接觸元件的光學(xué)表面。如必需用手拿光學(xué)元件時(shí)，只能接觸其磨沙面，如透鏡的邊緣、棱鏡的上下底面等（如預(yù)備圖-1）。光學(xué)實(shí)驗(yàn)是普通物理實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要部分。這里先介紹光學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)83光學(xué)表面上如有灰塵，用實(shí)驗(yàn)室專備的干燥脫脂棉輕輕拭去或用橡皮球吹掉。光學(xué)表面上若有輕微的污痕或指印，用清潔的鏡頭紙輕輕拂去，但不要加壓擦拭，更不準(zhǔn)用手帕、普通紙片、衣服等擦拭。若表面有較嚴(yán)重的污痕或指印，應(yīng)由實(shí)驗(yàn)室人員用丙酮或酒精清洗。所有鍍膜面均不能接觸或擦拭。防止唾液或其溶液濺落在光學(xué)表面上。光學(xué)表面上如有灰塵，用實(shí)驗(yàn)室專備的干燥脫脂棉輕輕拭去或用橡皮84調(diào)整光學(xué)儀器時(shí)，要耐心細(xì)致，一邊觀察一邊調(diào)整，動(dòng)作要輕、慢，嚴(yán)禁盲目及粗魯操作。儀器用畢后應(yīng)放回箱內(nèi)或加罩，防止灰塵沾污。二、消視差光學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常要測(cè)量像的位置和大小，經(jīng)驗(yàn)告訴我們，要測(cè)準(zhǔn)物體的大小，必須將量度標(biāo)尺與被測(cè)物體緊貼在一起。如果標(biāo)尺遠(yuǎn)離被測(cè)物體，讀數(shù)將隨眼睛的位置不同而有所改變，難以測(cè)準(zhǔn)，如預(yù)備圖-2所示?？墒窃诠鈱W(xué)實(shí)驗(yàn)中被測(cè)物往往是一個(gè)看得見(jiàn)摸不著的像，怎樣才能確定標(biāo)尺和待測(cè)像是緊貼在一起的呢？利用“視差”現(xiàn)象可以幫助我們解調(diào)整光學(xué)儀器時(shí)，要耐心細(xì)致，一邊觀察一邊調(diào)整，動(dòng)作要輕、慢，85決這個(gè)問(wèn)題。為了認(rèn)識(shí)“視差”現(xiàn)象，讀者可做一簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)：雙手各伸出一只手指，并使一指在前，一指在后相隔一定距離，且兩指平行。用一只眼睛觀察，當(dāng)左右（或上下）晃動(dòng)眼睛時(shí)（眼睛移動(dòng)方向應(yīng)與被觀察手指垂直），就會(huì)發(fā)現(xiàn)兩指間有相對(duì)移動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為“視差”。而且還會(huì)看到離眼近者，其移動(dòng)方向與眼睛移動(dòng)方向相反；離眼遠(yuǎn)者則與眼睛移動(dòng)方向相同。若將兩指緊貼在一起，則無(wú)上述現(xiàn)象，即無(wú)“視差”。由此可以利用視差現(xiàn)象來(lái)判斷測(cè)像與標(biāo)尺是否緊貼。若待測(cè)像和標(biāo)尺間有視差，說(shuō)明它們沒(méi)有緊貼在一起，則應(yīng)該稍稍調(diào)節(jié)像或標(biāo)尺位置，并同時(shí)微微晃動(dòng)眼睛觀察，直到它們之間無(wú)視差后方可進(jìn)行測(cè)量。這一調(diào)節(jié)步驟，我們常稱之為“消視差”。在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，“消視差”常常是測(cè)量前必不可少的操作步驟。決這個(gè)問(wèn)題。為了認(rèn)識(shí)“視差”現(xiàn)象，讀者可做一簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)：雙手各86三、共軸調(diào)節(jié)光學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常要用一個(gè)或多個(gè)透鏡成像。為了獲得質(zhì)量好的像，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。此外透鏡成像公式中的物距、像距等都是沿主光軸計(jì)算長(zhǎng)度的，為了測(cè)量準(zhǔn)確，必須使透鏡的主光軸與帶有刻度的標(biāo)尺平行。為了達(dá)到上述要求的調(diào)節(jié)我們統(tǒng)稱為共軸調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)方法如下：1、粗調(diào)，將光源、物和透鏡靠攏，調(diào)節(jié)它們的取向和高低左右位置，憑眼睛觀察，使它們的中心處在一條和標(biāo)尺平行的直線上，使透鏡的主光軸與標(biāo)尺平行，并且使物（或物屏）和成像平面（或像屏）與平臺(tái)垂直。這一步因單憑眼睛判斷，調(diào)節(jié)效果與實(shí)驗(yàn)者的經(jīng)驗(yàn)有關(guān)，故稱為粗調(diào)。通常應(yīng)再進(jìn)行細(xì)調(diào)（要求不高時(shí)可只進(jìn)行粗調(diào)）。2、細(xì)調(diào)，這一步驟要靠其他儀器或成像規(guī)律來(lái)判斷和調(diào)節(jié)。不同的裝置可能有不同的具體調(diào)節(jié)方法。下面介紹物與單個(gè)凸透鏡共軸的調(diào)節(jié)方法。使物體與單個(gè)凸透鏡共軸實(shí)際上是指將物上的某一點(diǎn)調(diào)到主光軸上。要解決這一問(wèn)題，首先要知道如何判斷物上的點(diǎn)是否在透鏡的主光軸上。根據(jù)凸透鏡成像規(guī)律即可判斷。如預(yù)備圖-3所示，當(dāng)物AB與像屏之間的距離b大于4f時(shí)，將凸透鏡沿光軸移到O1或O2位置都能在屏上成像，一次成大像A1B1，一次成小像A2B2。物點(diǎn)A位于光軸上，則兩次三、共軸調(diào)節(jié)87像的A1和A2點(diǎn)都在光軸上而且重合。物點(diǎn)B不在光軸上，則兩次像的B1和B2一定都不在光軸上，而且不重合。但是，小像的B2點(diǎn)總是比大像的B1點(diǎn)更接近光軸。由此可知，若要將B點(diǎn)調(diào)到凸透鏡光軸上，只需記住像屏上小像的B2點(diǎn)位置（屏上貼有坐標(biāo)紙供記錄位置時(shí)作參照物），調(diào)節(jié)透鏡（或物）的高低左右，使B1向B2靠攏。這樣反復(fù)調(diào)節(jié)幾次直到B1與B2重合，即說(shuō)明B點(diǎn)已調(diào)到透鏡的主光軸上了。 若要調(diào)多個(gè)透鏡共軸，則應(yīng)先將物上B點(diǎn)調(diào)到一個(gè)凸透鏡的主光軸上，然后，同樣根據(jù)軸上物點(diǎn)的像總在軸上的原理，逐個(gè)增加待調(diào)透鏡，調(diào)節(jié)它們使之逐個(gè)與第一個(gè)透鏡共軸。像的A1和A2點(diǎn)都在光軸上而且重合。物點(diǎn)B不在光軸上，則兩次88實(shí)驗(yàn)一用自準(zhǔn)法測(cè)薄凸透鏡焦距f返回實(shí)驗(yàn)一用自準(zhǔn)法測(cè)薄凸透鏡焦距f返回89一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康蘑耪莆蘸?jiǎn)單光路的分析和調(diào)整方法⑵了解、掌握自準(zhǔn)法測(cè)凸透鏡焦距的原理及方法二、實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)發(fā)光點(diǎn)（物）處在凸透鏡的焦平面時(shí)，它發(fā)出的光線通過(guò)透鏡后將成為一束平行光。若用與主光軸垂直的平面鏡將此平行光反射回去，反射光再次通過(guò)透鏡后仍會(huì)聚于透鏡的焦平面上，其會(huì)聚點(diǎn)將在發(fā)光點(diǎn)相對(duì)于光軸的對(duì)稱位置上。三、實(shí)驗(yàn)儀器一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?01、帶有毛玻璃的白熾燈光源S2、品字形物屏P：SZ-143、凸透鏡L：f=190mm(f=150mm)4、二維調(diào)整架：SZ-075、平面反射鏡M二維調(diào)整架：SZ-077、通用底座：SZ-048、二維底座：SZ-029、通用底座：SZ-0410、通用底座：SZ-041、帶有毛玻璃的白熾燈光源S91四、儀器實(shí)物圖及原理圖

圖一四、儀器實(shí)物圖及原理圖92五、實(shí)驗(yàn)步驟1、把全部元件按圖一的順序擺放在平臺(tái)上，靠攏，調(diào)至共軸。而后拉開(kāi)一定的距離?？烧{(diào)成如圖一所示的距離2、前后移動(dòng)凸透鏡L，使在物屏P上成一清晰的品字形像。3、調(diào)M的傾角，使P屏上的像與物重合。4、再前后微動(dòng)透鏡L，使P屏上的像既清晰又與物同大小。

五、實(shí)驗(yàn)步驟935、分別記下P屏和透鏡L的位置a1、a2。6、把P屏和透鏡L都轉(zhuǎn)180度，重復(fù)做前四步。7、再記下P和L的新位置b1、b2。8、分別把f=150mm和f=190mm的透鏡各做一遍，并比較實(shí)驗(yàn)值和真實(shí)值的差異，并分析其原因。9、老師可選擇更多規(guī)格的透鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。（選做）六、數(shù)據(jù)處理被測(cè)透鏡焦距：f=(fa+fb)/25、分別記下P屏和透鏡L的位置a1、a2。94實(shí)驗(yàn)二用位移法測(cè)薄凸透鏡焦距f返回實(shí)驗(yàn)二用位移法測(cè)薄凸透鏡焦距f返回95一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私?、掌握位移法測(cè)凸透鏡焦距的原理及方法二、實(shí)驗(yàn)原理對(duì)凸透鏡而言，當(dāng)物和像屏間的距離L大于4倍焦距時(shí)，在它們之間移動(dòng)透鏡，則在屏上會(huì)出現(xiàn)兩次清晰的像，一個(gè)為放大的像，一個(gè)為縮小的像。分別記下兩次成像時(shí)透鏡距物的距離O1、O2(e=|O1-O2|)，距屏的距離O1'、O-2'根據(jù)光線的可逆性原理，這兩個(gè)位置是“對(duì)稱”的。即O1=O2'，O2=O1'則：L－e=O1＋O2'＝２O1＝２O2'O1=O2'＝(L－e)/２而O1'=L－O1＝L－(L－e)/２＝(L+e)/2把結(jié)果帶入透鏡的牛頓公式1/s+1/s'=1/f一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?6得到透鏡的焦距為由此便可算得透鏡的焦距，這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是，把焦距的測(cè)量歸結(jié)為對(duì)于可以精確測(cè)定的量L和e的測(cè)量，避免了在測(cè)量u和v時(shí)，由于估計(jì)透鏡中心位置不準(zhǔn)確所帶來(lái)的誤差。三、實(shí)驗(yàn)儀器帶有毛玻璃的白熾燈光源S2、品字形物屏P：SZ-143、凸透鏡L：f=190mm(f=150mm)4、二維調(diào)整架：SZ-075、白屏H：SZ-136、通用底座：SZ-047、二維底座：SZ-028、通用底座：SZ-049、通用底座：SZ-04四、儀器實(shí)物圖及原理圖（見(jiàn)圖二）得到透鏡的焦距為由此便可算得透鏡的焦距，這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是，把97五、實(shí)驗(yàn)步驟把全部器件按圖二的順序擺放在平臺(tái)上，靠攏后目測(cè)調(diào)至共軸，而后再使物屏P和白屏H之間的距離大于4倍焦距。沿標(biāo)尺前后移動(dòng)L，使品字形物在白屏H上成一清晰的放大像，記下L的位置a1。再沿標(biāo)尺向后移動(dòng)L，使物再在白屏H上成一縮小像，記下L的位置a2。將P、L、H轉(zhuǎn)180度，重復(fù)做前三步，又得到L的兩個(gè)位置b1、b2。分別把f=150mm和f=190mm的透鏡各做一遍，并比較實(shí)驗(yàn)值和真實(shí)值的差異并分析其原因。老師可選擇更多規(guī)格的透鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。（選做）五、實(shí)驗(yàn)步驟98六、數(shù)據(jù)處理透鏡焦距：f=(fa+fb)/2六、數(shù)據(jù)處理99圖二圖二100實(shí)驗(yàn)三目鏡焦距fe的測(cè)量返回實(shí)驗(yàn)三目鏡焦距fe的測(cè)量返回101一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私?、掌握用測(cè)量物像放大率來(lái)求目鏡焦距fe的原理及方法二、實(shí)驗(yàn)原理焦距的測(cè)量可以歸結(jié)為測(cè)量焦點(diǎn)到光學(xué)系統(tǒng)的某一指定點(diǎn)的距離。測(cè)量焦距時(shí)，常用到牛頓公式：。若物空間和像空間的光學(xué)介質(zhì)相同，則。線放大率：。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?02三、實(shí)驗(yàn)儀器1、帶有毛玻璃的白熾燈光源S2、1/10mm分劃板F3、二維調(diào)整架：SZ-074、被測(cè)目鏡Le(fe=14mm)5、可變口徑二維架：SZ-056、測(cè)微目鏡L(去掉其物鏡頭的讀數(shù)顯微鏡)7、讀數(shù)顯微鏡架:SZ-388、三維底座：SZ-019、一維底座：SZ-0310、一維底座：SZ-0311、通用底座：SZ-04三、實(shí)驗(yàn)儀器103四、儀器實(shí)物圖及原理圖圖三四、儀器實(shí)物圖及原理圖圖三104五、實(shí)驗(yàn)步驟把全部器件按圖三的順序擺放在平臺(tái)上，靠攏后目測(cè)調(diào)至共軸。在F、Le、L的底座距離很小的情況下，前后移動(dòng)Le，直至在測(cè)微目鏡L中看到清晰的1/10mm的刻線，并使之與測(cè)微目鏡中的標(biāo)尺（mm刻線）無(wú)視差。測(cè)出1/10mm刻線的寬度，求出其放大倍率m1，并分別記下L和Le的位置a1、b1。把測(cè)微目鏡L向后移動(dòng)30—40mm，再慢慢向前移動(dòng)Le，直至在測(cè)微目鏡L中又看到清晰且與毫米標(biāo)尺刻線無(wú)視差的1/10mm的刻線像。再測(cè)出像寬，求出m2，記下L和Le的位置a1、b2。六、數(shù)據(jù)處理mx=(像寬/實(shí)寬)÷20（20為測(cè)微目鏡的放大倍數(shù)）像距改變量：s=(a1-a2)+(b2-b1)被測(cè)目鏡焦距：fe=s/(m2-m1)五、實(shí)驗(yàn)步驟105實(shí)驗(yàn)四自組顯微鏡返回實(shí)驗(yàn)四自組顯微鏡返回106一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私怙@微鏡的基本原理和結(jié)構(gòu)，并掌握其調(diào)節(jié)、使用和測(cè)量它的放大率的一種方法。二、實(shí)驗(yàn)原理物鏡Lo的焦距fo很短，將F1放在它前面距離略大于fo的位置，F(xiàn)1經(jīng)Lo后成一放大實(shí)像F’1，然后再用目鏡Le作為放大鏡觀察這個(gè)中間像F’1，F(xiàn)’1應(yīng)成像在Le的第一焦點(diǎn)Fe之內(nèi)，經(jīng)過(guò)目鏡后在明視距離處成一放大的虛像F’’1。三、實(shí)驗(yàn)儀器1、帶有毛玻璃的白熾燈光源S2、1/10mm分劃板F1一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?073、二維調(diào)整架：SZ-074、物鏡Lo：fo=15mm5、二維調(diào)整架：SZ-076、測(cè)微目鏡Le（去掉其物鏡頭的讀數(shù)顯微鏡）7、讀數(shù)顯微鏡架:SZ-388、三維底座：SZ-019、一維底座：SZ-0310、一維底座：SZ-0311、通用底座：SZ-043、二維調(diào)整架：SZ-07108四、儀器實(shí)物圖及原理圖圖四（1）四、儀器實(shí)物圖及原理圖圖四（1）109圖四（2）圖四（2）110五、實(shí)驗(yàn)步驟1、把全部器件按圖四的順序擺放在平臺(tái)上，靠攏后目測(cè)調(diào)至共軸。2、把透鏡Lo、Le的間距固定為180mm。3、沿標(biāo)尺導(dǎo)軌前后移動(dòng)F1（F1緊挨毛玻璃裝置，使F1置于略大于fo的位置），直至在顯微鏡系統(tǒng)中看清分劃板F1的刻線。六、數(shù)據(jù)處理顯微鏡的計(jì)算放大率：M＝（250×）/（f0×fe）其中：=f0-fe，見(jiàn)圖示。本實(shí)驗(yàn)中的fe=250/20(計(jì)算方法可參考光學(xué)書(shū)籍)五、實(shí)驗(yàn)步驟111實(shí)驗(yàn)五自組透射式幻燈機(jī)返回實(shí)驗(yàn)五自組透射式幻燈機(jī)返回112一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私饣脽魴C(jī)的原理和聚光鏡的作用，掌握對(duì)透射式投影光路系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。二、實(shí)驗(yàn)原理幻燈機(jī)能將圖片的像放映在遠(yuǎn)處的屏幕上，但由于圖片本身并不發(fā)光，所以要用強(qiáng)光照亮圖片，因此幻燈機(jī)的構(gòu)造總是包括聚光和成像兩個(gè)主要部分，在透射式的幻燈機(jī)中，圖片是透明的。成像部分主要包括物鏡L、幻燈片P和遠(yuǎn)處的屏幕。為了使這個(gè)物鏡能在屏上產(chǎn)生高倍放大的實(shí)像?；脽羝琍必須放在物鏡L的物方焦平面外很近的地方，使物距稍大于L的物方焦距。聚光部分主要包括很強(qiáng)的光源（通常采用溴鎢燈）和透鏡L1L2構(gòu)成的聚光鏡。聚光鏡的作用是一方面要在未插入幻燈片時(shí)，能使屏幕上有強(qiáng)烈而均勻的照度，一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?13并且不出現(xiàn)光源本身結(jié)構(gòu)（如燈絲等）的像；一經(jīng)插入幻燈片后，能夠在屏幕上單獨(dú)出現(xiàn)幻燈圖片的清晰的像。另一方面，聚光鏡要有助于增強(qiáng)屏幕上的照度。因此，應(yīng)使從光源發(fā)出并通過(guò)聚光鏡的光束能夠全部到達(dá)像面。為了這一目的，必須使這束光全部通過(guò)物鏡L，這可用所謂“中間像”的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。即聚光器使光源成實(shí)像，成實(shí)像后的那些光束繼續(xù)前進(jìn)時(shí)，不超過(guò)透鏡L邊緣范圍。光源的大小以能夠使光束完全充滿L的整個(gè)面積為限。聚光鏡焦距的長(zhǎng)短是無(wú)關(guān)緊要的。通常將幻燈片放在聚光器前面靠近L2的地方，而光源則置于聚光器后2倍于聚光器焦距之處。聚光器焦距等于物鏡焦距的一半，這樣從光源發(fā)出的光束在通過(guò)聚光器前后是對(duì)稱的，而在物鏡平面上光源的像和光源本身的大小相等。并且不出現(xiàn)光源本身結(jié)構(gòu)（如燈絲等）的像；一經(jīng)插入幻燈片后，能114三、實(shí)驗(yàn)儀器1、帶有毛玻璃的白熾燈光源S2、聚光鏡L1：f1=50mm3、二維調(diào)整架：SZ-074、幻燈底片P5、干板架：SZ-126、放映物鏡L2：f2=190mm7、二維調(diào)整架：SZ-078、白屏H：SZ-139、三維底座：SZ-0110、一維底座：SZ-0311、二維底座：SZ-0212、一維底座：SZ-0313、通用底座：SZ-04四、儀器實(shí)物圖及原理圖（見(jiàn)圖六）三、實(shí)驗(yàn)儀器115圖六圖六116五、實(shí)驗(yàn)步驟把全部?jī)x器按圖六的順序擺放在平臺(tái)上，靠攏后目測(cè)調(diào)至共軸。將L2與H的間隔固定在間隔所能達(dá)到的最大位置，前后移動(dòng)P，使其經(jīng)L2在屏H上成一最清晰的像。將聚光鏡L1緊挨幻燈片P的位置固定，拿去幻燈片P，沿導(dǎo)軌前后移動(dòng)光源S，使其經(jīng)聚光鏡L1剛好成像于白屏H上。再把底片P放在原位上，觀察像面上的亮度和照度的均勻性。并記錄下所有儀器的位置，并算U1、U2、V1、V2的大小。把聚光鏡L1`拿去，再觀察像面上的亮度和照度的均勻性。注：演示其現(xiàn)象時(shí)的參考數(shù)據(jù)為U1=35，V1=35，U2=300，V2=520。和計(jì)算焦距時(shí)的數(shù)據(jù)并不相同。六、數(shù)據(jù)處理放映物鏡的焦距：f2=M/(M+1)平方×D2聚光鏡的焦距：f1=D1/(M+1)－D1/(M+1)平方五、實(shí)驗(yàn)步驟117實(shí)驗(yàn)六測(cè)節(jié)點(diǎn)位置及透鏡組焦距返回實(shí)驗(yàn)六測(cè)節(jié)點(diǎn)位置及透鏡組焦距返回118一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私馔哥R組節(jié)點(diǎn)的特性，掌握測(cè)透鏡組節(jié)點(diǎn)的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理光學(xué)儀器中的共軸球面系統(tǒng)、厚透鏡、透鏡組，常把它作為一個(gè)整體來(lái)研究。這時(shí)可以用三對(duì)特殊的點(diǎn)和三對(duì)面來(lái)表征系統(tǒng)在成像上的性質(zhì)。若已知這三對(duì)點(diǎn)和三對(duì)面的位置，則可用簡(jiǎn)單的高斯公式和牛頓公式來(lái)研究其成像規(guī)律。共軸球面系統(tǒng)的這三對(duì)基點(diǎn)和基面是：主焦點(diǎn)（F，F(xiàn)'）和主焦面，主點(diǎn)（H，H'）和主平面，節(jié)點(diǎn)（N，N'）和節(jié)平面。如附圖1，一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?19附圖1附圖2附圖1附圖2120實(shí)際使用的共軸球面系統(tǒng)——透鏡組，多數(shù)情況下透鏡組兩邊的介質(zhì)都是空氣，根據(jù)幾何光學(xué)的理論，當(dāng)物空間和像空間介質(zhì)折射率相同時(shí)，透鏡組的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分別與兩個(gè)主點(diǎn)重合，在這種情況下，主點(diǎn)兼有節(jié)點(diǎn)的性質(zhì)，透鏡組的成像規(guī)律只用兩對(duì)基點(diǎn)（焦點(diǎn)，主點(diǎn)）和基面（焦面，主面）就完全可以確定了。實(shí)際使用的共軸球面系統(tǒng)——透鏡組，多數(shù)情況下透鏡組兩邊的介質(zhì)121根據(jù)節(jié)點(diǎn)定義，一束平行光從透鏡組左方入射，如附圖2，光束中的光線經(jīng)透鏡組后的出射方向，一般和入射方向不平行，但其中有一根特殊的光線，即經(jīng)過(guò)第一節(jié)點(diǎn)N的光線PN，折射后必須通過(guò)第二節(jié)點(diǎn)N'且出射光線N'Q平行于原入射光線PN。設(shè)N'Q與透鏡組的第二焦平面相交于F''點(diǎn)。由焦平面的定義可知，PN方向的平行光束經(jīng)透鏡組會(huì)聚于F''點(diǎn)。若入射的平行光的方向PN與透鏡組光軸平行時(shí)，F(xiàn)''點(diǎn)將與透鏡組的主焦點(diǎn)F'重合，如附圖3《工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)》課件122綜上所述節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有下列性質(zhì)：當(dāng)平行光入射透鏡組時(shí)，如果繞透鏡組的第二節(jié)點(diǎn)N'微微轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)小角，則平行光經(jīng)透鏡組后的會(huì)聚點(diǎn)F'在屏上的位置將不橫移，只是變得稍模糊一點(diǎn)兒，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)透鏡組后入射于節(jié)點(diǎn)N的光線并沒(méi)有改變?cè)瓉?lái)入射的平行光的方向，因而N'Q的方向也不改變，又因?yàn)橥哥R組是繞N'點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，N點(diǎn)不動(dòng)，附圖3綜上所述節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有下列性質(zhì)：當(dāng)平行光入射透鏡組時(shí)，如果繞透鏡123所以N‘Q線也不移動(dòng)，而像點(diǎn)始終在N’Q線上，故F‘’點(diǎn)不會(huì)有橫向移動(dòng)，至于NF‘’的長(zhǎng)度，當(dāng)然會(huì)隨著透鏡組的轉(zhuǎn)動(dòng)有很小的變化，所以F‘’點(diǎn)前后稍有移動(dòng)，屏上的像會(huì)稍有模糊一點(diǎn)。反之，如果透鏡組繞N‘點(diǎn)以外的點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，則F’‘點(diǎn)會(huì)有橫向移動(dòng)，利用節(jié)點(diǎn)的這一特性構(gòu)成了下面的測(cè)量方法。使用一個(gè)能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)軌，導(dǎo)軌側(cè)面裝有刻度尺，這個(gè)裝置就是節(jié)點(diǎn)架。把透鏡組裝在可以旋轉(zhuǎn)的節(jié)點(diǎn)架的導(dǎo)軌上，節(jié)點(diǎn)架前是一束平行光，平行光射向透鏡組。接著將透鏡組在節(jié)點(diǎn)架上前后移動(dòng)，同時(shí)使架做微小的轉(zhuǎn)動(dòng)。兩個(gè)動(dòng)作配合進(jìn)行，直到能得到清晰的像，且不發(fā)生橫移為止。這時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)軸必通過(guò)透鏡組的像方節(jié)點(diǎn)N'，它的位置就被確定了。并且當(dāng)N'與H'重合時(shí)，所以N‘Q線也不移動(dòng)，而像點(diǎn)始終在N’Q線上，故F‘’點(diǎn)不124從轉(zhuǎn)動(dòng)軸到屏的距離為N'F'，即為透鏡組的像方焦距f’。把透鏡組轉(zhuǎn)180度，使光線由L2進(jìn)入，由L1射出。利用同樣的方法可測(cè)出物方節(jié)點(diǎn)N的位置。三、實(shí)驗(yàn)儀器1、帶有毛玻璃的白熾燈光源S2、1/10mm分劃板F3、二維調(diào)整架：SZ-074、物鏡Lo：fo=190mm5、二維調(diào)整架：SZ-07從轉(zhuǎn)動(dòng)軸到屏的距離為N'F'，即為透鏡組的像方焦距f’。把1256、透鏡組L1、L2：f1=220mm，f2=300mm7、節(jié)點(diǎn)架：SZ-258、測(cè)微目鏡Le（去掉其物鏡頭的讀數(shù)顯微鏡）9、讀數(shù)顯微鏡架:SZ-3810、三維底座：SZ-0111、一維底座：SZ-0312、一維底座：SZ-0313、一維底座：SZ-0314、通用底座：SZ-0415、白屏H：SZ-136、透鏡組L1、L2：f1=220mm，f2=300126四、儀器實(shí)物圖及原理圖圖七四、儀器實(shí)物圖及原理圖圖七127五、實(shí)驗(yàn)步驟調(diào)節(jié)由F，Lo組成的“平行光管”使其出平行光，可借助于對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)調(diào)焦的望遠(yuǎn)鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)。將“平行光管”、待測(cè)透鏡組、測(cè)微目鏡，按圖七的順序擺放在平臺(tái)上，目測(cè)調(diào)至共軸。前后移動(dòng)測(cè)微目鏡，使之能看清F處分劃板刻線的像。沿節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)架導(dǎo)軌前后移動(dòng)透鏡組，（同時(shí)也要相應(yīng)地移動(dòng)測(cè)微目鏡），直至轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)時(shí)，F(xiàn)處分劃板刻線的像無(wú)橫向移動(dòng)為止，此時(shí)像方節(jié)點(diǎn)N落在節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)架的轉(zhuǎn)軸上。用白屏H代替測(cè)微目鏡，使分劃板刻線的像清晰的成于白屏H上，分別記下屏和節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)架在標(biāo)尺導(dǎo)軌上的位置a、b，再在節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)架的導(dǎo)軌上記下透鏡組的中心位置（用一條刻線標(biāo)記）與調(diào)節(jié)架轉(zhuǎn)軸中心（0刻線的位置）的偏移量d。五、實(shí)驗(yàn)步驟128把節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)架轉(zhuǎn)180度，使入射方向和出射方向相互顛倒，重復(fù)3、4、5步，從而得到另一組數(shù)據(jù)a’、b’、d’。六、數(shù)據(jù)處理1、像方節(jié)點(diǎn)N偏離透鏡組中心的距離為：d透鏡組的像方焦距：f’=a-b物方節(jié)點(diǎn)N偏離透鏡組中心的距離為：d’透鏡組的物方焦距為：f=a’-b’2、用1：1的比例畫(huà)出該透鏡組及它的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置。把節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)架轉(zhuǎn)180度，使入射方向和出射方向相互顛倒，重復(fù)3129實(shí)驗(yàn)七菲涅爾雙棱鏡干涉返回實(shí)驗(yàn)七菲涅爾雙棱鏡干涉返回130一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠^察雙棱鏡干涉現(xiàn)象及測(cè)定光波波長(zhǎng)二、實(shí)驗(yàn)原理利用光的干涉現(xiàn)象進(jìn)行光波波長(zhǎng)的測(cè)量，首先要獲得兩束相干光，使之重疊形成干涉，干涉條紋的空間分布既跟條紋與相干光源之間的相對(duì)位置有關(guān)，又跟光波波長(zhǎng)有關(guān)，從它們之間的關(guān)系式就能測(cè)出光波波長(zhǎng)。本實(shí)驗(yàn)利用雙棱鏡獲得兩束相干光，如附圖5所示，雙棱鏡是由兩塊底邊相接、折射棱角α小于1度的直角棱鏡組成的，從單縫S發(fā)出的單色光的波陣面，經(jīng)雙棱鏡折射后形成兩束互相重疊的光束，它們相當(dāng)于從狹縫S的兩個(gè)虛像S1 和S2射出的兩束相干光。于是在波束重疊的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了干涉，在該區(qū)域內(nèi)放置的屏上可以觀測(cè)到干涉條紋。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?31如附圖6所示，設(shè)S1與S2的間距為d，縫S至觀察屏的距離為D，O為觀察屏上距S1和S2等距的點(diǎn)，由S1和S2射來(lái)的兩束光在O點(diǎn)的光程差為零，故在O點(diǎn)處兩光波互相加強(qiáng)形成零級(jí)亮條紋，而在O點(diǎn)兩側(cè)，則排列著明暗相間的等距干涉條紋。附圖5附圖6如附圖6所示，設(shè)S1與S2的間距為d，縫S至觀察屏的距離為D132對(duì)于屏上距O點(diǎn)為x的P點(diǎn)。當(dāng)D>>d。D>>x時(shí)，有δ／d=x/因?yàn)镈故δ／dx/D即δ=xd/D根據(jù)相干條件，當(dāng)光程差δ滿足：（1）δ=2k()時(shí)，即在x=k處（k=0、1、2、…），產(chǎn)生亮條紋。（2）δ=（2k-1）時(shí)，即在x=（2k-1）處（k=0、1、2、…），產(chǎn)生暗條紋。因此，兩相鄰亮條紋（或暗條紋）間的距離為干涉條紋的間距為：x=xk+1-xk=d——兩個(gè)狹縫中心的間距λ——單色光波波長(zhǎng)D——狹縫屏到觀測(cè)屏（測(cè)微目鏡焦平面）的距離從實(shí)驗(yàn)中測(cè)得D，d以及x，即可由上式算出波長(zhǎng)。對(duì)于屏上距O點(diǎn)為x的P點(diǎn)。當(dāng)D>>d。D>>x時(shí)，有δ／133三、實(shí)驗(yàn)儀器1、鈉光燈（可加圓孔光闌）2、凸透鏡L：f=50mm3、二維調(diào)整架：SZ-074、單面可調(diào)狹縫：SZ-225、二維調(diào)整架：SZ-076、菲涅爾雙棱鏡：7、測(cè)微目鏡Le（去掉其物鏡頭的讀數(shù)顯微鏡）三、實(shí)驗(yàn)儀器1348、讀數(shù)顯微鏡架:SZ-389、三維底座：SZ-0110、二維底座：SZ-0211、一維底座：SZ-0312、一維底座：SZ-0313、凸透鏡L’：f=150mm14、二維調(diào)整架：SZ-0715、通用底座：SZ-01四、儀器實(shí)物圖及原理圖（見(jiàn)圖十）8、讀數(shù)顯微鏡架:SZ-38四、儀器實(shí)物圖及原理圖（135圖十圖十136五、實(shí)驗(yàn)步驟1、把全部?jī)x器按照?qǐng)D十的順序在平臺(tái)上擺放好(圖上數(shù)值均為參考數(shù)值)，并調(diào)成共軸系統(tǒng)。鈉光燈（可加圓孔光闌）經(jīng)透鏡L聚焦于狹縫上。調(diào)節(jié)單縫和雙棱鏡的棱脊平行，而且由單縫射出的光對(duì)稱地照在棱脊的兩側(cè)。2、用白屏H或直接用眼睛觀測(cè)到干涉條紋后，再用測(cè)微目鏡中觀測(cè)。使相干光束處在目鏡視場(chǎng)中心，并調(diào)節(jié)單縫和棱脊的平行度，使干涉條紋最清晰。雙棱鏡干涉圖樣，應(yīng)為等間隔的明暗相間的干涉條紋。五、實(shí)驗(yàn)步驟1373、用測(cè)微目鏡測(cè)出干涉條紋的間距x，測(cè)出單縫到測(cè)微目鏡叉絲分劃板的距離D，再用二次成像法測(cè)出兩個(gè)虛光源的間距d，由x=xk+1-xk=便可求出光波的波長(zhǎng)，并與鈉燈的波長(zhǎng)實(shí)際值比較，分析誤差原因。（二次成像法，在數(shù)據(jù)處理中有講解）。六、數(shù)據(jù)處理二次成像法：3、用測(cè)微目鏡測(cè)出干涉條紋的間距x，測(cè)出單縫到測(cè)微目鏡叉絲分138保持圖中狹縫、雙棱鏡的位置不動(dòng)，加入一已知焦距f=150的透鏡放在雙棱鏡后，使單縫與測(cè)微目鏡間的距離D>4f，移動(dòng)透鏡成像時(shí)，可以在兩個(gè)不同的位置上，從目鏡中看到一大一小兩個(gè)清晰的縫像（既虛光源S1、S2的像），測(cè)出兩個(gè)清晰的像間距d1及d2，根據(jù)物象公式，虛光源S1、S2的間距d=（第一成像）。d=(第二次成像)而s1=，=s2，故即代入公式即可求出波長(zhǎng)λ。《工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)》課件139實(shí)驗(yàn)八偏振光分析返回實(shí)驗(yàn)八偏振光分析返回140一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠^察光的偏振現(xiàn)象，分析偏振光，起偏，定光軸二、實(shí)驗(yàn)原理偏振光的基本概念光是電磁波，它的電矢量E和磁矢量H相互垂直，且均垂直于光的傳播方向c，通常用電矢量E代表代表光的振動(dòng)方向，并將電矢量E和光的傳播方向c所構(gòu)成的平面稱為光振動(dòng)面。在傳播過(guò)程中，電矢量的振動(dòng)方向始終在某一確定方向的光稱為平面偏振光一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?41或線偏振光，如附圖15（a）。光源發(fā)射的光是由大量原子或分子輻射構(gòu)成的。由于大量原子或分子的熱運(yùn)動(dòng)和輻射的隨