工程光学实验主讲教师李晶

工程光学实验主讲教师：李晶闽南理工学院实践教学中心目录•光学实验预备知识…………………………………………………………2•实验一用自准法测薄凸透镜焦距f………………………………………………5•实验二用位移法测薄凸透镜焦距f………………………………………………7•实验三目镜焦距fe的测量………………………………………………………9•实验四自组显微镜………………………………………………………………11•实验五自组透射式幻灯机（投影系统）………………………………………13•实验六测节点位置及透镜组焦距………………………………………………15•实验七菲涅尔双棱镜干涉………………………………………………………18•实验八偏振光分析………………………………………………………………21光学实验预备知识返回•光学实验是普通物理实验的一个重要部分。这里先介绍光学实验中经常用到的知识和调节技术。初学者在做实验以前应认真阅读这些内容，并且在实验中遵守有关规则和灵活运用有关知识。•一、光学元件和仪器的维护•透镜、棱镜等光学元件，大多数是用光学玻璃制成的。它们的光学表面都是经过仔细的研磨和抛光，有些还镀有一层或多层薄膜。对这些元件或其材料的光学性能（例如折射率、反射率、透射率等）都有一定的要求，而它们的机械性能和化学性能可能很差，若使用和维护不当，则会降低光学性能甚至损坏报废。造成损坏的常见原因有：摔坏、磨损、污损、发霉、腐蚀等。为了安全使用光学元件和仪器，必须遵守以下规则：•必须在了解仪器的操作和使用方法后方可使用。•轻拿轻放，勿使仪器或光学元件受到冲击或震动，特别要防止摔落。不使用的光•学元件应随时装入专用盒内并放入平台的箱子内，最好放入干燥器中保存。•切忌用手接触元件的光学表面。如必需用手拿光学元件时，只能接触其磨沙面，•如透镜的边缘、棱镜的上下底面等（如预备图-1）。•光学表面上如有灰尘，用实验室专备的干燥脱脂棉轻轻拭去或用橡皮球吹掉。•光学表面上若有轻微的污痕或指印，用清洁的镜头纸轻轻拂去，但不要加压擦拭，•更不准用手帕、普通纸片、衣服等擦拭。若表面有较严重的污痕或指印，应由实验室人员用丙酮或酒精清洗。所有镀膜面均不能接触或擦拭。•防止唾液或其溶液溅落在光学表面上。•调整光学仪器时，要耐心细致，一边观察一边调整，动作要轻、慢，严禁盲目及•粗鲁操作。•仪器用毕后应放回箱内或加罩，防止灰尘沾污。•二、消视差•光学实验中经常要测量像的位置和大小，经验告诉我们，要测准物体的大小，必须将量度标尺与被测物体紧贴在一起。如果标尺远离被测物体，读数将随眼睛的位置不同而有所改变，难以测准，如预备图-2所示。可是在光学实验中被测物往往是一个看得见摸不着的像，怎样才能确定标尺和待测像是紧贴在一起的呢？利用“视差”现象可以帮助我们解•决这个问题。为了认识“视差”现象，读者可做一简单实验：双手各伸出一只手指，并使一指在前，一指在后相隔一定距离，且两指平行。用一只眼睛观察，当左右（或上下）晃动眼睛时（眼睛移动方向应与被观察手指垂直），就会发现两指间有相对移动，这种现象称为“视差”。而且还会看到离眼近者，其移动方向与眼睛移动方向相反；离眼远者则与眼睛移动方向相同。若将两指紧贴在一起，则无上述现象，即无“视差”。由此可以利用视差现象来判断测像与标尺是否紧贴。若待测像和标尺间有视差，说明它们没有紧贴在一起，则应该稍稍调节像或标尺位置，并同时微微晃动眼睛观察，直到它们之间无视差后方可进行测量。这一调节步骤，我们常称之为“消视差”。在光学实验中，“消视差”常常是测量前必不可少的操作步骤。•三、共轴调节•光学实验中经常要用一个或多个透镜成像。为了获得质量好的像，必须使各个透镜的主光轴重合（即共轴）并使物体位于透镜的主光轴附近。此外透镜成像公式中的物距、像距等都是沿主光轴计算长度的，为了测量准确，必须使透镜的主光轴与带有刻度的标尺平行。为了达到上述要求的调节我们统称为共轴调节。调节方法如下：•1、粗调，将光源、物和透镜靠拢，调节它们的取向和高低左右位置，凭眼睛观察，使它们的中心处在一条和标尺平行的直线上，使透镜的主光轴与标尺平行，并且使物（或物屏）和成像平面（或像屏）与平台垂直。这一步因单凭眼睛判断，调节效果与实验者的经验有关，故称为粗调。通常应再进行细调（要求不高时可只进行粗调）。•2、细调，这一步骤要靠其他仪器或成像规律来判断和调节。不同的装置可能有不同的具体调节方法。下面介绍物与单个凸透镜共轴的调节方法。•使物体与单个凸透镜共轴实际上是指将物上的某一点调到主光轴上。要解决这一问题，首先要知道如何判断物上的点是否在透镜的主光轴上。根据凸透镜成像规律即可判断。如预备图-3所示，当物AB与像屏之间的距离b大于4f时，将凸透镜沿光轴移到O1或O2位置都能在屏上成像，一次成大像A1B1，一次成小像A2B2。物点A位于光轴上，则两次•像的A1和A2点都在光轴上而且重合。物点B不在光轴上，则两次像的B1和B2一定都不在光轴上，而且不重合。但是，小像的B2点总是比大像的B1点更接近光轴。由此可知，若要将B点调到凸透镜光轴上，只需记住像屏上小像的B2点位置（屏上贴有坐标纸供记录位置时作参照物），调节透镜（或物）的高低左右，使B1向B2靠拢。这样反复调节几次直到B1与B2重合，即说明B点已调到透镜的主光轴上了。•若要调多个透镜共轴，则应先将物上B点调到一个凸透镜的主光轴上，然后，同样根据轴上物点的像总在轴上的原理，逐个增加待调透镜，调节它们使之逐个与第一个透镜共轴。•实验一用自准法测薄凸透镜焦距f返回•一、实验目的•⑴掌握简单光路的分析和调整方法•⑵了解、掌握自准法测凸透镜焦距的原理及方法•二、实验原理•当发光点（物）处在凸透镜的焦平面时，它发出的光线通过透镜后将成为一束平行光。若用与主光轴垂直的平面镜将此平行光反射回去，反射光再次通过透镜后仍会聚于透镜的焦平面上，其会聚点将在发光点相对于光轴的对称位置上。•三、实验仪器•1、带有毛玻璃的白炽灯光源S•2、品字形物屏P：SZ-14•3、凸透镜L：f=190mm(f=150mm)•4、二维调整架：SZ-07•5、平面反射镜M•二维调整架：SZ-07•7、通用底座：SZ-04•8、二维底座：SZ-02•9、通用底座：SZ-0410、通用底座：SZ-04•四、仪器实物图及原理图图一*SLM毛玻璃50190109SPLM87P190145623•五、实验步骤•1、把全部元件按图一的顺序摆放在平台上，靠拢，调至共轴。而后拉开一定的距离。可调成如图一所示的距离•2、前后移动凸透镜L，使在物屏P上成一清晰的品字形像。•3、调M的倾角，使P屏上的像与物重合。•4、再前后微动透镜L，使P屏上的像既清晰又与物同大小。12aafa•5、分别记下P屏和透镜L的位置a1、a2。•6、把P屏和透镜L都转180度，重复做前四步。•7、再记下P和L的新位置b1、b2。•8、分别把f=150mm和f=190mm的透镜各做一遍，并比较实验值和真实值的差异，并分析其原因。•9、老师可选择更多规格的透镜进行实验。（选做）•六、数据处理•被测透镜焦距：f=(fa+fb)/2•实验二用位移法测薄凸透镜焦距f返回•一、实验目的•了解、掌握位移法测凸透镜焦距的原理及方法•二、实验原理•对凸透镜而言，当物和像屏间的距离L大于4倍焦距时，在它们之间移动透镜，则在屏上会出现两次清晰的像，一个为放大的像，一个为缩小的像。分别记下两次成像时透镜距物的距离O1、O2(e=|O1-O2|)，距屏的距离O1'、O2'根据光线的可逆性原理，这两个位置是“对称”的。即•O1=O2'，O2=O1'•则：L－e=O1＋O2'＝２O1＝２O2'•O1=O2'＝(L－e)/２•而O1'=L－O1＝L－(L－e)/２＝(L+e)/2把结果带入透镜的牛顿公式1/s+1/s'=1/f•得到透镜的焦距为由此便可算得透镜的焦距，这个方法的优点是，把焦距的测量归结为对于可以精确测定的量L和e的测量，避免了在测量u和v时，由于估计透镜中心位置不准确所带来的误差。•三、实验仪器•带有毛玻璃的白炽灯光源S•2、品字形物屏P：SZ-14•3、凸透镜L：f=190mm(f=150mm)•4、二维调整架：SZ-07•5、白屏H：SZ-13•6、通用底座：SZ-04•7、二维底座：SZ-02•8、通用底座：SZ-04•9、通用底座：SZ-04•四、仪器实物图及原理图（见图二）•五、实验步骤•把全部器件按图二的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴，而后再使物屏P和白屏H之间的距离大于4倍焦距。•沿标尺前后移动L，使品字形物在白屏H上成一清晰的放大像，记下L的位置a1。•再沿标尺向后移动L，使物再在白屏H上成一缩小像，记下L的位置a2。•将P、L、H转180度，重复做前三步，又得到L的两个位置b1、b2。•分别把f=150mm和f=190mm的透镜各做一遍，并比较实验值和真实值的差异并分析其原因。•老师可选择更多规格的透镜进行实验。（选做）•六、数据处理•透镜焦距：f=(fa+fb)/221aaea21aaea21aaea21aaeaH5894L32P1S76图二*SL毛玻璃H*S毛玻璃HL5030048048050300PP•实验三目镜焦距fe的测量返回•一、实验目的•了解、掌握用测量物像放大率来求目镜焦距fe的原理及方法•二、实验原理•焦距的测量可以归结为测量焦点到光学系统的某一指定点的距离。•测量焦距时，常用到牛顿公式：。•若物空间和像空间的光学介质相同，则。•线放大率：。•三、实验仪器•1、带有毛玻璃的白炽灯光源S•2、1/10mm分划板F•3、二维调整架：SZ-07•4、被测目镜Le(fe=14mm)•5、可变口径二维架：SZ-05•6、测微目镜L(去掉其物镜头的读数显微镜)•7、读数显微镜架:SZ-38•8、三维底座：SZ-01•9、一维底座：SZ-03•10、一维底座：SZ-03•11、通用底座：SZ-04四、仪器实物图及原理图S134257891011*SLeLeF分划板毛玻璃1515120F6图三•五、实验步骤•把全部器件按图三的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴。•在F、Le、L的底座距离很小的情况下，前后移动Le，直至在测微目镜L中看到清晰的1/10mm的刻线，并使之与测微目镜中的标尺（mm刻线）无视差。•测出1/10mm刻线的宽度，求出其放大倍率m1，并分别记下L和Le的位置a1、b1。•把测微目镜L向后移动30—40mm，再慢慢向前移动Le，直至在测微目镜L中又看到清晰且与毫米标尺刻线无视差的1/10mm的刻线像。•再测出像宽，求出m2，记下L和Le的位置a1、b2。•六、数据处理•mx=(像宽/实宽)÷20（20为测微目镜的放大倍数）•像距改变量：s=(a1-a2)+(b2-b1)•被测目镜焦距：fe=s/(m2-m1)•实验四自组显微镜返回•一、实验目的•了解显微镜的基本原理和结构，并掌握其调节、使用和测量它的放大率的一种方法。•二、实验原理•物镜Lo的焦距fo很短，将F1放在它前面距离略大于fo的位置，F1经Lo后成一放大实像F’1，然后再用目镜Le作为放大镜观察这个中间像F’1，F’1应成像在Le的第一焦点Fe之内，经过目镜后在明视距离处成一放大的虚像F’’1。•三、实验仪器•1、带有毛玻璃的白炽灯光源S•2、1/10mm分划板F1•3、二维调整架：SZ-07•4、物镜Lo：fo=15mm•5、二维调整架：SZ-07•6、测微目镜Le（去掉其物镜头的读数显微镜）•7、读数显微镜架:SZ-38•8、三维底座：SZ-01•9、一维底座：SZ-03•10、一维底座：SZ-03•11、通用底座：SZ-04四、仪器实物图及原理图图四（1）*S毛玻璃LoLe△FoFe180250F1图四（2）•五、实验步骤•1、把全部器件按图四的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴。•2、把透镜Lo、Le的间距固定为180mm。•3、沿标尺导轨前后移动F1（F1紧挨毛玻璃装置，使F1置于略大于fo的位置），直