《物理光学实验》教学讲义

物理光学实验武汉工程大学光电信息与能源工程学院刘国华I前言本实验教材是根据光电子科学与工程学院物理光学教学大纲中规定的实验要求选编的。本实验教材共选入6个实验。内容涉及光的干涉、衍射、偏振等方面。本实验教材所列实验项目均选自本院物理光学实验室参编及长期使用的《物理光学实验》，适用于光电子信息类专业学生使用，亦可作为非光电类专业学生的选修教材。II光学实验室的一般规则光学实验要求测量精度高，所用仪器和装置比较精密，对测量条件、周围环境以及对实验者的实验技能都有较高的要求。因此，在做实验之前，除必须认真阅读实验教材及有关资料，了解清楚实验的目的、原理、方法、步骤和要求外，进入实验室后还必须自觉遵守实验室的规则和对某些实验的特殊要求。现将实验室的一般规则叙述如下：1.光学仪器多是精密贵重仪器。取放仪器时，思想要集中，动作要轻、慢。在没有了解清楚仪器的使用方法之前，切勿乱拧螺丝，碰动仪器或随意接通电源。2.大部分光学元件用玻璃制成，光学面经过精细抛光，一般都具有Ra0.010的粗糙度。使用时要轻拿轻放，勿使元件相互碰撞，挤压，更要避免摔坏；暂时不用的元件，要放回原处，不要随意乱放，以免无意中将其扫落地面导致损坏。3.人的手指带有汗渍脂类分泌物，用手触摸光学面会污染该光学面，影响其透光性和其它光学性质。因此，任何时候都不能用手去触摸光学表面，只能拿元件的磨砂面。正确的姿势如图所示。4.不要对着光学元件和光学系统讲话，打喷嚏和咳嗽，以免涎液溅落镜面造成污痕。5.光学面若落有灰尘，应先用干净、柔软的脱脂毛刷轻轻掸除，或用“橡皮球”吹除。严禁用嘴去吹。一般不能随意擦拭光学表面。必要时可用脱脂棉球蘸上酒精乙醚混合液轻轻擦拭，切忌用布直接擦拭。6.光学面上若沾有油污等斑渍时，不要立即动手擦拭。因为很多光学表面镀有特殊的光学薄膜，在擦拭之前，一定要了解清楚情况，然后再在教师或实验工作人员指导下，采取相应的措施，精心处理。7.光学仪器中有很多经过精密加工的部件。如光谱仪和单色仪的狭缝、迈克耳逊干涉仪的蜗轮蜗杆、分光计的读数度盘等，都要小心使用，按规则操作，切忌拆御仪器，乱拧旋钮。8.要讲究清洁卫生，文明礼貌，不得大声喧哗，打闹。9.实验完毕，要向指导教师报告实验结果和仪器的使用情况。整理好仪器，填写仪器使用卡，经允许后方可离开实验室。III实验程序框图了解实验原理与内容↓根据实验原理与内容设计实验方案，选定仪器与光学元件↓看说明书，了解仪器使用方法↓调试仪器或光路，拟定实验步骤↓方案实施，调试出实验现象↓对实验现象进行观察与分析，测定实验数据↓写实验报告，要求反映实验过程，对实验现象进行分析，思考问题，数据处理（若有问题可重复实验）自己动手为主：一定要亲自做实验，对实验现象进行分析，培养独立自主的能力，会有成就感。老师指导为辅：问题不包办，只做点拨提示，保证实验正常进行。IV目录前言....................................................................................................................................I光学实验室的一般规则.......................................................................................................II实验程序框图.....................................................................................................................III实验一菲涅耳双棱镜干涉及应用...................................................................................1实验二迈克耳逊干涉仪...................................................................................................6实验三用法布里－珀罗(F－P)干涉仪测量钠双线的波长差......................................13实验四用双光源衍射法测量光谱仪狭缝宽度..............................................................18实验五衍射光栅分光特性测量.....................................................................................23实验六偏振光的获得与检测.........................................................................................31-1-实验一菲涅耳双棱镜干涉及应用[实验目的]1.观察和研究双棱镜产生的干涉现象；2.测量干涉滤光片的透射波长λ0。[仪器和装置]白炽灯，干涉滤光片，可调狭缝，柱面镜，菲涅耳双棱镜，双胶合成象物镜，测微目镜。[实验原理]菲涅耳双棱镜装置如图1－1a所示，它由两个相同的棱镜组成，两个棱镜的折射角α很小，一般约为30‵。从点（或缝）光源S来的一束光，经双棱镜折射后分为两束。从图中可以看出，这两折射光波如同从棱镜形成的两个虚象S1和S2发出的一样，S1和S2构成两相干光源，在两光波的迭加区产生干涉。ab图1-1双棱镜干涉原理图从图1-1b看出，若棱镜的折射率为n，则两虚象S1、S2之间的距离anld)1(2（1-1）干涉条纹的间距anllle)1(2'（1-2）当取n=1.50时，则有lalle'（1-3）可解出-2-ellla'（1-4）若在迭加区内放置观察屏E，就可接收到平行于脊棱的等距直线条纹。当用白光照明时，可接收到彩色条纹。利用图1-2可导出干涉孔径角''llal（1-5）光源临界宽度'1llb（1-6）从式（1-5）、式（1-6）看出，当l=0时，β=0，光源的临界宽度b变为无穷大。此时，干涉条纹定域在双棱镜的脊棱附近。b为有限值时，条纹定域在bll'（1-7）的区域内。图1-2双棱镜干涉的几何关系图[内容和步骤]1．调节光路，观察和研究双棱镜干涉现象(1)按图1-3所示，将光学元件与装置安放在光具座上。调节光学系统，使其满足同轴等高的要求。(2)取l≈200mm,l≈1200mm,按λ=550nm,a=03，n=1.50计算出b的数值。置狭缝宽度bt=b/4,调节棱镜的脊棱与狭缝方向平行，直到使得测微目镜视场里出现清晰的干涉条纹为止。增大或减小狭缝宽度b,观察干涉条纹对比度的变化，并给予解释。-3-图1-3双棱镜干涉实验装置图(1-白炽灯2-滤光片3-柱面镜4-狭缝5-双棱镜6-成象物镜7-测微目镜)*(3)在狭缝光源前依次安放具有不同波长带宽的滤光片，观察干涉条纹对比度的变化，并解释之。2．测量干涉滤光片中心透射长λ0。由式（1-3）看出，为了测量λ0，需要在一定的精度范围测定d、l、l与e值(1)测定d值图1-4二次（共轭）成象法测量d值如图1-4所示，通常S1、S2和S并不在与图面垂直的同一平面内，而D和A又应从S1S2处测量才算准确，故测量d时，采用二次（共轭）成象法，即成象物镜6在第一个位置时，若从测微目镜中测得S1，S2的两个实象s1，s2之间的距离d1，据物象关系，则有BAdd1（1-8）-4-物镜6在第二个（共轭）位置成象时，则有ABdd2（1-9）由上两式可解出21ddd（1-10）实验中，对d值的测量不应少于三次，然后取其平均值d。(2)D的计算设物镜6从第一个位置移置至第二个（共轭）位置的位移量是C,则C=B－A，而D=l+l’=A+B，再与和式（1—9），式（1—10）联立，消去A、B，可得到：2121ddddCD（1-11）由各次测量C、d1、d2值，计算相应的D，然后取其平均值D。（3）测量条纹间距e用测微目镜测出10条以上明（或暗）条纹的宽度，计算出干涉条纹间距e。多次重复测量，取其平均值e。（4）将eDd、、各值代入式（1-4）计算干涉滤光片中心透射波长λ。（5）计算λ0的相对误差与标准误差，分析误差产生原因。[实验光路调节方法]1、各光学元件的共轴调解1)调节激光束平行于光具座沿导轨移动白屏，观察屏上激光光点的位置是否改变，相应调解激光方向，直至在整根导轨上移动白屏时光点的位置不再变化，至此激光光束与导轨平行。2)调双棱镜与光源共轴将双棱镜插于横向可调支座上进行调节，使激光点打在棱脊正中位置，此时双棱镜后面的白屏上应观察到两个等亮并列的光点，这两个光点的质量对虚光源像距b及b’的测量至关重要。此后将双棱镜置于距激光器约30cm的位置。3)粗调测微目镜与其它元件等高共轴将测微目镜放在距双棱镜约70cm处，调节测微目镜，使光点穿过其通光中心。此时激光尚未扩束，决不允许直视测微目镜内的视场，以防激光坐灼伤眼睛。4)粗调凸透镜与其他元件等高共轴将凸透镜插于横向可调支座上，放在双棱镜后面，调节透镜，使双光点穿过透镜的正中-5-心。5)用扩束镜使激光束变成点光源在激光器与双棱镜之间距双棱镜20cm处放入扩束镜并进行调节，使激光穿过扩束镜。在测微目镜前放置偏振片，旋转偏振片是测微目镜内视场亮度适中。6)用二次成像法细挑凸透镜与测微目镜等高共轴通过“大像追小像”，不断调节透镜和测微目镜位置，直至虚光源大、小像的中心与测微目镜叉丝重合。7)干涉条纹调整去掉透镜，适当微调双棱镜，使通过测微目镜观察到清晰的干涉条纹。2、波长的测量1)测条纹间距△x。连续测量20个条纹的位置xi。如果视场内干涉条纹没有布满，则可对测微目镜的水平位置略作调整；视场太暗可旋转偏振片调亮。2)测量虚光源缩小像间距b及透镜物距S。测b时应在鼓轮正反向前进时，各做一次测量。注意：i)不能改变扩束镜、双棱镜级测微目镜的位置；ii)用测微目镜读数时要消空程。3)用上述同方法测量虚光源放大像间距b’及透镜物距S’。[思考题]1．如果给你多块双棱镜，你能否从其外形以及棱镜所产生的干涉条纹来比较它们质量的优劣？2．如果狭缝方向与脊棱稍不平行，就看不见干涉条纹，为什么？附录关于标准误差根据误差理论，剩余误差定义为：llii(1-1ˊ)式中，li是对量l的第i次测量值。l是对量l进行n次测量的算术平均值，即nlllln21（1-2ˊ）由贝塞耳公式可知，单次测量的标准误差表示为1][2n（1-3ˊ）式中][2是剩余误差的平方和，即ini122][（1-4ˊ）-6-实验二迈克耳逊干涉仪[实验目的]1.熟悉迈克耳逊干涉仪的结构，学会调节和使用迈克耳逊干涉仪的方法；2.观察和研究非定域干涉、定域干涉现象；3.观察和测量不同光源的相干长度；4.测定He-Ne激光波长。[仪器和装置]迈克耳逊干涉仪，He-Ne激光器，白炽灯，钠光灯。迈克耳逊（以下简称迈氏）干涉仪，最初是为研究地球和“以太”的相对运动由迈克耳逊设计的，后来在光谱学和标准米原器校正中加以使用，是历史上最著名的干涉仪。它的结构简单，精度高，是许多现代干涉仪的原型。图2-1是迈氏干涉仪的光路图，图2—2是国产WSM—100形迈氏干涉仪的外形。如图所示，仪器的干涉系统与观察测量系统都安装在稳定的底座9上。图2-1迈克耳逊干涉仪光路原理图图2-2WSM—100形迈氏干涉仪外形图干涉系统由分光板G1，补偿G2，平面反射镜M１和M２组成。G1、G2是两块材料相同、形状一样的平行平面玻璃板。在G1的后表面上镀有银或铝的半透半反射膜A。从图2—1可以看出，不加G2时，光束I经过G1三次，而光束Ⅱ