光学实验指导书(年修订)

I光学实验指导书武汉理工大学理学院物理科学与技术系2008年11月II目录序言及要求.........................................................................................I实验室规则......................................................................................III实验一迈克耳逊干涉仪实验................................................................1实验二光衍射的定量研究.....................................................................11实验三衍射光栅分光特性测量..........................................................16实验四偏振光研究..............................................................................22实验五阿贝成像原理和空间滤波........................................................28实验六θ调制.........................................................................................33实验七用透射光栅测光波波长及角色散率........................................35实验八椭偏仪测量薄膜厚度................................................................42实验九全息光栅特性及制作技术......................................................49IIII序言及要求意义与方法同学们在开始本实验之前已经作过一些力学、热学、电学及基本的光学实验，已经具备了一定的实验操作技能，对于光路的调试已积累一定的经验，这些都是我们做好本学期《近代光学》（物理光学）实验的基础。光学实验有它的特点。光学实验中遇到的两个最突出的问题，一个是精密仪器的调节和使用；另一个是理论和实验的更紧密的结合。光学仪器的精密度比较高，这些仪器在投入使用前，首先要进行调整和检验。例如，各光学元件共轴调节，分光计的调节，迈克耳逊干涉仪的调节等都是光学实验中有代表性的基本训练。仪器的调节不是一个纯粹的技艺问题。判断仪器是否处于正常的工作状态，以及选择最有效最准确的方法，都要求调节者有明确的物理图像。理论联系实际的问题在光学里显得特别突出。如果不掌握基本理论，很多光学实验，特别像偏振、干涉等实验几乎无从做起，更不用说对实验结果作详细的理论分析了。为了收到更好的效果，在实验前，要求同学们作好理论上的准备。在实验过程中要尊重客观实际、详尽地考察各种条件下得到的现象，记录有关数据，认真思考，对实验结果做出理论上的分析和解释。这些不仅丰富了实验的内容，提高了做实验的兴趣，而且反过来必然大大有助于巩固理论知识，加深并扩展对一些基本原理的探讨。实验课没有系统讲授的环节，实验基本上由同学们独立完成，教师只作必要的讲解与指导。实验课能否收到良好效果与同学们的学习自觉性关系甚大。因此，希望同学们作到：课前充分准备；课上三勤———手勤（操作，实验，记录），眼勤（观察，比较），脑勤（思考，分析，提问题）；课后加以反思。光学仪器使用注意事项光学仪器是比较精密的仪器，如果使用不当，它的光学元件及机械部分都容易被损坏。常见的损坏有以下几种原因：1、物理的和机械的原因：跌落、震动、挤压以及由于冷热不均造成了损坏，往往使部分或全部元件无法使用；磨损也是常见的一种，危害性也很大。如光学元件表面附有不清洁的物质时，如果用手或其它粗糙的东西去擦，致使光学表面留下痕迹，轻者使其成像模糊，重者根本不能成像。这是一种不良的操作习惯和恶劣的工作作风。2、化学的原因：污损（由于手上的油垢、汗渍或不洁液体的沉淀等）、发霉以及酸、碱等II对光学表面的腐蚀。因此，在使用光学仪器时必须遵守下列规则：1、轻拿、轻放，勿使仪器受震，更要避免跌落到地面。光学元件使用完毕，不得随意乱放，应当物归原处。2、任何时候都不能用手触及光学表面，（光线在此表面反射或折射），只能接触经过磨砂的表面（光线不经过的表面，一般都磨成毛面），如透镜的侧面，棱镜的上、下底面等。3、不能对着光学元件说话，更不能打喷嚏、咳嗽。4、光学表面有污垢时，不要私自处理，应向教师说明。对于没有薄膜的光学表面，可用干净的镜头纸轻擦。对于光学仪器中的机械部分，仍需注意正确使用。所有调节螺钉均不能强行调过其可调范围。课内外要求1、课前必须认真预习，必须对所作的实验有一总体概念，弄清主要的原理、光路、公式，主要的实验内容及步骤，注意事项，操作规程。在此基础上完成预习报告，并设计好数据表格。2、课上按号就坐，动手前需大体了解一下所用仪器设备。实验数据经教师检查并签字方可拆除光路。3、实验完毕，应将仪器整理还原，光学元件装入盒内，将桌面、凳子收拾整齐，方能离开实验室。5、实验报告包括如下内容：目的要求，仪器用具，简明原理（光路图，主要公式及条件），数据及结果（或现象记录及必要解释），作业题。在有充分数据或现象的基础上，提倡讨论研究。数据特别是结果表达应大体真实反映其有效数字。III实验室规则1、.课前写好的预习报告应有秩序地经教师检查，认为合格者方可进行实验。2、.进入实验室后必须认真严肃，保持室内安静，不得大声喧哗。3、实验未经教师检查，不得接通电源和进行操作。4、实验室内所有仪器不得随意搬动或拆卸5、进行实验时，如缺少仪器和材料，应向教师提出解决，不得乱拿别组的仪器和材料，以免造成混乱。6、有仪器发生故障或损坏，应及时向教师报告。7、实验完毕后，仪器还原，搽揩干净，安放整齐，加罩防尘。8、补做实验必须事先预约，按规定时间来实验室补做。9、实验室的工具用后应及时归还原处。1实验一迈克耳逊干涉仪实验【目的与要求】1、了解迈克耳逊干涉仪的结构和工作原理，掌握其调整方法；调出非定域干涉等倾干涉、等厚干涉和白光干涉条纹。2、明确几种条纹的形成条件、花纹特点、变化规律及相互间的区别，加深对干涉理论的理解。3、用迈克耳逊干涉仪测量气体折射率。【仪器用具】迈克耳逊干涉仪，He-Ne激光器及其电源，扩束透镜，小孔光栅、白帜灯，毛玻璃，小气室，打气皮囊，气压表。【实验原理】一、M-干涉仪的光路M-干涉仪是一种分振幅双光束的干涉仪，它的光路如图1-1。光源S发出的一束照射到分光板G1上，G1板的后面镀有半反射膜，一般镀银，这个半反半透分成相互垂直的反射光束1和透射光束2，两者强度接近相等，此板称为分束板。当激光束以45o角射向G1时，它被分为相互垂直两束光，这两束光分别垂直射到平面镜M1和M2上，再经M1和M2所反射各自沿原路返回到G1的半反射膜上，又重新会集成一束光。由于反射光1和透过光2为半透膜SM1M2M2121'2'G2G1Ld图1-1图1-2ES1rOSSS2M22PMM22dS2ZMdG1M2两相干涉光束，因此我们可以在E方向观测到干涉条纹。Ｇ2为一补偿板，其物理性能与几何形状皆与Ｇ1全同的补偿作用（但是不镀膜），Ｇ1与Ｇ2平行，Ｇ2的作用是保证1、2两束光在玻璃中的光程完全相等。反射镜M2是固定不动的，M1可在精密导轨上前后移动，从而改变1、2两束光之间的光程差。精密导轨与Ｇ1成45o角。为了使光束1与导轨平行，激光应垂直导轨方向射向M-干涉仪。二、干涉花纹的图样图1-1中'2M是2M被1G反射所成的虚像，从观察者看来，两相干光束是从1M和'2M反射而来，因此，我们把干涉仪产生的干涉等效为1M、'2M间的空气膜所产生的干涉来进行研究。1、点光源照明----非定域干涉条纹激光通过短焦距透镜会聚后是一个强度很高的点光源S，它发出的球面光波照射M-干涉仪，经Ｇ1分束及M1，M2反射后射向屏E的光（参看图1-2）可以看成是由虚光源S1、'2S发出的。其中S1为光源S经过Ｇ1及M1反射后形成的像，'2S为光源S经过Ｇ1及M2反射后形成的像（等效与从点光源S经Ｇ1及'2M反射后形成的像）。这两个虚光源S1、'2S所发出的两列球面波，在它们能够相遇的空间里处处相干，既各处都能产生平面干涉条纹。因此在这个光场中任何地方放置的毛玻璃都能看到干涉条纹。这种干涉称为非定域干涉。随着S1、'2S与毛玻璃的相对位置不同，干涉条纹的形状也不同。当毛玻璃与S1、'2S的连线垂直时（此时M1，M2大体平行），得到圆条纹，圆心在S1、'2S的连线和毛玻璃屏的交点O处，当毛玻璃E与S1、'2S的连线的垂直平分线垂直时（此时M1，M2与E的距离大体相等，且它们之间有一个小夹角）将得到直线条纹，其他情况下将得到椭圆、双曲线干涉条纹。下面分析非定域圆条纹的特性（见图1-2）S1、'2S到接收屏上任意一点P的光程差为''21LSPSP。当zr3时有cos2L，而zr/2/1cos2所以222(1)2rLdz(1-1)⑴亮纹条件：当光程差Lk时，k=1,2,3，……（式中k为条纹的级次，为入射的单色光波长．）有亮纹，其轨迹为圆。若z、d不变，则r越小k越大。则靠中圆心的条纹干涉级次高，靠边缘的条纹干涉级次低。⑵条纹间距：令kr及1kr分别为两个相邻干涉环的半径，根据式（1-1）有222(1)2krdkz，2122(1)(1)2krdkz两式相减得干涉条纹间距212kkkzrrrrd由此可见，条纹间距r的大小由四种因数决定：——越靠中心的干涉环（半径kr越小）r越大。既干涉条纹中间稀边缘密。——d越小，r越大。即1M与'2M的距离越小条纹越稀，距离越大条纹越密。——z越大，r越大。即点光源S接收屏E及12()MM镜离分束板1G越远，则条纹越稀。——波长越长，r越大。⑶条纹的“吞吐”：缓慢移动1M镜，改变d，可看见条纹“吞”“吐“的现象。这是因为对于某一特定级次为1k的干涉条纹（干涉环半径为1kr）有21122(1)2krdkz，移动1M镜，当d增大时，1kr也增大，看见条纹“吐”的现象。当d减小时，1kr也减小，看见条纹“吞”的现象。对圆心处，有0r，则有2dk。若1M移动了距离d，所引起干涉条纹“吞”4或“吐”的数目Nk，则有Nd2(1-2)所以，若已知波长，就可以从条纹的“吞”“吐”数目N，求得1M镜的移动距离d。这就是干涉测长的基本原理。反之若已知1M镜的移动距离d和条纹的“吞”“吐”数目由公式（1-2）可求得波长。二、扩展光源照明——定域干涉条纹⑴等倾干涉条纹如图1-3所示，设1M、'2M互相平行，用扩展光源照明。对倾角相同的各光束它们由上下两表面反射而形成的两光束，其光程差均为cos2dL此时在E方用人眼直接观察，或放一会聚透镜在其后焦面上用屏去观察，可以看见一组同心圆，每一个圆各自对应一恒定的倾角，所以称为等倾干涉条纹，等倾干涉条纹定域在无穷远。在这些同心圆中，干涉条纹的级别以圆心处为最高，此时0，因而有2Ldk，当移动1M镜，使d增加时，圆心处条纹的干涉级次越来越高，可看见圆条纹一个一个从中心“吐”出来；反之，当d减小时，可看见圆条纹一个一个从中心“吞”进去。每当“吐”出或“吞”进一条条纹时d就增加了或减少了2。对第k级有2coskdk对第1k级有12cos(1)kdk两式相减，并利用2cos12（当较小时），可得相邻两条纹的角距离12kkkkd由式