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工程光学实行教材doc

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  实验一 自组望远镜 (测量实验) 一、实验目的 了解望远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方法。 二、实验原理 最简单的望远镜是由一片长焦距的凸透镜作为物镜,用一短焦距的凸透镜作为目镜组合而成。远处的物经过物镜在其后焦面附近成一缩小的倒立实像,物镜的像方焦平面与目镜的物方焦平面重合。而目镜起一放大镜的作用,把这个倒立的实像再放大成一个正立的像,如图五所示。 三、实验仪器 1、带有毛玻璃的白炽灯光源S 2、毫米尺F L=7mm 3、二维调整架: SZ-07 4、物镜Lo: fo=225mm 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、滑座: TH70 9、滑座: TH70Y 10、滑座: TH70Y 11、滑座: TH70 12、白屏: SZ-13 四、仪器实物图及原理图 图四 五、实验步骤 把全部器件按图四的顺序摆放在导轨上,毫米尺竖直放置,靠拢后目测调至共轴,把标尺放在毫米尺一侧。 把F和Le的间距调至最大,沿导轨前后移动Lo,使一只眼睛通过Le看到清晰的完整毫米尺上的刻线。 再用另一只眼睛看标尺,读出测微目镜看到的像在标尺上的尺寸。 六、数据处理 毫米尺尺寸AB;像在标尺上的尺寸A"B" 望远镜放大倍率M= A"B"/AB 七、实验结果: 1、数据:毫米尺尺寸AB=2mm;像在标尺上的尺寸A''B''=101cm 所以,望远镜放大倍率M=A''B''/AB=10/2=5倍 2、观察到的现象: 八、遇到的问题及心得体会: 1、开始实验时,由于各个仪器的间距摆放不合理,导致得不到想要的实验结果,最后看了实验册,重新摆放仪器; 2、移动透镜的速度过快,使得我们看不到实验现象,也就没法组成望远镜,最后经过老师的指导,我们缓慢移动透镜; 3、由于不知道会看到什么样的实验现象,以至于我们看到了微小的现象,以为不是我们想要的实验结果,再次导致没有做出来; 4、最终在老师的一再指导下,我们终于自组成功望远镜,且通过观察我们得到规律: 凸透镜成像规律:物距大于二倍焦距时成缩小实像。 实验二 自组显微镜 (测量实验) 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) 图四(2) 五、实验步骤 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。 把透镜Lo、Le的间距固定为180mm。 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),直至在显微镜系统中看清分划板F1的刻线。 六、数据处理 显微镜的计算放大率: 其中:,见图示。 本实验中的fe=250/20(计算方法可参考光学书籍) 七、实验结果 1、数据: =250*(-25)/(15*250/20)=3.33 2、观察到的现象: 八、遇到的问题及心得体会 1、自组显微镜时,由于各个仪器的间距摆放不合理,导致得不到想要的实验结果,最后看了实验册,重新摆放仪器; 2、移动透镜的速度过快,使得我们看不到实验现象,也就没法组成显微镜,最后经过老师的指导,我们缓慢移动透镜; 3、由于不知道会看到什么样的实验现象,以至于我们看到了微小的现象,以为不是我们想要的实验结果,再次导致没有做出来; 4、最终在老师的一再指导下,我们终于自组成功显微镜,且通过观察我们得到规律: 凸透镜成像规律:物体在一倍焦距以内,成放大正立的虚像;在一倍焦距以外二倍焦距以内成倒立放大放大的实像。 实验三 偏振光分析 (测量实验) 一、实验目的 观察光的偏振现象,分析偏振光,起偏,定光轴 二、实验原理 偏振光的基本概念 光是电磁波,它的电矢量E和磁矢量H相互垂直,且均垂直于光的传播方向c,通常用电矢量E代表代表光的振动方向,并将电矢量E和光的传播方向c所构成的平面称为光振动面。在传播过程中,电矢量的振动方向始终在某一确定方向的光称为平面偏振光或线(a)。光源发射的光是由大量原子或分子辐射构成的。由于大量原子或分子的热运动和辐射的随机性,它们所发射的光的振动面,出现在各个方面的几率是相同的。故这种光源发射的光对外不显现偏振的性质,称为自然光附图1(b)。在发光过程中,有些光的振动面在某个特定方向上出现的几率大于其他方向,即在较长时间内电矢量在某一方向上较强,这种光称为部分偏振光,如图附图1(c)所示,还有一些光,其振动面的取向和电矢量的大小随时间作有规律的变化,而电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆。这种光称为椭圆偏振光或圆偏振光。 附图1(a) 附图1(b) 附图1(c) (二)获得偏振光的常用方法 将非偏振光变成偏振光的过程称为起偏,起偏的装置称为起偏器。常用的起偏装置主要有: 1、反射起偏器(或透射起偏器) 当自然光在两种媒质的界面上反射和折射时,反射光和折射光都将成为部分偏振光。 当入射角达到某一特定值时,反射光成为完全偏振光,其振动面垂直于入射面(见附图2)而角就是布儒斯特角,也称为起偏振角,由布儒斯特定律得 例如,当光由空气射向n=1.54的玻璃板时,=57度 若入射光以起偏振角射到多层平行玻璃片上,经过多次反射最后透射出来的光也就接近于线偏振光,其振动面平行于入射面。由多层玻璃片组成的这种透射起偏振器又称为玻璃片堆。见附图3。 附图2 附图3 附图4 2、晶体起偏器 利用某些晶体的双折射现象来获得线偏振光,如尼科尔棱镜等。 偏振片(分子型薄膜偏振片) 聚乙烯醇胶膜内部含有刷状结构的炼状分子。在胶膜被拉伸时,这些炼状分子被拉直并平行排列在拉伸方向上,拉伸过的胶膜只允许振动取向平行于分子排列方向(此方向称为偏振片的偏振轴)的光通过,利用它可获得线偏振光,其示意图参看图附图4。偏振片是一种常用的“起偏”元件,用它可获得截面积较大的偏振光束(它就是本实验使用的元件)。 (三)偏振光的检测 鉴别光的偏振状态的过程称为检偏,它所用的装置称为检偏器。实际上,起偏器和检偏器是通用的。用于起偏的偏振片称为起偏器,把它用于检偏就成为检偏器了。 按照马吕斯定律,强度为I0的线偏振光通过检偏器后,透射光的强度为 式中为入射光偏振方向与检偏器偏振轴之间的夹角。显然,当以光线传播方向为轴转动检偏器时,透射光强度I将发生周期性变化。当=0度时,透射光强度最大;当=90度时,透射光强度最小(消失状态);当0度90度时,透射光强度介于最大值和最小之间。因此,根据透射光强度变化的情况,可以区别光的不同偏振状态。 (四)偏振光通过波晶片时的情形 1.波晶片 波晶片是从单轴晶体中切割下来的平行平面板,其表面平行于光轴。 当一束单色平行自然光正入射到波晶片上时,光在晶体内部便分解为o光与e光。o光电矢量垂直于光轴;e光电矢量平行于光轴。而o光和e光的传播方向不变,仍都与表面垂直。但o光在晶体内的速度为,e光的为即相应的折射率、不同。 设晶片的厚度为l,则两束光通过晶体后就有位相差 式中λ为光波在真空中的波长。的晶片,称为全波片;者为半波片(λ/2波片);为λ/4片,上面的k都是任意整数。不论全波片,半波片或λ/4片都是对一定波长而言。 以下直角坐标系的选择,是以e光振动方向为横轴,o光振动方向为纵轴。沿任意方向振动的光,正入射到波晶片的表面,其振动便按此坐标系分解为e分量和o分量。 2.光束通过波片后偏振态的改变 平行光垂直入射到波晶片后,分解为e分量和o分量,透过晶片,二者间产生一附加位相差σ。离开晶片时合成光波的偏振性质,决定于σ及入射光的性质。 (1)偏振态不变的情形 (i)自然光通过波晶片,仍为自然光。因为自然光的两个正交分量之间的位相差是无规的,通过波晶片,引入一恒定的位相差σ,其结果还是无规的。 (ii)若入射光为线偏振光,其电矢量E平行e轴(或o轴),则任何波长片对它都不起作用,出射光仍为原来的线偏振光。因为这时只有一个分量,谈不上振动的合成与偏振态的改变。 除上述二情形外,偏振光通过波晶片,一般其偏振情况是要改变的。 (2)λ/2片与偏振光 (i)若入射光为线片的前面(入射处)上分解为 ε=0或π 出射光表示为 讨论二波的相对位相差,上式可写为 = 出射光二正交分量的相对位相差由此决定。现在 和 这说明出射光也是线偏振光,但振动方向与入射光的不同。如入射光与晶片光轴成角,则出射光与光轴成-角。即线片电矢量振动方向转过了2角。 (ii)若入射光为椭圆偏振光,作类似的分析可知,半波片既改变椭圆偏振光长(短)轴的取向,也改变椭圆偏振光(圆偏振光)的旋转方向。 (3)λ/4片与偏振光 (i)入射光为线或π 则出射光为 则出射光为 此式代表一正椭圆偏振光。对应于右旋,对应于左旋。当时,出射光为圆偏振光。 (ii)入射光为圆偏振光 此式代表线偏振光。出射光电矢量沿一、三象限;,沿二、四象限。 (iii)入射光为椭圆偏振光 出射光为 可见出射光一般为椭圆偏振光。 三、实验仪器 1、He—Ne激光器(632.8nm) 2、偏振片(起偏器) 3、可变口径二维架: SZ-05 4、偏振片(检偏器) 5、X轴旋转二维架: SZ-06 6、白屏H: SZ-13 7、滑座: TH70 8、滑座: TH70Y 9、滑座: TH70Y 10、滑座: TH70 11、1/4、1/2波片各一片 12、滑座: TH70Y(波片使用) 四、仪器实物图及原理图 图十五 五、实验步骤,及数据处理 定偏振片光轴:把所有器件按图十五的顺序摆放在导轨上,调至共轴。旋转第二个偏振片,使起偏器的偏振轴与检偏器的偏振轴相互垂直,这时可看到消光现象。 考察平面偏振光通过λ/2波长时的现象: (1)在两块偏振片之间插入λ/2波长片,把X轴旋转二维架转动360度,能看到几次消光?解释这现象。 (2)将λ/2波长转任意角度,这时消光现象被破坏。把检偏器转动360度,观察到什么现象?由此说明通过λ/2波长片后,光变为怎样的偏振状态? (3)仍使起偏器和检偏器处于正交(即处于消光现象时),插入λ/2波长,使消光,再将其转15度,破坏其消光。转动检偏器至消光位置,并记录检偏器所转动的角度。 (4)继续将λ/2波长转15度(即总转动角为30度),记录检偏器达到消光所转总角度。依次使λ/2波长总转角为45度,60度,75度,90度,记录检偏器消光时所转总角度。 半波片转动角度 检偏器转动角度 15度 30度 45度 60度 75度 90度 上面实验结果得出什么规律? 用波长片产生圆偏振光和椭圆偏振光 (1)按图十五使其起偏器和检偏器正交,用λ/4波长片代替λ/2波长片,转动λ/4波片使消光。 (2)再将λ/4波片转动15度,然后将检偏器转动360度,观察到什么现象?你认为这时从λ/4波片出来光的偏振状态是怎样? (3)依次将转动总角度为30度,45度,60度,75度,90度,每次将检偏器转动,记录所观察到的现象。 λ/4波片转动的角度 检偏器转动360度观察到的现象 光的偏振性质 15度 30度 45度 60度 75度 90度 六、实验结果 2、(1)、出现4次消光; (2)、出现2次消光; (3)、(4)、 半波片转动角度 检偏器转动角度 15度 30度 30度 60度 45度 90度 60度 120度 75度 150度 90度 180度 规律:当半波片转动任一角度t时,对应的检偏器转动2*t。 3、 (1)出现4次消光; (2)、(3)、 1/4波长转动角度 检偏器转动360度观察到的现象 光的偏振性质 15度 亮—暗—亮—暗 椭圆偏振光 30度 亮—暗—亮—暗 椭圆偏振光 45度 不变 圆偏振光 60度 亮—暗—亮—暗 椭圆偏振光 75度 亮—暗—亮—暗 椭圆偏振光 90度 两次完全消光 线偏振光 七、心得体会 1、第一次做实验,没有按照实验册上讲的步骤做,导致实验结果偏差太大,基本是属于不正确的实验结果; 2、虽然得到的结果毫无规律,不像是正确的实验结果,但是我们自认为实验过程没有问题,所以如实记录数据,后来证实实验结果的确是错误的; 3、第二次做实验,按照实验步骤来做,但是由于不明白实验原理,课前也没有进行复习,未掌握实验过程,错把起偏器当成了检偏器,再次导致的实验结果的错误,最终在老师的耐心指导下,终于明白的问题所在; 4、第三次做实验,根据的老师的指导,以及阅读实验册,明白实验的原理及过程,终于得到了正确地实验结果; 5、做1/4波长的实验的时候,吸取了半波片实验时的经验教训,得到实验结果,但是由于该次实验的结果不像半波片的结果那样有规律可循,我们对实验结果很不自信,最后跟老师交谈,老师说要忠于实验,如实记录,这是作为实验者需要的特别重要的素质,这样记录的结果哪怕不正确,至少我们的态度是端正的。 6、通过这次实验,我深刻体会到课前预习的重要性,以及做实验一定按部就班、认真谨慎,唯有这样我们才能探索出科学的真理。 实验四 阿贝成像原理和空间滤波 (测量实验) 一、实验目的 了解付里叶光学基本原理的物理意义,加深对光学中的空间频谱和空间滤波等概念的理解。 二、实验原理 傅立叶变换在光学成像系统中的应用。 在信息光学中、常用傅立叶变换来表达和处理光的成像过程。 设一个xy平面上的光场的振幅分布为g(x,y),可以将这样一个空间分布展开为一系列基元函数的 线) ,为x,y方向的空间频率,量纲为;是相应于空间频率为,的基元函数的权重,也称为光场的空间频率,可由下式求得: (2) g(x,y)和实际上是对同一光场的两种本质上等效的描述。 当g(x,y)是一个空间的周期性函数时,其空间频率就是不连续的。例如空间频率为的一维光栅,其光振幅分布展开成级数: 相应的空间频率为f=0,,。 阿贝成像原理 傅立叶变换在光学成像中的重要性,首先在显微镜的研究中显示出来。E.阿贝在1873年提出了显微镜的成像原理,并进行了相应的实验研究。阿贝认为,在相干光照明下,显微镜的成像可分为两个步骤,第一个步骤是通过物的 衍射光在物镜后焦面上形成一个初级衍射(频谱图)图。第二个步骤则为物镜后焦面上的初级衍射图向前发出球面波,干涉叠加为位于目镜焦面上的像,这个像可以通过目镜观察到。 成像的这两步骤本质上就是两次傅立叶变换,如果物的振幅分布是g(x,y),可以证明在物镜后面焦面,上的光强分布正好是g(x,y)的傅立叶变换。(只要令,,为波长,F为物镜焦距)。所以第一步骤起的作用就是把一个光场的空间分布变成为:空间频率分布;而第二步骤则是又一次傅氏变换将又还原到空间分布。 附图1显示了成像的这两个步骤,为了方便起见,我们假设物是一个一维光栅,平行光照在光栅上,经衍射分解成为向不同方向的很多束平行光(每一束平行光相应于一定的空间频率)。经过物镜分别聚集在后焦面上形成点阵,然后代表不同空间频率的光束又从新在像平面上复合而成像。 附图1 但一般说来,像和物不可能完全一样,这是由于透镜的孔径是有限的,总有一部分衍射角度较大的高次成分(高频信息)不能进入到物镜而被丢弃了,所以像的信息总是比物的信息要少一些,高频信息主要是反映物的细节的,如果高频信息受到了孔径的阻挡而不能到达像平面,则无论显微镜有多大的放大倍数,也不可能在像平面上分辨出这些细节,这是显微镜分辨率受到限制的根本原因,特别当物的结构是非常精细(例如很密的光栅),或物镜孔径非常小时,有可能只有0级衍射(空间频率为0)能通过,则在像平面上就完全不能形成图像。 光学空间滤波 上面我们看到在显微镜中物镜的孔径实际上起了一个高频滤波的作用,这就启示我们,如果在焦平面上人为的插上一些滤波器(吸收板或移相板)以改变焦平面上光振幅和位相就可以根据需要改变像平面上的频谱,这就叫做空间滤波。最简单的滤波器就是把一些特殊形式的光阑插到焦平面上,使一个或几个频率分量能通过,而挡住其他频率分量,从而使像平面上的图像只包括一种或几种频率分量,对这些现象的观察能使我们对空间傅立叶变换和空间滤波有更明晰的概念。 三、实验仪器 1、He-Ne激光器(632.8nm) 2、扩束镜L1: f1=4.5mm 3、二维调整架: SZ-07 4、准直镜L2: f2=190mm 5、二维调整架: SZ-07 6、一维光栅(25L/mm) 7、干板架: SZ-12 8、傅立叶透镜L3 f3=150mm 9、白屏P: SZ-13 10、滑座: TH70 11、滑座: TH70Y 12、滑座: TH70Y 13、滑座: TH70Y 14、滑座: TH70Y 15、滑座: TH70Y 16、滑座: TH70 17、频谱滤波器: SZ-32 四、仪器实物图及原理图 图七 五、实验步骤及数据处理 1、用L1、L2组成扩束系统,使其出射的平行激光光束垂直的照射在其狭缝沿铅直方向放置的一维光栅上。前后移动变换透镜L3,使光栅(物)清晰的成像于离物两米以外的墙壁上。此时光栅位置接近于透镜的前焦面,故透镜的后焦面就为其傅氏面,该面上光强的分布即为物的空间频谱。用白屏H在透镜的后焦面附近慢慢移动,在透镜后焦面上可以观察到水平排列的一些清晰光点。这些光点相应于光栅的级衍射极大值,用米尺大约测出各光点与中央最亮点的距离,由以及透镜的焦距F,光波波长,试求出这些光点相应的空间频率。 位置(mm) 空间频率(1/mm) 一级衍射 二级衍射 三级衍射 2、在L3后焦面(傅氏面)处放入频谱滤波器,挡去0级以外的各点,观察像面上有无光栅条纹。 3、调节光栏,使0级和±1级最大值通过,观察像面上的光栅条纹像,再把光栏拿去,让更高级次的衍射都能通过,再观察像面上的光栅条纹像,试看这两种情况的光栅条纹像的宽度有无变化。 选做: 4、把一维光栅换成二维正交光栅,再前后移动变换透镜L3,使光栅(物)清晰的成像于离物两米以外的墙壁上。这时在透镜后焦面上观察到二维的分立光点阵(即 正交光栅的频谱)。在傅氏面处加一频谱滤波器,使通过光轴的一系列光点通过,观察像平面上一维条纹像的方向。 5、将频谱滤波器转过90度角,让包含0级的水平的一排光点通过,观察像平面上一维条纹像的方向。 6、再将频谱滤波器转过45度角,观察像面上条纹像的方向。 7、用网格字替换二维光栅,观察网格字的像的构成。 六、实验结果 1/4波长转动的角度 位置X’(mm) 空间频率 一级衍射 2 2.11*10^5 二级衍射 4.5 4.74*10^5 三级衍射 7 7.37*10^5 七、遇到的问题及心得体会 1、通过老师的讲解明白了阿贝成像和空间滤波的原理,然后跟同学把用到的实验仪器,按照实验册上的顺序摆放好,先是调节各个仪器的高度,保证其能接受到光,然后调节各个仪器的间距,使光屏上出现衍射图像,分为中央主极大、一级衍射条纹、二级衍射条纹……,且随着衍射级数的增加,光的频率越高,光的能量越小。 2、虽然这次实验比较简单,但是实验过程还是遇到很多问题,光源不能完全固定,总是晃动,给后面的调节工作造成阻碍,最后我们选择换个光源,解决了问题。 3、由于光学实验是比较精密的,实验的人比较多,所以同学们的走动引起空气振荡,还有同学们无意间碰到桌子……都会使实验结果有偏差。 4、通过做实验,我深刻体会到动手实践的重要性,只有我们真正动手去做才会发现问题,儿解决这些问题的过程就是我们能力提高的过程。作为当代大学生,我们不仅要学好理论知识,更加要注重提高自己的动手操作的能力,正所谓实践是检验真理唯一标准!我们只有做好并且做好理论知识与科学实践相结合,才能成为国家和社会需要的有用之才! 工程光学实验

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