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工程光学尝试1—6指示书

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工程光学尝试1—6指示书

  工程光学实验1—6指导书_理学_高等教育_教育专区。实验一 放大率法测量焦距和截距 Measurement Of Focus And Intercept 一、实验目的: 1.通过对透镜的焦距和截距测量熟悉焦距仪的测量原理及测量方法,掌握基本的实验技能。 实验一 放大率法测量焦距和截距 Measurement Of Focus And Intercept 一、实验目的: 1.通过对透镜的焦距和截距测量熟悉焦距仪的测量原理及测量方法,掌握基本的实验技能。 2.了解焦距仪的结构及平行光臂的使用,学会螺旋丝杠式测微目镜读数方法。 3.掌握校正显微镜放大率的方法。 二、实验要求: 基本理论:理想光学系统的共线成像理论。 基本知识:了解焦距仪的结构,平行光管的使用,理想光学系统焦点、焦平面、主平面、焦 距和截距的概念。 基本技能:学会在焦距仪上进行同轴等高调节。 学会使用螺旋丝杠式测微目镜及读数方法。 三、实验内容及测量原理: 焦距和截距是光学系统重要的特性参数,就几何光学来说,焦距是光学系统的特征值。只 要知道焦距和焦点的位置,就能完全确定任何位置上的物体经过该光学系统所成像的位置、大 小、正倒和虚实。 1.焦距的测量原理: 光学系统的主点到焦点的距离称为焦距。物方焦距、像方焦距分别用 f 、 f 表示。放 大率法测量焦距是利用平行光管物镜焦面上分化板的一对刻线在被测透镜焦面上成像的比 例关系,求出被测透镜焦距的大小。如平行光管分化板上一对刻线间距为 y ,经被测透镜成 的像为 y ,平行光管物镜和被测透镜焦距分别为 f 0 和 f ,由图一可看出它们的关系如下: tg? ? ∵? ? ? ∴ y ? f0 tg? ? ? y f y ? y ? ? f0 f 即 f ? ? f 0? y y 式中 f0、y 为已知,f与 y成正比。这样只要测出 y,即可求出被测透镜焦距。 2 图一 2.焦距的测量: 光学系统的最后一个表面顶点到像方焦点的距离为后焦距,用 lp表示。很显然,对 于一个光学系统知道了焦距和截距的大小,就可确定焦点和主点的位置。 图二 在测量截距的同时,可以进行透镜截距 l F 的测量。图二表示了测量原理,其中 y 是位于被测透镜焦平面上的平行光管分化板刻线的像。测量焦距的时候,测量显微镜是 调焦在像 y上的,也就是被测透镜的焦平面一定位在测量显微镜的工作距离 L 上。此时, 利用在导轨上的长度刻尺可以得到测量显微镜位置的一个读数。然后慢慢移动测量显 微镜镜座,直到被测透镜的后表面在测量显微镜的工作距离上,这时通过测量显微镜 能清楚地观察到被测透镜的这个表面。此时在刻度尺上又可以得到测量显微镜位置的 一个读数。两次位置的读数差值,即测量显微镜移动的距离就是被测透镜的截距 l F 。 四、测量仪器: 测量使用的仪器为焦距仪。这种仪器由平行光管,透镜夹持器,带有测微目镜的测量显微 镜以及将它们连在一起的一根长导轨所组成。利用带有测微目镜的测量显微镜可以准确地测出 在被测透镜焦平面上所成的刻线像的间隔。通常在各种光具上都能进行测量。 平行光管文件焦距为 f0=550mm。测量焦距时用的平行光管分化板形状如图三所示,它上面 刻有五组间隔不同的平行线 毫米。 仪器的导轨长度为 1.5 米,它上面附有一根刻度尺,价格为 1 毫米利用它可以指示出测量显 微镜的所在位置。这一点对测量截距是有用的。 测量显微镜的目镜有两种可以更换,其倍率分别为 1X,0.5X,其工作距离分别为 135 毫米 3 和 600 毫米。工作距离较长的 0.5X 物镜,适用于测量焦距较长的负透镜。 图三 图四 图五 测量显微镜上带有螺旋式测微目镜,其固定分化板如图四所示,刻度范围 8 毫米,每格间 距为 1 毫米用于测量焦距时读整数部分。其活动分化板如图五,上面刻有交叉十字线及一对平 行线,当测微目镜读数鼓轮旋转时,活动分化板刻线 格等分刻线,读 数鼓轮旋转一圈,活动分化板移动 1 毫米,所以读数鼓轮上的一格相对固定分化刻线 毫米。这样利用测微目镜就可以准确地测量出平行光管分化板上的刻线组经过被测透镜所成的 象再经过显微物镜所成像的大小。 五、测量方法: 1.将被测量透镜安装在透镜夹持器上。 2.调节测微目镜深度,使看到的显微镜分化板的刻线.调节测微显微镜和透镜夹持器,使它们和平行光管三者的光轴大致一致。此时平行光管分化 板在被测透镜焦平面上形成一个像。调节测量显微镜,在测微目镜分化板上看到这个像,并 且使这个像在视场中上下、左右适中。 4.微调测量显微镜,调至使在视场里能无视差地看到平行光管分化板刻线.以上调好后,用测微目镜测出此像的大小,将活动分化板的叉线首先对准所选定的那组刻线 的左边一条,可以看到一读数,然后转动测微手轮,使活动分化板的叉线再对准该组刻线的 右边一条,又可以得到一读数,两个读数之差即为测微目镜对刻组刻线经显微物镜所成像的 读数值,记为 D,显然 y ? 值)代入公式: D ? 、其中 ? 为显微镜的放大率。 (注:此处 ? 、y、y都取绝对 f ? f 0? y D f 0 ? f 0? ? ?D y y?? y?? f 0 y?? 令常数 C? 则: f ? C ? D 从测量中得到 D、查下表找出对应的 C 值,由公式 f ? C ? D 即可计算得到被测调节的 焦距。 4 常数 C y 1 2 275 550 4 137.5 275 10 55 110 20 27.5 55 550 1100 ? -1X -0.5X 6.移动测量显微镜测量截距。 7.将测量数据与计算结果填入表中: 测量正透镜: 左竖线 第一次 第二次 第三次 右竖线; 平均值 ? 测量负透镜: 左竖线 第一次 第二次 第三次 右竖线; ? D C f f 平均值 ? lF ? 六、测量中应注意几点: 1.被测透镜应尽可能地在与使用情况的状态下进行测量。因为一个光学系统只要对特定的工作 位置校正了像差的。如果位置放反了,则由于像差较大而得不到清晰的像。 2.选择平行光管分化板上刻线时,使刻线间距小于平行光管、被测透镜的有效视场范围,否则 轴外像差将影响测量结果。 3.在测量负透镜时,所选用的显微镜的工作距离要大于被测透镜焦距。 4.转动测微目镜时,切勿使活动分化板刻线移出视场,以免损坏。 5.调节测量显微镜时要注意不要使显微镜移动过头,致使测量显微镜由导轨滑落。 七、思考题: 注意事项 3 中,为什么要选用工作距离大于被测负透镜焦距的显微物镜? 5 实验二 象差实验 一、实验目的: 演示观察各种象差现象,了解各种象差产生的条件。 二、实验要求: 基本理论:象差理论 基本知识:象差产生的条件 基本技能:利用实验设备较准确地表演各种象差现象。 三、实验装置: 简易光具座及其附件(透镜、光阑、演示板、象屏、滤色片等) 。 四、实验内容和实验方法: 实验光学系统中,只要平面发射镜在理论上具有理想光学系统的性质。其它光学系统都不 能以一定宽度的光束对一定大小的物体成完善象,即物体上任一点发出的光束通过光学系统后 不能会聚为一点,而形成一弥散斑,或者使象不能严格地表现出原物形状,这就是象差。各种 象差都和光学系统的结构及物体位置和大小有关。 1.球差: 由轴上一点发出的光线,孔径角不同,通过光学系统后有不同的象方截距,这就是球差现 象。球差是轴上点唯一的单色象差,球差 ? L 在数值上是轴上点发出不同孔径光线;之差即: ? L ? L?1 球差是沿光轴方向量度的,是一种轴向象差。 图一 观察方法:实验装置按图一排列。灯泡内的灯丝作为观察的物体,其中的光阑是有 5 个小 孔的演示板。首先改变光阑及透镜的位置,使得经过 5 个小孔的光束都能经过透镜。 (使象略 小于物体)然后遮挡住光阑上中间的三个小孔,些时可观察到两束边光,移动象屏找到灯丝经 边光所成的象,把灯丝象调清晰后,记下其位置 L。然后再遮住两边小孔,使经过中间三个小孔 的光束进入透镜,此时可看到象屏上不再是一个清晰的象,移动象屏把象调清晰,记下此时象面 位置 1,即为近轴光象面位置,L和 1两值之差便是对此透镜粗测的球差值。 2.慧差: 慧差是一种轴外象差,是由于光束通过光学系统折射后,不同孔径光线的会聚点相对光束 轴的偏离不同而产生。由于靠近主光线部分会聚的光能量较集中其余光线 能量较为扩散形成慧星形象点。 观察方法:实验装置按图二排列,其中透镜和象屏按图中虚线位置。首先调节聚光镜、物 和光阑,使之同轴,并使光线充满作为物的小孔和光阑。移动象屏找到小孔的象,并调至清晰。 然后按照图中实线所示位置,使透镜及象屏偏转一角度,便可观察到在象屏上有慧星形状的慧 差出现。慧星的头便是主光线的象点,它光能量最集中,因而最亮。注意偏转透镜后不应再移 动其它部分的装置。 图二 3.象散: 光学系统对轴外点成象产生象散,是由于轴外点发出的光束通过光学系统后,形成的光束 所对应的波面已非球面波,它在两个主截面中的曲率不同,所以分别有子午象点和弧矢象点,子 午细光束形成子午象点,为一垂直于子午面的短线(也称焦线),弧矢细光束形成弧矢象点,为 一垂直弧矢面的短线(也称焦线) 。两条短线之间的距离即为象散值。 图三 观察方法:按照图三排列,同慧差步骤,先按虚线找象点,再偏移光轴,此时可观察到象屏 上有椭圆出现,移动象屏,可观察到象由垂直于子午面的短线即子午焦线变为一长轴垂直于子 午面的椭圆,继续移动象屏,椭圆长轴变成在子午面内,最后形成一子午面内短线即弧关焦线, 记下两焦线的位置,便可粗略计算象散大小。注意此时不应再动透镜和光阑,只前后移动象屏 即可。 4.畸变: 7 光学系统产生畸变的原因是一对共轭物、象平面上,放大率随观场而改变,不再是常数,因 此使成像发生变形。畸变分枕形畸变(即为正畸变)和桶形畸变(即为负畸变) 。 观察方法: (1)枕形畸变: 按图四排列,先不放入小孔,使物在象屏上成象,并使象略大于物,调清网格象后,把小孔光 阑放在位置(I)处,移动光阑,找到适当的位置,可观察到枕形畸变。注意此时不再移动透镜 和象屏的位置。 (2)桶形畸变 图四 按图四排列,顺序同上,把小孔光阑放在位置(II)处,可在象屏上看到桶形畸变。 5.位置色差: 白光通过光学系统时由于色散,不同颜色的光在象方空间光轴上形成位置不同的象点,这 就是位置色差。 图五 观察方法:按图五排列,其中灯丝作为成像物体。首先调节透镜、象屏,找到灯丝象。分别 将红、兰两种滤色片放入,再把象调清晰,记下各自象面位置,两值之差便是粗测的位置色差值。 注意此时不应再移动透镜及物,只需要移动象屏找到最清晰的象面。 8 实验三 显微系统和望远系统光路拼搭及视角放大率测量 Structure Of Microscopical And Telescopical System 一、实验目的: 通过拼搭实践,进一步掌握显微镜和望远镜的工作原理及光路特点,通过放大率估测,加深对视 角放大率慨念的理解。 二、实验要求: 基本理论:光学系统成像理论 基本知识:显微系统,望远系统 基本技能:物镜目镜的选择及拼搭,同轴调试及对象。 三、实验设备:内容要求: 设备:简易光具座,白炽灯,毛玻璃,玻璃刻划线 块) ,负透镜,墙尺(贴在墙上 的纸尺) 。 内容:分别拼搭显微镜的光路,并估测其视角放大率。 要求: (1)实验前必须预习 1 弄清实验内容及其原理。 (2)按下述要求内容,步骤进行实验,并完成实验报告。 按本实验指导书的要求及格式作表和计算。 四、显微系统: 1、将玻璃刻线(焦距较短的) ,按图一排列,即 g1 放在 L1 的一倍焦距之外,两倍焦距之内的地方( f 1 ? l1 ? 2 f 1 )L1 使 g1 成一放大的倒 立的实像 g1(可用白屏接收、观察)然后,将 L2 放在距 g1为 L2 的一倍焦距附近使之起 大镜作用,使 g1再放大为 g1。这样就构成了一个显微镜。 2、测量视角放大率 ?显 : 见图一,左眼直接观察放在 250mm 处的刻线 相同),右眼通过显微镜观察 放大象 g1(也使起大致位于眼前 250mm 处)。若放大象 g1上的 n 个格正好与 g2 上的 m 个 格相当,则显微镜的视角放大率就是 ?显 ? m n ,要求测量三次,取平均值。 9 图一 记录与结果: 第一次 第二次 第三次 平均值 m n ?显 ? m n 3、根据公式 ?显 ? ? 物镜 ? ? ,计算 ?显 。 目镜 ? 物镜 可按下面方法得到:因为 ? 物镜 ? ?目镜 ,又 ?目镜 ? ? g1 ,所以可分别量出 g1 g1 的大小,便可算出 、 g1 250 ,代入公式计算 ?显 。 f目’ ? ? 250 : f 1? f 2 4、 ?显 还可表示成 ?显 ? ? 式中Δ 表示 F1与 F2 之间的距离,常称作光学间隔,见图二,Δ =d-f1-f2。所以,只要测 量出 L1 和 L2 之间距离 d,并代入已知的 f1 、f2便可得到Δ ,代入 ?显 公式计算得到 ?显 ,并 与 ?显 ? ? 物镜 ? ? 计算值比较。 目镜 10 图二 五、望远系统: 1、选用较长焦距的正透镜 L1 和较短焦距的正透镜 L2,按图三排列,即使 F1与 F2 重合,则 构成普勒望远镜。观察 5 米以外的目标 g(墙尺近似看成∞物体) ,可得到倒立的放大象 g。 2、测量视角放大率 右眼通过望远镜观察放大象 g,左眼直接观察墙尺 g。若墙尺放大象 g上的 n 个格正好 与直接观察的墙尺 g 上的 m 个格相当,则望远镜的视角放大率就是: ?望 ? m n 图三 记录数据: 第一次 m n 第二次 第三次 第四次 ?望 f 1 ,计算 ?望 ,并与测量值比较。 f 2 3.根据 ?望 ? ? 4.伽利略望远镜: 选用较长焦距的正透镜 L1 和较短焦距的负透镜 L2,按图四排列,即使 F1与 F2 基本重合。 11 观察墙纸,得一正立的放大象。 图四 5. 测量视角放大率 ?望 : 方法同开普勒望远镜。 记录数据: 第一次 m n 第二次 第三次 第四次 ?望 6.根据 ?望 ? ? f 1 ,计算 ?望 ,并与测量值比较。 f 2 12 实验四 法布里一珀罗干涉仪测定钠光两谱线的波长差 Measuring Difference between Na Spectrum Lines by Febry-Perot Interferometer 一、实验目的: 1.了解和学会使用法布里--珀罗干涉仪。 2.了解薄板的多束光干涉条纹的性质。 3.学会用法布里--珀罗干涉仪测量两条极靠近谱线的波长差的方法。 二、实验要求: 基本理论:光的干涉理论(平行平板产生的多光束干涉) 。 基本知识:多光束干涉的条件。 多光束干涉条纹的特点。 多光束干涉的应用。 基本技能:了解法布里--珀罗干涉仪的结构与原理。 学会使用法布里--珀罗干涉仪,调出清晰的等倾干涉条纹。 学会使用法布里--珀罗干涉仪测量钠光波长差。 三、实验仪器: 法布里--珀罗干涉仪,钠光灯,望远镜 四、实验原理: 图一 仪器的光路如图一所示,两块平板玻璃(或水晶板)P1 和 P2 的相对二表面平行放置,在相 对的二表面上镀以银层或铝层或多层介质膜以增加反射系数,两块平板玻璃皆具有一小楔角, 以消除未镀银表面反射的影响。两板间的距离用精密丝杠来调节和测量。 入射光通过 P1 以后,在 P1 和 P2 之间经多次反射并透过 P2 构成多束互相平行的相干光波, 干涉场定位在观察望远镜的焦平面上,由于眼睛观察的方向近似的和平面镜垂直,所以入射角 I 很小,看到的是等倾环。 光程差的公式为: ? ? 2h cos i (1) 亮纹和暗纹的条件为: 2h cos i ? m? 亮纹: 暗纹: (2) 1 2h cos i ? (m ? )? 2 13 条纹的后半径为: Pk ? K? h (3) 这种干涉条纹是这射的多束相干光产生的,因而其亮纹很窄很亮,如果光源含有两种波长 ?1 和 ?2 ,则能够清楚的看到两种波长所产生的各自的干涉条纹。当两种波长差较大,有颜色 的差别时,可以看到颜色相同的两组条纹。若波长差较小,无颜色差别,也可分别出现两组亮 纹。如平移 p1 以改变 p1 和 p 2 之间空气层的厚度时,由于光程差的变化两组条纹之间的距离 也产生变化,当条纹的干涉级等于: m? K?1 ? 2 ? ?1 (4) 时,在 m 级附近的两组条纹重合,此时看到条纹较稀疏。当条纹的干涉级等于: 1 ( K ? )?1 2 m? ? 2 ? ?1 (5) 时,在 m 附近一组条纹在另一组的中间,此时可看到条纹较均匀的分布。 1 ( K ? )?1 2 在测量时,观察视场中的干涉条纹,当 m ? 时, p1 和 p 2 之间的厚度为 h ,由 ? 2 ? ?1 公式 2h ? m?2 可知: h ? m ?2 2 ? ? 2 ? ?1 ( K ? ) (6) 1 2 2(? 2 ? ?1 ) 3 ( K ? )? 2 2 当 m ? 时,空气层厚度 h 则为: ? 2 ? ?1 h ? m (7)-(6)得: ?2 2 ? ? 2 ? ?1 ( K ? ) (7) 3 2 2(? 2 ? ?1 ) ?1 ? ? 2 ?2 h ?h ? ? 2(? 2 ? ?1 ) 2?? 由上式可求得: 14 ?? ? ?2 2(h ?h ) ? ?2 2?h (8) 在这里 ?h ? h ?h ,因为钠黄光 ?1 和 ?2 相差较小,故可用 ?2 代替 ?2 、 ?1 。而( h ?h )可 以在移动 P1 时,由干涉仪上手轮读数中求出。因 此我们可以用这个方法测出两谱线的微小波 长差来。 五、仪器结构: (见图二) 图二为法布里--珀罗干涉仪外观图,其中(1)为导轨固定在仪器底座(2),底座(2)装 有三个调节螺钉(3),用以调节仪器的水平,导轨上装有螺距为 1 毫米的精密丝杠,丝杠与传 动盒盖(4)内的齿轮系统连接,转动转动手轮(5)或微动手轮(7),通过齿轮系统转动丝杠, 即可带动活动镜架(9),连同装在镜架上的法布里镜片 P1(10)一起在导轨上平移,法布里镜 片 P1(10)的位置,可由读数系统标定,读数系统包括:导轨侧面的毫米尺(分划值为 1 毫米), 窗口(6)内的读数盘(分划值为 0.01 毫米)和微动手轮(7)上的读数鼓轮(8) (分划值为 0. 0001 毫米),按照毫米尺,窗口(6)内的读数盘和读数鼓轮(8)依次读数,即可确定法布 里镜片 P1(10)的位置。 (14)为固定镜架,其上装有法布里镜片 P2(12),在 P1,P2 两块法布 里镜片的镜架背面装有三个调节螺钉(13),用以粗调法布里镜片 P1 和 P2 相对表面的平行度, 该平行度的精调由微调弹簧(15)实现。 1.导轨 2.底座 3.水平调节螺钉 4.传动盒盖 5.转动手轮 6.窗口 7.微动手轮 8.刻度轮 9.移动镜拖板 10.12 法布里镜片 11.14.镜架 15.调节弹簧 13.调节螺钉 16.固定板 图二 六、实验步骤: (1)认识仪器的各个部件及其作用(严禁用手摸镜面) 。 15 (2)转动转动手轮(5)使两镜面 P1,P2 矩离很靠近。 (大约 1 毫米多,用眼睛观看两板之间的空 隙,不要使 P1 和 P2 相碰) 。在干涉仪的后面放一钠光灯,位置与 P1 和 P2 成一直线,半导体器件与工艺实行室,在灯的窗口放 一带十字分划线 互相平行,如通过两个法布里镜片观看十字分划的象,由于两个法布里镜片的多次 反射,当 P1,P2 不平行时会看到一系列的点。调节镜架(11) (14)后面的调节螺钉(13) ,使象重 合为一个,则知 P1 和 P2 己基本平行。 (4)用眼睛直接在镜架(14)的中垂线上观看,将看到一系列的明暗相间的园环。如果园环中心不 在中央应继续调节。 (5)当看到园环条纹时,眼睛沿垂直和水平方向微微摆动,看条纹半径有无增大或缩小的变化;如 有, 则表示镜面没有严格平行, 此时应用调节弹簧 (7) 微调,直到眼睛摆动时半径不再变化为止。 (注 意:完全不变化是比较困难的,如变化不大就可以了。 ) (6)进行测量:为了精确测量,应对读数系统调节一次零点。即先使微动手轮(7)对零。再使转动 手轮(5)对准一条刻线,以后不再转动手轮。 顺时针转动微动手轮使 P1 移动加大两板之间的距离,同时看到条纹向外涌出,注意中央部分条纹 的变化,可以看到条纹些原来的分开逐渐靠近重合。 (视场内黑的条纹即暗纹)同时暗纹的宽度也发 生了变化(相当于发生位移)当一组条纹位在另一组条纹的中央时,这时看到视场内条纹均匀分布, 暗纹的密度一样,分辩不出那组是 ?1 那组是 ?2 的干涉条纹。根据读数系统记下 P1 的读数为 A。继 续按原来的方向移动 P1,则见两种波长的条纹逐渐分开,然后又逐渐靠近,经过一次重合又分开, 当又达到两种条纹等距即一组条纹在另一组条纹的中央时再记下 P1 的读数为 A”。 A-A=h-h= 则 Δ h,Δ h 为 P1 和 P2 之间距离的变化。 注意:在一次测量中不能使微动手轮向相反的方向旋转,因为仪器中的丝杠,蜗轮之间的空程 很大,否则读数误差就无法估计的。 为了提高测量精度,下一步我们可以用望远镜来观看等倾园环,方法同上一样,重复上面测量 三次,共得到五个Δ h 值,求其Δ h 的平均值代入公试6钠黄光波长为 589.0nm 及 589.6Anm ?? ? ?2 2?h ? ? 即为纳黄光的波差 数握记录及计算 测量次数 1 2 3 4 5 h h ?h ? h ?h ?h ? ?? ? ?2 2?h 16 实验五 衍射光栅 一、实验目的: 1.掌握光栅衍射的特点: 2.用衍身光栅测量光波波长,光栅常数和角色散率。 3.熟悉分光仪的使用。 二、实验要求: 基本理论:光的多缝衍射理论(衍射光栅理论) 。 基本知识:1、衍射光栅的结构。 2、产生光栅夫朗和费衍射的条件。 3、夫朗和费光栅衍射图样的特点。 4.衍射光栅的应用。 基本技能:1、了解分光仪结构与原理。 2、学会分光仪的调节。 3.学会使用分光仪,测量光波波长,光栅常数,角色散率。 三、实验原理: 由许多平行等距的相同的狭缝构造的光学元件叫衍射光栅。 当平行光束垂直地投射在透射光栅的平面上时,若在光栅后置一透镜,则在透镜的后焦面上将出 现光栅的夫琅和费衍射图样,如果光源是缝光源,所观察到的衍射图样就是一些分立的亮线(亮条 纹) 。根据光栅衍射理论,衍射条纹的主极大值满足光栅方程 d sin ? m ? m? m ? 0、 1、 2?? ? ? 式中 d d 为光栅常数, ? 为单色光波长, m 为衍射条纹级次, ? m 为第 m 级亮条纹对应的衍射角。若光 栅常数已和,测出了某级亮条纹的位置,由光栅方程便可算出入射光波长。 当复色光入射时,经过光栅衍射后,各色谱线分开的程度用角色散(或线色散)表示: 角色散: 在 ? 角很小时: d? m ? d? d cos ? d? m ? d? d 线色散: dl m ? f d? d f 是会聚透镜的焦距。 由公式看出色散与波长无关,而 d 越入,m 级次越高,色散就越大,即波长差为单位波长的两条 谱线被分开的距离就越大。 四、实验仪器及用具: 分光仪(JJY 型)一台;低压水银灯一个;标准平行平板一块;100 线 线/毫米的透 射光栅各一块。 附:分光仪 17 1—狭缝装置;2—狭缝装置锁紧螺钉;3—平行光管部件; 4—狭缝宽度调节手轮; 5—平行光管光轴高低调节螺钉; 6—平行光管光轴水平调节螺钉; 7—望远镜部件; 8—日镜视度调节圈; 9—望远镜光轴高低调节螺钉; 10—望远镜光轴水平调节螺钉;11—载物台;12—载物台锁紧螺钉; 13—压物片; 14—调整螺钉; 15—度盘; 16—游标盘; 图(1) 分光仪是测量角度的仪器图(1),包括自准望远镜,平行光管,载物台,度盘和游标盘。望远镜通 过支臂与度盘连在一起形成照准部,它与游标盘和载物台可分别绕度盘的垂直轴旋转,转过的角度由 游标盘和度盘读出。 分光仪光学系统中由阿贝式自准直望远镜和带有可变狭缝宽度的平行光管组成见图(2) 。在望 远镜系统中,它的光学原理是,当光线经望远镜左侧的小孔进入刻有绿色十字小棱镜后,将十字象经 望远镜物镜垂直地投射到载物台上的平行平板上,经反射后绿色十字象成象在自准直望远镜的分划 板上,当望远镜的光轴垂直于反射镜面时,小十字象应位于离分划板中心 2mm 的十字线) 。 在平行光管系统中,它的光学原理是,狭缝位于平行光管物镜的焦平面上,当狭缝被照明时光线使以 缝光源的平行光束发射,然后通过载物台上放置的各种光学元件例光栅,由自准直望远镜接收观察。 18 图(2) 图(3) 五、仪器的调节: 分光仪的调节主要是使平行光管发出平行光,望远镜的光轴与仪器转轴垂直。 1、望远镜调焦: (a) 、接上自准直望远镜照明光源(6.3 伏白炽灯及变压器),旋转望远镜螺纹(调节视度),使 目镜分划板十字丝清晰。 (b) 、在载物台上放一标准平行平板,(为使调整方便,反射面应大致平行于载物台下任意两个螺 丝的连线),通过自准直望远镜观察目镜分划板上十字丝与反射绿十字象是否同时清晰。若不同时清 晰,则移动目镜镜管,直至同时清晰,此时望远镜出射为平行光,说明分划板位于物镜的焦平面上。 2、调节望远镜瞄准轴与转轴垂直: 望远镜对无穷远调焦后,锁紧螺钉(12),便载物台与游标盘连在一起,通过目镜观察分划板十字 丝与其反射象水平线是否精确垂合,若不重合,则由半修正法校正(即不重合量由望远镜和裁物台各 校正一半),此时用调整螺钉(9)和(14)来达到,然后将载物台连同游标盘带平行平板转过 180 , 重复上述步骤校正偏差,使平行平板两面反射回来的亮十字精确地成象在如图(3)所示的位置上,此 时望远镜瞄准轴与度盘旋转轴垂直,在以后的实验过程中,不能再调节望远镜的调节螺钉(9) 。 3、调节平行光管光轴与望远镜同轴 (a) 、关掉自准望远镜照明系统,打开低压汞灯。 (b)转动望远镜,找见狭缝的象。然后平行光管调焦,前后移动狭缝,使望远镜分划板上看到清晰 的狭缝象,狭缝象的宽度由调整螺钉(4)调节到分划上十字丝宽度的 3 倍。 (c) 、以望远镜分划板为基准,调节螺钉(5),使狭缝象处于观场中心,并与十字线.用透射光栅测量光波波长 (a) 将被测 600 条/mm 光栅置于载物台上,利用望远镜的自准直法把光栅面调节成与望远镜及平 、 行光管的轴垂直。 ? 19 (b) 开启汞灯,此时在望远镜分划板上即可看到光栅衍射后的各色谱线,选取合适的级次 、 (m= ? 1 或 2),分别测量汞灯的最清晰的三种谱线) 。测量时,为了消除光栅平面位置的不 正确( i ? 0 )所产生的误差,可测同一波长在零级亮纹两边两个相同级次条纹之间的夹角,取其平均 值,为了消除度盘的偏心误差,应在度盘的两个读数窗上(相对 180 )分别读数,再取平均值,度盘格 值为 30,游标刻度值为 1。 ? 图(4) 2.用汞灯光谱中波长λ =546.1nm 的绿线测量光栅常数 d。 根据公式: d? k? sin ? k 只要测出第 k 级的 546.1nm 光谱线的衍射角 ? k ,就可以定出光栅常数 d 。 3.由测得的两黄光谱的波长 ?1 , ?2 及其对应的衍射角 ? ?1 , ? ? 2 确定角色散率 D 。 根据公式: D? ?? 弧度 / nm ?? 4、关掉汞灯,用白炽灯代替汞灯,观察白光衍射光谱。 七、数据记录办处理: 1. 用 600 条/mm 光栅测量汞灯各谱线的波长: 谱线 级数 k 衍射角位置读数 游标盘号 +k 级 1号 2号 1号 2号 1号 2号 20 角度 -k 级 衍射角 2? k ?k 波长 λ 黄2 2.测量光栅常数 d: 波 长 级 数 1号 2号 衍射角位置读数 游标盘号 +k 级 角度 -k 级 衍射角 2? k ?k 光栅常数 d 1号 2号 3.确定汞灯两黄线处的角色散率: 水银灯 黄线 级 数k 衍射角位置读数 游标盘号 +k 级 1号 2号 1号 2号 角度 -k 级 衍射角 光栅常数 d 2? k ?k D? ?? ? ?? 弧度/nm 八、思考题: 1. 从实验中看到汞灯的谱线有几条?哪几条较强,最强的是什么谱线. 若保持光栅常数 d 不变,加宽光栅的透光部分的线宽,衍射现象有哪些变化? 3. 100 条/mm 与 600 条/mm 光栅产生的衍射现象有哪些不同? 4. 光栅放置在载物台上,若光栅刻线方向与狭缝方向不平行,会出现什么现象? 5. 叙述你所看到的白色衍射光谱? 21 实验六 偏振光的产生与检验 一、实验目的和要求: 1.观察光的偏振现象,巩固偏振理论知识。 2.了解产生与检验偏振光的元件和作用。 3.掌握产生与检验偏振光的条件与方法。 二、实验要求: 基本理论:光的偏振理论。 基本知识:1、晶片(全波片, 1 1 波长片, 波长片)的特性作用。 2 4 2、偏振光的特点。 3、产生和检验平面偏振光,圆偏振光,椭圆偏振光的条件和方法。 基本技能:1.学会装搭实验装置。 2.掌握光路调节(同轴等高)技术。 3.调出清晰的光的偏振态。 三、实验原理: 当平面偏振光直入射到表面平行于光轴的晶片时会产生 0 光和 e 光,0 光和 e 光是同频率且振动 方向相互垂直的两偏振光,由于这两类光在晶体中速度不同,因而会产生相位差,这样,结晶片射出后 0 光、e 光合成的振动随位相差 ? ? 2? ? ( n0 ? ne ) L (L 为晶片厚度)的不同,就有不同的偏振方式。 (1) ? ? 2k? (k=0,1,2……)为平面偏振光, (2) (3) (4) ? ? (2k ? 1)? ? ? (k=0,1,2……)为平面偏振光, ? 不等于以上各值为椭圆偏振光。 1 波长片;产生相位差为 2 1 (2k ? 1)? 为椭圆偏振光, 2 对某一波长 ? 的单色光产生相位差 ? ? (2k ? 1)? 的晶片叫该单色光的 1 1 (2k ? 1)? 的叫 波长片。在本实验中我们所用波长片是对光钠黄光而言的。 2 4 1 当平面偏振光照在 波长片上,如光振动面与波长片光轴成 ? 角,则通过波长片的光仍为平面偏 2 振光,其振动面转动了二倍的的 ? 角。 1 ? 当平面偏振光照在 波长片上,则一般的说,通过波长片的光为正椭圆偏振光,但在 ? ? 0 , 时 4 2 ? ? 得到平面偏振光, ? ? ? 4 时得到圆偏振光。 四、实验仪器及用具: 光具座;钠光灯;偏振片两个; 五、实验内容与步骤: 1 1 波长片; 波长片两个;带刻度的旋转架若干。 2 4 22 1、平面偏振光的产生与检验: (1)按图(1)在光具座上依次放置各元件,使起偏器 P1 的振动为垂直;检偏器 P2 的振动面为水 平。 (此时应观察到消光现象) 。 (2) 在 P1、P2 之间插入 1 1 ? 波长片(C-1),转动 波长片 360 ,能看到几次消光现象,为什么? 2 2 图(1) 1 波长片放在任意位置(即波长片的快慢轴与偏振片透光轴成任意夹角),这时,消光现 2 1 ? 象被破坏。 转动检偏器 P2 360 ,能观察到什么现象?由此说明线偏振光通过 波长片后,它的偏振态 2 (3) 将 怎样? (4) 使 P1、P2 正交,插入(C-1)于消光位置,然后按下表依次转动 再转 P2 到消光位置,记下 P2 所转过的角度。 1 波长片,破坏其消光状态, 2 1 波长片转动角度 2 检偏器 P2 转动角度 15? 30? 45? 60? 75? 90? 从以上实验结果得出什么规律?怎样解释这一规律。 2、圆偏振光和椭圆偏振光的产生; (1) 按图(1)使 P1 与 P2 正交,用 (2)按下表依次转动 本波片的光的偏振状态。 1 1 1 波长片(C-2)代替 波长片,转动 波长片于消光位置。 4 2 4 1 ? 波长片,每次再将 P2 转 360 ,记录观察测的现象,并判断出各个位置通过 4 23 1 波长片转动角度 2 P2 转 360 所观察到的现象 ? 光的偏振状态 15 30? 45? 60? 75? 90? 圆偏振光和椭圆偏振光的检验: 椭圆偏振光及圆偏振光和非偏振光及部分偏振光的最大区别在于椭圆偏振光和圆偏振光 是完全偏振光,是从直线偏振光获得,可以将其还原成直线偏振光,由此即可判断光的偏振性 质。 3 ? 1 波长片。使(C-2)从消光位置转动 4 1 45? 此时转动 P2 360? ,发现光强无变化,说明从(C-2)透射的光为圆偏振光。然后将另一个 波 4 1 ? 长片(C-3)插入(C-2)与 P2 之间,转 P2 360 。看到什么结果?说明圆偏振光通过(C-3) 4 (1)按图(1),先使 P1、P2 透光轴正交,插入(C-2) 波长片后偏振态有什么改变? 若一束自然光通过 1 ? 波长片(取下 P1),转 P2 360 ,能看到什么现象?其偏振光怎样? 4 (2)转(C-2)于消光位置外的任意位置,这时从(C-2)出射的光一般为椭圆偏振光。转 P2 于光最强或最弱的位置上,然后在(C-2)与 P2 之间加(C-3),转(C-3)于光最强或最弱的位 置上,再转 P2,若观察到光有强弱变化,且最弱时光强为零(或接近于零),此时被检验的光为椭 圆偏振光。 若有一束部分偏振光通过 1 波长片,其偏振状态是怎样的? 4 24

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