工程光學(xué)實驗教材.doc

工程光學(xué)實驗實驗一 自組望遠鏡 (測量實驗)一、實驗?zāi)康牧私馔h鏡的基本原理和結(jié)構(gòu)，并掌握其調(diào)節(jié)、使用和測量它的放大率的方法。二、實驗原理最簡單的望遠鏡是由一片長焦距的凸透鏡作為物鏡，用一短焦距的凸透鏡作為目鏡組合而成。遠處的物經(jīng)過物鏡在其后焦面附近成一縮小的倒立實像，物鏡的像方焦平面與目鏡的物方焦平面重合。而目鏡起一放大鏡的作用，把這個倒立的實像再放大成一個正立的像，如圖五所示。三、實驗儀器1、帶有毛玻璃的白熾燈光源S2、毫米尺F L=7mm3、二維調(diào)整架： SZ-074、物鏡Lo： fo=225mm5、二維調(diào)整架： SZ-076、測微目鏡Le：（去掉其物鏡頭的讀數(shù)顯微鏡）7、讀數(shù)顯微鏡架 : SZ-388、滑座： TH709、滑座： TH70Y10、滑座： TH70Y11、滑座： TH7012、白屏： SZ-13四、儀器實物圖及原理圖圖四五、實驗步驟1、 把全部器件按圖四的順序擺放在導(dǎo)軌上，毫米尺豎直放置，靠攏后目測調(diào)至共軸，把標(biāo)尺放在毫米尺一側(cè)。2、 把F和Le的間距調(diào)至最大，沿導(dǎo)軌前后移動Lo，使一只眼睛通過Le看到清晰的完整毫米尺上的刻線。3、 再用另一只眼睛看標(biāo)尺，讀出測微目鏡看到的像在標(biāo)尺上的尺寸。六、數(shù)據(jù)處理毫米尺尺寸AB；像在標(biāo)尺上的尺寸AB 望遠鏡放大倍率M= AB/AB七、實驗結(jié)果：1、數(shù)據(jù)：毫米尺尺寸AB=2mm;像在標(biāo)尺上的尺寸AB101cm所以，望遠鏡放大倍率M=ABAB=10/2=5倍2、觀察到的現(xiàn)象：八、遇到的問題及心得體會：1、開始實驗時，由于各個儀器的間距擺放不合理，導(dǎo)致得不到想要的實驗結(jié)果，最后看了實驗冊，重新擺放儀器；2、移動透鏡的速度過快，使得我們看不到實驗現(xiàn)象，也就沒法組成望遠鏡，最后經(jīng)過老師的指導(dǎo)，我們緩慢移動透鏡；3、由于不知道會看到什么樣的實驗現(xiàn)象，以至于我們看到了微小的現(xiàn)象，以為不是我們想要的實驗結(jié)果，再次導(dǎo)致沒有做出來；4、最終在老師的一再指導(dǎo)下，我們終于自組成功望遠鏡，且通過觀察我們得到規(guī)律：凸透鏡成像規(guī)律：物距大于二倍焦距時成縮小實像。實驗二 自組顯微鏡 (測量實驗)一、實驗?zāi)康牧私怙@微鏡的基本原理和結(jié)構(gòu)，并掌握其調(diào)節(jié)、使用和測量它的放大率的一種方法。二、實驗原理 物鏡Lo的焦距fo很短，將F1放在它前面距離略大于fo的位置，F(xiàn)1經(jīng)Lo后成一放大實像F1，然后再用目鏡Le作為放大鏡觀察這個中間像F1，F(xiàn)1應(yīng)成像在Le的第一焦點Fe之內(nèi)，經(jīng)過目鏡后在明視距離處成一放大的虛像F1。三、實驗儀器1、帶有毛玻璃的白熾燈光源S2、1/10mm分劃板F13、二維調(diào)整架： SZ-074、物鏡Lo： fo=15mm5、二維調(diào)整架： SZ-076、測微目鏡Le（去掉其物鏡頭的讀數(shù)顯微鏡）7、讀數(shù)顯微鏡架 : SZ-388、三維底座： SZ-019、一維底座： SZ-0310、一維底座： SZ-0311、通用底座： SZ-04四、儀器實物圖及原理圖圖四（1）圖四（2）五、實驗步驟1、 把全部器件按圖四的順序擺放在平臺上，靠攏后目測調(diào)至共軸。2、 把透鏡Lo、Le的間距固定為180mm。3、 沿標(biāo)尺導(dǎo)軌前后移動F1（F1緊挨毛玻璃裝置，使F1置于略大于fo的位置），直至在顯微鏡系統(tǒng)中看清分劃板F1的刻線。六、數(shù)據(jù)處理顯微鏡的計算放大率： 其中：，見圖示。本實驗中的fe=250/20(計算方法可參考光學(xué)書籍)七、實驗結(jié)果1、數(shù)據(jù)： =|250*（-25）|/(15*250/20)=3.332、觀察到的現(xiàn)象：八、遇到的問題及心得體會 1、自組顯微鏡時，由于各個儀器的間距擺放不合理，導(dǎo)致得不到想要的實驗結(jié)果，最后看了實驗冊，重新擺放儀器；2、移動透鏡的速度過快，使得我們看不到實驗現(xiàn)象，也就沒法組成顯微鏡，最后經(jīng)過老師的指導(dǎo)，我們緩慢移動透鏡；3、由于不知道會看到什么樣的實驗現(xiàn)象，以至于我們看到了微小的現(xiàn)象，以為不是我們想要的實驗結(jié)果，再次導(dǎo)致沒有做出來；4、最終在老師的一再指導(dǎo)下，我們終于自組成功顯微鏡，且通過觀察我們得到規(guī)律：凸透鏡成像規(guī)律：物體在一倍焦距以內(nèi)，成放大正立的虛像；在一倍焦距以外二倍焦距以內(nèi)成倒立放大放大的實像。實驗三 偏振光分析 (測量實驗)一、實驗?zāi)康挠^察光的偏振現(xiàn)象，分析偏振光，起偏，定光軸二、實驗原理（一） 偏振光的基本概念 光是電磁波，它的電矢量E和磁矢量H相互垂直，且均垂直于光的傳播方向c，通常用電矢量E代表代表光的振動方向，并將電矢量E和光的傳播方向c所構(gòu)成的平面稱為光振動面。在傳播過程中，電矢量的振動方向始終在某一確定方向的光稱為平面偏振光或線偏振光，如附圖1（a）。光源發(fā)射的光是由大量原子或分子輻射構(gòu)成的。由于大量原子或分子的熱運動和輻射的隨機性，它們所發(fā)射的光的振動面，出現(xiàn)在各個方面的幾率是相同的。故這種光源發(fā)射的光對外不顯現(xiàn)偏振的性質(zhì)，稱為自然光附圖1（b）。在發(fā)光過程中，有些光的振動面在某個特定方向上出現(xiàn)的幾率大于其他方向，即在較長時間內(nèi)電矢量在某一方向上較強，這種光稱為部分偏振光，如圖附圖1（c）所示，還有一些光，其振動面的取向和電矢量的大小隨時間作有規(guī)律的變化，而電矢量末端在垂直于傳播方向的平面上的軌跡呈橢圓或圓。這種光稱為橢圓偏振光或圓偏振光。 附圖1（a） 附圖1（b） 附圖1（c）（二）獲得偏振光的常用方法將非偏振光變成偏振光的過程稱為起偏，起偏的裝置稱為起偏器。常用的起偏裝置主要有：1、反射起偏器（或透射起偏器）當(dāng)自然光在兩種媒質(zhì)的界面上反射和折射時，反射光和折射光都將成為部分偏振光。當(dāng)入射角達到某一特定值時，反射光成為完全偏振光，其振動面垂直于入射面（見附圖2）而角就是布儒斯特角，也稱為起偏振角，由布儒斯特定律得例如，當(dāng)光由空氣射向n=1.54的玻璃板時，=57度若入射光以起偏振角射到多層平行玻璃片上，經(jīng)過多次反射最后透射出來的光也就接近于線偏振光，其振動面平行于入射面。由多層玻璃片組成的這種透射起偏振器又稱為玻璃片堆。見附圖3。附圖2附圖3附圖42、晶體起偏器 利用某些晶體的雙折射現(xiàn)象來獲得線偏振光，如尼科爾棱鏡等。1、 偏振片（分子型薄膜偏振片）聚乙烯醇膠膜內(nèi)部含有刷狀結(jié)構(gòu)的煉狀分子。在膠膜被拉伸時，這些煉狀分子被拉直并平行排列在拉伸方向上，拉伸過的膠膜只允許振動取向平行于分子排列方向（此方向稱為偏振片的偏振軸）的光通過，利用它可獲得線偏振光，其示意圖參看圖附圖4。偏振片是一種常用的“起偏”元件，用它可獲得截面積較大的偏振光束（它就是本實驗使用的元件）。(三)偏振光的檢測 鑒別光的偏振狀態(tài)的過程稱為檢偏，它所用的裝置稱為檢偏器。實際上，起偏器和檢偏器是通用的。用于起偏的偏振片稱為起偏器，把它用于檢偏就成為檢偏器了。按照馬呂斯定律，強度為I0的線偏振光通過檢偏器后，透射光的強度為式中為入射光偏振方向與檢偏器偏振軸之間的夾角。顯然，當(dāng)以光線傳播方向為軸轉(zhuǎn)動檢偏器時，透射光強度I將發(fā)生周期性變化。當(dāng)=0度時，透射光強度最大；當(dāng)=90度時，透射光強度最?。ㄏ顟B(tài)）；當(dāng)0度90度時，透射光強度介于最大值和最小之間。因此，根據(jù)透射光強度變化的情況，可以區(qū)別光的不同偏振狀態(tài)。（四）偏振光通過波晶片時的情形1.波晶片波晶片是從單軸晶體中切割下來的平行平面板，其表面平行于光軸。當(dāng)一束單色平行自然光正入射到波晶片上時，光在晶體內(nèi)部便分解為o光與e光。o光電矢量垂直于光軸;e光電矢量平行于光軸。而o光和e光的傳播方向不變，仍都與表面垂直。但o光在晶體內(nèi)的速度為,e光的為即相應(yīng)的折射率、不同。設(shè)晶片的厚度為l，則兩束光通過晶體后就有位相差式中為光波在真空中的波長。的晶片，稱為全波片；者為半波片（/2波片）；為/4片，上面的k都是任意整數(shù)。不論全波片，半波片或/4片都是對一定波長而言。以下直角坐標(biāo)系的選擇，是以e光振動方向為橫軸，o光振動方向為縱軸。沿任意方向振動的光，正入射到波晶片的表面，其振動便按此坐標(biāo)系分解為e分量和o分量。2.光束通過波片后偏振態(tài)的改變平行光垂直入射到波晶片后，分解為e分量和o分量，透過晶片，二者間產(chǎn)生一附加位相差。離開晶片時合成光波的偏振性質(zhì)，決定于及入射光的性質(zhì)。（1）偏振態(tài)不變的情形（i）自然光通過波晶片，仍為自然光。因為自然光的兩個正交分量之間的位相差是無規(guī)的，通過波晶片，引入一恒定的位相差，其結(jié)果還是無規(guī)的。（ii）若入射光為線偏振光，其電矢量E平行e軸（或o軸），則任何波長片對它都不起作用，出射光仍為原來的線偏振光。因為這時只有一個分量，談不上振動的合成與偏振態(tài)的改變。除上述二情形外，偏振光通過波晶片，一般其偏振情況是要改變的。（2）/2片與偏振光（i）若入射光為線偏振光，在/2片的前面（入射處）上分解為 =0或出射光表示為 討論二波的相對位相差，上式可寫為 =出射光二正交分量的相對位相差由此決定?，F(xiàn)在和這說明出射光也是線偏振光，但振動方向與入射光的不同。如入射光與晶片光軸成角，則出射光與光軸成-角。即線偏振光經(jīng)/2片電矢量振動方向轉(zhuǎn)過了2角。（ii）若入射光為橢圓偏振光，作類似的分析可知，半波片既改變橢圓偏振光長（短）軸的取向，也改變橢圓偏振光（圓偏振光）的旋轉(zhuǎn)方向。（3）/4片與偏振光（i）入射光為線偏振光 =0或則出射光為則出射光為此式代表一正橢圓偏振光。對應(yīng)于右旋，對應(yīng)于左旋。當(dāng)時，出射光為圓偏振光。（ii）入射光為圓偏振光 此式代表線偏振光。出射光電矢量沿一、三象限；，沿二、四象限。（iii）入射光為橢圓偏振光 出射光為可見出射光一般為橢圓偏振光。三、實驗儀器1、HeNe激光器（632.8nm）2、偏振片（起偏器）3、可變口徑二維架： SZ-054、偏振片（檢偏器）5、X軸旋轉(zhuǎn)二維架： SZ-066、白屏H： SZ-137、滑座： TH708、滑座： TH70Y9、滑座： TH70Y10、滑座： TH7011、1/4、1/2波片各一片12、滑座： TH70Y（波片使用）四、儀器實物圖及原理圖 圖十五五、實驗步驟，及數(shù)據(jù)處理1、 定偏振片光軸：把所有器件按圖十五的順序擺放在導(dǎo)軌上，調(diào)至共軸。旋轉(zhuǎn)第二個偏振片，使起偏器的偏振軸與檢偏器的偏振軸相互垂直，這時可看到消光現(xiàn)象。2、 考察平面偏振光通過/2波長時的現(xiàn)象： （1）在兩塊偏振片之間插入/2波長片，把X軸旋轉(zhuǎn)二維架轉(zhuǎn)動360度，能看到幾次消光？解釋這現(xiàn)象。（2）將/2波長轉(zhuǎn)任意角度，這時消光現(xiàn)象被破壞。把檢偏器轉(zhuǎn)動360度，觀察到什么現(xiàn)象？由此說明通過/2波長片后，光變?yōu)樵鯓拥钠駹顟B(tài)？（3）仍使起偏器和檢偏器處于正交（即處于消光現(xiàn)象時），插入/2波長，使消光，再將其轉(zhuǎn)15度，破壞其消光。轉(zhuǎn)動檢偏器至消光位置，并記錄檢偏器所轉(zhuǎn)動的角度。（4）繼續(xù)將/2波長轉(zhuǎn)15度（即總轉(zhuǎn)動角為30度），記錄檢偏器達到消光所轉(zhuǎn)總角度。依次使/2波長總轉(zhuǎn)角為45度，60度，75度，90度，記錄檢偏器消光時所轉(zhuǎn)總角度。 半波片轉(zhuǎn)動角度檢偏器轉(zhuǎn)動角度15度30度45度60度75度90度 上面實驗結(jié)果得出什么規(guī)律？3、 用波長片產(chǎn)生圓偏振光和橢圓偏振光（1）按圖十五使其起偏器和檢偏器正交，用/4波長片代替/2波長片，轉(zhuǎn)動/4波片使消光。（2）再將/4波片轉(zhuǎn)動15度，然后將檢偏器轉(zhuǎn)動360度，觀察到什么現(xiàn)象？你認(rèn)為這時從/4波片出來光的偏振狀態(tài)是怎樣？（3）依次將轉(zhuǎn)動總角度為30度，45度，60度，75度，90度，每次將檢偏器轉(zhuǎn)動，記錄所觀察到的現(xiàn)象。/4波片轉(zhuǎn)動的角度檢偏器轉(zhuǎn)動360度觀察到的現(xiàn)象光的偏振性質(zhì)15度30度45度60度75度90度六、實驗結(jié)果2、（1）、出現(xiàn)4次消光；（2）、出現(xiàn)2次消光；（3）、（4）、半波片轉(zhuǎn)動角度檢偏器轉(zhuǎn)動角度15度30度30度60度45度90度60度120度75度150度90度180度規(guī)律：當(dāng)半波片轉(zhuǎn)動任一角度t時，對應(yīng)的檢偏器轉(zhuǎn)動2*t。3、（1）出現(xiàn)4次消光；（2）、（3）、1/4波長轉(zhuǎn)動角度檢偏器轉(zhuǎn)動360度觀察到的現(xiàn)象光的偏振性質(zhì)15度亮暗亮暗橢圓偏振光30度亮暗亮暗橢圓偏振光45度不變圓偏振光60度亮暗亮暗橢圓偏振光75度亮暗亮暗橢圓偏振光90度兩次完全消光線偏振光七、心得體會 1、第一次做實驗，沒有按照實驗冊上講的步驟做，導(dǎo)致實驗結(jié)果偏差太大，基本是屬于不正確的實驗結(jié)果； 2、雖然得到的結(jié)果毫無規(guī)律，不像是正確的實驗結(jié)果，但是我們自認(rèn)為實驗過程沒有問題，所以如實記錄數(shù)據(jù)，后來證實實驗結(jié)果的確是錯誤的；3、第二次做實驗，按照實驗步驟來做，但是由于不明白實驗原理，課前也沒有進行復(fù)習(xí)，未掌握實驗過程，錯把起偏器當(dāng)成了檢偏器，再次導(dǎo)致的實驗結(jié)果的錯誤，最終在老師的耐心指導(dǎo)下，終于明白的問題所在；4、第三次做實驗，根據(jù)的老師的指導(dǎo)，以及閱讀實驗冊，明白實驗的原理及過程，終于得到了正確地實驗結(jié)果；5、做1/4波長的實驗的時候，吸取了半波片實驗時的經(jīng)驗教訓(xùn)，得到實驗結(jié)果，但是由于該次實驗的結(jié)果不像半波片的結(jié)果那樣有規(guī)律可循，我們對實驗結(jié)果很不自信，最后跟老師交談，老師說要忠于實驗，如實記錄，這是作為實驗者需要的特別重要的素質(zhì)，這樣記錄的結(jié)果哪怕不正確，至少我們的態(tài)度是端正的。6、通過這次實驗，我深刻體會到課前預(yù)習(xí)的重要性，以及做實驗一定按部就班、認(rèn)真謹(jǐn)慎，唯有這樣我們才能探索出科學(xué)的真理。實驗四 阿貝成像原理和空間濾波 （測量實驗）一、實驗?zāi)康牧私飧独锶~光學(xué)基本原理的物理意義，加深對光學(xué)中的空間頻譜和空間濾波等概念的理解。二、實驗原理1、 傅立葉變換在光學(xué)成像系統(tǒng)中的應(yīng)用。在信息光學(xué)中、常用傅立葉變換來表達和處理光的成像過程。設(shè)一個xy平面上的光場的振幅分布為g(x,y)，可以將這樣一個空間分布展開為一系列基元函數(shù)的 線性疊加。即 (1)，為x,y方向的空間頻率，量綱為；是相應(yīng)于空間頻率為，的基元函數(shù)的權(quán)重，也稱為光場的空間頻率，可由下式求得： (2)g(x,y)和實際上是對同一光場的兩種本質(zhì)上等效的描述。當(dāng)g(x,y)是一個空間的周期性函數(shù)時，其空間頻率就是不連續(xù)的。例如空間頻率為的一維光柵，其光振幅分布展開成級數(shù)： 相應(yīng)的空間頻率為f=0，。 2、 阿貝成像原理傅立葉變換在光學(xué)成像中的重要性，首先在顯微鏡的研究中顯示出來。E.阿貝在1873年提出了顯微鏡的成像原理，并進行了相應(yīng)的實驗研究。阿貝認(rèn)為，在相干光照明下，顯微鏡的成像可分為兩個步驟，第一個步驟是通過物的 衍射光在物鏡后焦面上形成一個初級衍射（頻譜圖）圖。第二個步驟則為物鏡后焦面上的初級衍射圖向前發(fā)出球面波，干涉疊加為位于目鏡焦面上的像，這個像可以通過目鏡觀察到。成像的這兩步驟本質(zhì)上就是兩次傅立葉變換，如果物的振幅分布是g(x,y)，可以證明在物鏡后面焦面，上的光強分布正好是g(x,y)的傅立葉變換。（只要令，為波長，F(xiàn)為物鏡焦距）。所以第一步驟起的作用就是把一個光場的空間分布變成為：空間頻率分布；而第二步驟則是又一次傅氏變換將又還原到空間分布。附圖1顯示了成像的這兩個步驟，為了方便起見，我們假設(shè)物是一個一維光柵，平行光照在光柵上，經(jīng)衍射分解成為向不同方向的很多束平行光（每一束平行光相應(yīng)于一定的空間頻率）。經(jīng)過物鏡分別聚集在后焦面上形成點陣，然后代表不同空間頻率的光束又從新在像平面上復(fù)合而成像。 附圖1但一般說來，像和物不可能完全一樣，這是由于透鏡的孔徑是有限的，總有一部分衍射角度較大的高次成分（高頻信息）不能進入到物鏡而被丟棄了，所以像的信息總是比物的信息要少一些，高頻信息主要是反映物的細(xì)節(jié)的，如果高頻信息受到了孔徑的阻擋而不能到達像平面，則無論顯微鏡有多大的放大倍數(shù)，也不可能在像平面上分辨出這些細(xì)節(jié)，這是顯微鏡分辨率受到限制的根本原因，特別當(dāng)物的結(jié)構(gòu)是非常精細(xì)（例如很密的光柵），或物鏡孔徑非常小時，有可能只有0級衍射（空間頻率為0）能通過，則在像平面上就完全不能形成圖像。3、 光學(xué)空間濾波上面我們看到在顯微鏡中物鏡的孔徑實際上起了一個高頻濾波的作用，這就啟示我們，如果在焦平面上人為的插上一些濾波器（吸收板或移相板）以改變焦平面上光振幅和位相就可以根據(jù)需要改變像平面上的頻譜，這就叫做空間濾波。最簡單的濾波器就是把一些特殊形式的光闌插到焦平面上，使一個或幾個頻率分量能通過，而擋住其他頻率分量，從而使像平面上的圖像只包括一種或幾種頻率分量，對這些現(xiàn)象的觀察能使我們對空間傅立葉變換和空間濾波有更明晰的概念。三、實驗儀器1、He-Ne激光器（632.8nm）2、擴束鏡L1： f1=4.5mm3、二維調(diào)整架： SZ-074、準(zhǔn)直鏡L2： f2=190mm5、二維調(diào)整架： SZ-076、一維光柵（25L/mm）7、干板架： SZ-128、傅立葉透鏡L3 f3=150mm9、白屏P： SZ-1310、滑座： TH7011、滑座： TH70Y12、滑座： TH70Y13、滑座： TH70Y14、滑座： TH70Y15、滑座： TH70Y16、滑座： TH7017、頻譜濾波器： SZ-32四、儀器實物圖及原理圖圖七五、實驗步驟及數(shù)據(jù)處理1、用L1、L2組成擴束系統(tǒng)，使其出射的平行激光光束垂直的照射在其狹縫沿鉛直方向放置的一維光柵上。前后移動變換透鏡L3，使光柵（物）清晰的成像于離物兩米以外的墻壁上。此時光柵位置接近于透鏡的前焦面，故透鏡的后焦面就為其傅氏面，該面上光強的分布即為物的空間頻譜。用白屏H在透鏡的后焦面附近慢慢移動，在透鏡后焦面上可以觀察到水平排列的一些清晰光點。這些光點相應(yīng)于光柵的級衍射極大值，用米尺大約測出各光點與中央最亮點的距離，由以及透鏡的焦距F，光波波長，試求出這些光點相應(yīng)的空間頻率。位置（mm）空間頻率（1/mm）一級衍射二級衍射三級衍射2、在L3后焦面（傅氏面）處放入頻譜濾波器，擋去0級以外的各點，觀察像面上有無光柵條紋。3、調(diào)節(jié)光欄，使0級和1級