制作人林二妹實(shí)踐教中心

1、制作人：林二妹制作人：林二妹 實(shí)踐教學(xué)中心實(shí)踐教學(xué)中心 目目 錄錄實(shí)驗一實(shí)驗一 牛頓環(huán)裝置牛頓環(huán)裝置實(shí)驗二實(shí)驗二 偏振光分析偏振光分析實(shí)驗三實(shí)驗三 自組加雙保羅棱鏡的正像望遠(yuǎn)鏡自組加雙保羅棱鏡的正像望遠(yuǎn)鏡實(shí)驗一實(shí)驗一 牛頓環(huán)裝置牛頓環(huán)裝置 回目錄主要內(nèi)容1實(shí)驗?zāi)康?實(shí)驗步驟數(shù)據(jù)處理6實(shí)驗思考題7實(shí)驗注意事項8儀器實(shí)物圖及原理圖4實(shí)驗儀器32實(shí)驗原理一、實(shí)驗?zāi)康?觀察等厚干涉現(xiàn)象，用干涉法測量透鏡表面的曲率半徑二、實(shí)驗原理 一個曲率半徑很大的平凸透鏡，以其凸面朝下，放在一塊平面玻璃板上（如附圖2），二者之間形成一層厚度由零逐漸增大的空氣膜，若對透鏡投射單色光，則空氣膜下緣面與上緣面反射的光就會互

2、相干涉。從透鏡上看到的干涉花樣是以玻璃接觸點(diǎn)為中心的一組中央疏，邊緣密的明暗相間的同心圓環(huán)條紋，這就是牛頓環(huán)。它是等厚干涉，與接觸點(diǎn)等距離的空氣厚度是相同的。 從附圖2來看，設(shè)透鏡的曲率半徑為r，與接觸點(diǎn)o相距為r處的膜厚為d，其中幾何關(guān)系為： 因rd，所以可略去，得： 222222()2rrdrrrddr2/2drr入射光rrd圖2 光線應(yīng)是垂直入射的，計算光程差時還要考慮光波在平面玻璃上反射會有半波損失，從而帶來/2的附加光程差，所以總的光程差為： 產(chǎn)生暗環(huán)的條件是： 其中m干涉條紋的級數(shù)綜合上面的式子可得到第m級暗環(huán)半徑為：從此式可見，只要波長為已知，測量出第m級暗環(huán)半徑rm，即可得出平

3、凸透鏡的曲率半徑值。但是由于兩鏡面接觸點(diǎn)之間難免存在著細(xì)微的塵埃，使光程差產(chǎn)生難以確定的變化，中央暗點(diǎn)就可變成亮點(diǎn)或若明若暗。 2/2d(21) (m=0,1,2.)2mmrmr再者，接觸壓力引起玻璃的變形會使接觸點(diǎn)擴(kuò)大成一個接觸面，以致接近圓心處的干涉條紋也是寬闊而模糊的。這就給m帶來某種程度的不確定性。為了求得比較準(zhǔn)確的測量結(jié)果，可以用兩個暗環(huán)半徑rm和rn的平方差來計算曲率半徑。因， 兩式相減得 所以得：因m和n有著相同的不確定程度，利用m-n這一相對性測量恰好消除了由絕對測量的不確定性帶來的誤差。2mrmr2nrnr22mnrrmrnr22()mnrrrmn三、實(shí)驗儀器1、鈉光燈2、半

4、透半反鏡3、二維調(diào)整架：sz-074、牛頓環(huán)5、牛頓環(huán)直立架：sz-346、讀數(shù)顯微鏡架 :sz-387、讀數(shù)顯微鏡8、三維底座：sz-019、通用底座：sz-0410、一維底座：sz-03四、儀器實(shí)物圖及原理圖（見圖3）923456781070mm25mm35mm1圖3五、實(shí)驗步驟1、調(diào)節(jié)牛頓環(huán)裝置三個螺釘，使接觸點(diǎn)o大致在中心，螺釘?shù)乃删o程度合適，太松則接觸點(diǎn)不穩(wěn)定，太緊則將鏡壓碎，將牛頓環(huán)置于牛頓環(huán)直立架上。2、把全部器件按圖十三的順序擺放在平臺上，靠攏后目測調(diào)至共軸。3、點(diǎn)亮鈉光燈，使鈉光垂直射到半透半反鏡上，調(diào)節(jié)半透半反鏡的角度和位置。此時顯微鏡上看到明亮的視場，前后移動顯微鏡就可觀

5、察到等厚干涉同心圓環(huán)。 六、數(shù)據(jù)處理 可用測微目鏡的鼓輪測出=20、15、10、5牛頓環(huán)直徑，用環(huán)差法:m-n=5，再由已知波長=5893和公式 ，可求得頓環(huán)透鏡的曲率半徑r（）,（）和和r（），三個值求平均就可以得出牛頓環(huán)的曲率半徑的大小。)/()(22nmrrrnm 七、實(shí)驗思考題1、此實(shí)驗中采取了哪些措施，來避免或減少誤差？2、牛頓環(huán)中央圖樣是怎樣的？若在透鏡四周均勻輕微加壓，將看到什么現(xiàn)象？1、測量中的測微鼓輪只能向同一個方向轉(zhuǎn)動，以防因螺紋中的空程而引起的誤差。2、調(diào)節(jié)牛頓環(huán)裝置三個螺釘，使接觸點(diǎn)o大致在中心，螺釘?shù)乃删o程度合適，太松則接觸點(diǎn)不穩(wěn)定，太緊則將鏡壓碎實(shí)驗注意事項實(shí)驗二實(shí)

6、驗二 偏振光分析偏振光分析 回目錄主要內(nèi)容1實(shí)驗?zāi)康?實(shí)驗步驟數(shù)據(jù)處理6實(shí)驗思考題7實(shí)驗注意事項8儀器實(shí)物圖及原理圖4實(shí)驗儀器32實(shí)驗原理一、實(shí)驗?zāi)康?觀察光的偏振現(xiàn)象，分析偏振光，起偏，定光軸二、實(shí)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4（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(yùn)動和輻射的隨機(jī)性，它們所發(fā)射的光的振動面，出現(xiàn)在各

7、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4（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(qiáng)，這種的光稱為部分偏振光，如圖附圖4（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。 圖4abc（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

8、分偏振光。當(dāng)入射角達(dá)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5）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bb21/btgnnb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6。n1n2玻璃空 氣 bb非 線 偏 振 光 入 射線 偏 振 光圖5圖62、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。3、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

9、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，其示意圖參看附圖7。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(shí)驗使用的元件）。入射自然光偏振片透射的平面偏振光圖7(三)偏振光的檢測 鑒別光的偏振光狀態(tài)的過程稱為檢偏，它所用的裝置稱為檢偏器。實(shí)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振器，把它用于檢偏就成為檢偏器了。 按照馬呂斯定律，強(qiáng)度為i0的線偏振光通過檢偏器后，透射光的強(qiáng)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

10、然，當(dāng)以光線傳播方向為軸轉(zhuǎn)動檢偏器時，透射光強(qiáng)度i將發(fā)生周期性變化。當(dāng)=0度時，透射光強(qiáng)度最大；當(dāng)=90度時，透射光強(qiáng)度最?。ㄏ顟B(tài)）；當(dāng)0度 90度時，透射光強(qiáng)度介于最大值和最小值之間。因此，根據(jù)透射光強(qiáng)度變化的情況，可以區(qū)別光的不同偏振狀態(tài)。20cosii（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，其表面平行于晶體的光軸。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

11、l，則兩束光通過晶體后就有位相差,即 式中為光波在真空中的波長。 的晶片，稱為全波片， ；稱為半波片（/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。0()enn l2k2k22k2.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

12、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coseeeatcos()ooeat出射光表示為： 討論二波的相對位相差，上式可寫為 故出射光二正交分量的相對位相差為：和2cos()eeeeatn l2cos()oooeatn lcoseeeat

13、22cos()oooeeatn ln lcos()oat，= 0 0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。coseeeatcos()ooeatcoseeeatcos()2ooeat ，2 2 eoaa（ii）入射光為圓偏振光 此式

14、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。coseeatcos()2oeat ，0e出e出coseeeatcos()oeat， 在到任意取某值coseeeatcos()2ooeat ，三、實(shí)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、手動x軸旋轉(zhuǎn)架： sz-066、白屏h：sz-137、通用底座：sz-048、一維底座：sz-039、一維底座：sz-0310、通用底座：sz-0411、1/4、1/2波片各一片12、公用底座：sz-04（

15、波片使用）13、手動x軸旋轉(zhuǎn)： sz-06四、儀器實(shí)物圖及原理圖（見圖8）167910285偏振片偏振片h偏振片偏振片波片h31112134圖8五、實(shí)驗步驟及數(shù)據(jù)處理1、定偏振片光軸：把所有器件按圖十九的順序擺放在平臺上，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)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

16、處于正交（即處于消光現(xiàn)象時），插入/2波長，使消光，再將轉(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(dá)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 從上面實(shí)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）按圖十九使與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

17、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(shí)驗思考題六、實(shí)驗思考題1、兩偏振片用支架安置于光具座上，正交后消光，一片不動，另一片的2個表面轉(zhuǎn)換180度，會有什么現(xiàn)象？2、波片的厚度與光源的波長什么關(guān)系？1、所有的光學(xué)元件均要保持干凈，切不可用手直接觸摸光學(xué)元件表面。2、波片和偏振片調(diào)節(jié)要輕柔，不要用力過猛。3、激光束不要直接對著人眼，避免損傷眼睛。實(shí)驗注意事項實(shí)驗注意事項實(shí)驗三實(shí)驗三

18、 自組加雙保羅棱鏡的正像望遠(yuǎn)鏡自組加雙保羅棱鏡的正像望遠(yuǎn)鏡 回目錄主要內(nèi)容1實(shí)驗?zāi)康?實(shí)驗步驟實(shí)驗注意事項6儀器實(shí)物圖及原理圖4實(shí)驗儀器32實(shí)驗原理一、實(shí)驗?zāi)康?了解雙保羅棱鏡的正像原理及其作用，進(jìn)一步掌握望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。二、實(shí)驗原理（一）望遠(yuǎn)鏡的形式主要是根據(jù)目鏡形式不同而分成兩類： 1、目鏡為正透鏡組的望遠(yuǎn)鏡，稱之為開普勒望遠(yuǎn)鏡。因其視覺放大率 為負(fù)值，故像為倒像。 2、目鏡為負(fù)透鏡組的望遠(yuǎn)鏡，稱之伽利略望遠(yuǎn)鏡。因其視覺放大率為 正值，故像為正像。（二）利用開普勒望遠(yuǎn)鏡需加一轉(zhuǎn)像系統(tǒng)，使像成為正像。常用的轉(zhuǎn)像系統(tǒng)有：1、透鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)2、棱鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)（1）倒威棱鏡（2）屋脊棱鏡（3）復(fù)合棱鏡：由兩個或兩個以上的普通棱鏡組成的棱鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)稱之為復(fù)合棱鏡。保羅棱鏡就是其中的一種，它在雙筒望遠(yuǎn)鏡中起倒像作用。三、實(shí)驗儀器 1、帶有毛玻璃的白熾燈光源s 2、物屏p：sz-14 3、物鏡lo：fo=300mm 4、二維調(diào)整架：sz-07 5、（正象）保羅棱鏡：sz-27 6、測微目鏡le 7、讀數(shù)顯微鏡架 : sz-38 8、三維底座： sz-01 9、一維底座： sz-03 10、一維底座：sz-03