工程光學(1)實驗講義-SZU(1)

1、工程光學（1）實驗講義光電工程學院實驗一 光學實驗主要儀器、光路調(diào)整與技巧一、引言不論光學系統(tǒng)如何復(fù)雜，精密，它們都是由一些通用性很強的光學元器件組成，因此掌握一些常用的光學元器件的結(jié)構(gòu)和性能，特點和使用方法，對安排試驗光路系統(tǒng)時正確的選擇光學元器件，正確的使用光學元器件有重要的作用二、實驗?zāi)康恼莆展鈱W專業(yè)基本元件的功能；調(diào)整光路，主要包括共軸調(diào)節(jié)和調(diào)平行光。三、基本原理(一)、光學實驗儀器概述:光學實驗儀器主要含：激光光源，光學元件，觀察屏或信息記錄介質(zhì)1激光光源標有安培表和電壓表激光器即Laser(Light Amplification by stimulated emission of

2、radiation)，原意是利用受激輻射實現(xiàn)光的放大然而實際上的激光器,一般不是放大器,而是振蕩器,即利用受激輻射實現(xiàn)光的振蕩,或產(chǎn)生相干光。.圖1-1 激光器示意圖（HeNe激光）激光的特性：（1） 高度的相干性；（2） 光束按高斯分布。激光器的分類：（1）氣體激光器He-Ne激光器,Ar離子激光器（2）液體激光器染料激光器（3）固體激光器半導(dǎo)體激光器,紅寶石激光器本套實驗方案的選擇的激光器是氣體型He-Ne內(nèi)腔式激光器,波長為632.8nm的紅光，功率2mW。個別實驗中還會用到白光點光源。2用于光學實驗的元件一般包括：防震平臺、分束鏡、擴束鏡、準直鏡、反射鏡、成像透鏡、多自由度微調(diào)器、3觀

3、察屏等部件。（1）防震平臺 光學實驗需要一個穩(wěn)定的工作平臺。特別是對于全息圖制作實驗，由于是參考波和物光波干涉條紋的記錄，如果在曝光過程中因為振動導(dǎo)致兩光波有變化，就要影響干涉條紋的調(diào)制度。通常要求該光波的振動變化小于十分之一波長。影響穩(wěn)定性的因素有震動、空氣流和熱變化等。震動的主要影響來自地基的震動，如果記錄系統(tǒng)部件的機構(gòu)有松動就會把震動放大，所以必須對工作臺采取減震措施。專用全息氣浮工作臺是最好的減震臺。簡單的減震方法可用砂箱、微塑料、氣墊（用汽車、飛機輪子的內(nèi)胎）和重10002000kg的鑄鐵或花崗巖，并應(yīng)安裝一個隔離罩。如果不用隔離罩，記錄全息圖時室內(nèi)不要通風，工作人員不要大聲講話和距

4、工作臺遠一些。（2）光學元件分束鏡： 分束鏡是光學實驗系統(tǒng)的一個重要元件，它的作用是將激光束分為兩束，在干涉儀系統(tǒng)組裝的實驗中可產(chǎn)生兩束有一定夾角的相干波，在全息制作實驗中可產(chǎn)生參考光和物體的物光光波。分束鏡一般是在玻璃板上鍍干涉膜。干涉膜有兩種：多層介質(zhì)膜和金屬膜。分光比可以連續(xù)變化或分段變化。擴束器（擴束鏡）： 因激光束的發(fā)散角很小，需要用一個擴束鏡以加大光束的發(fā)散角。通?？捎?0倍、40倍的顯微物鏡或焦距很短的單片正透鏡或負透鏡。本實驗方案中，擴束鏡采用40倍的顯微物鏡。凸透鏡：準直鏡、成像透鏡、傅立葉變換透鏡之功能均可使用不同內(nèi)徑和焦距的凸透鏡來實現(xiàn)。為了提高光的透射率，透鏡面要鍍增透

5、膜。在選用透鏡時，要選用沒有缺陷和污臟的透鏡（因為它們會使觀察或記錄圖像產(chǎn)生噪聲）。反射鏡： 當光入射到普通反射鏡的玻璃基版上時，要先經(jīng)過折射再反射，反射光的損失很大。同時玻璃片基的兩面會因多次反射引入雜散光。所以光學實驗需用表面平整度高和涂有多層反射膜的高反射率反射鏡。其它： 還有一些輔助元件：如多自由度微調(diào)器，可三維控制鏡架或者濾波器的位置和方向；可變光闌包括可調(diào)的狹縫和圓孔光闌、觀察屏用來觀測成像質(zhì)量和成像大小等。 (二)、共軸調(diào)節(jié)：光學實驗中經(jīng)常要遇到用一個或多個透鏡成像，為了獲得較好的像，必須使各個透鏡的主光軸重合（即共軸），并使物體位于透鏡的主光軸附近。另外，為了最大限度利用激光擴

6、束后的面光源，所有透鏡的主軸都需要大致通過光斑中心，才能獲得清晰的像。共軸調(diào)節(jié)使物、屏的中心處在透鏡光軸上，并使各光學元件共軸，達到共軸能保證近軸光線的條件成立。一般分為兩步進行，第一步粗調(diào)，即用眼睛觀察，使物、屏與透鏡中心大致在一條直線上；粗調(diào)方法如下：通過前后移動白屏的方法先使激光光束與臺面平行，再將透明物、擴束鏡、雙凸透鏡依次擺好，調(diào)節(jié)它們的取向和高低左右位置，憑眼睛觀察，再讓光斑、物、鏡的幾何中心處在一條直線上，這樣便使鏡的主光軸與平臺面平行且共軸，光斑也最大限度得到利用。第二步細調(diào)，即移動透鏡，當兩次成像中心重合即達到共軸，若不重合，須視情況，針對性地調(diào)節(jié)各光學元件，直至兩次成像的中

7、心重合。如果系統(tǒng)有兩個以上的透鏡，先加入一個透鏡調(diào)節(jié)共軸，然后再依次加入透鏡，使每次所加透鏡都與原系統(tǒng)共軸。反射鏡的調(diào)節(jié)方法類似。(三)、調(diào)節(jié)平行光：（1）調(diào)整擴束鏡，準直鏡共軸。激光器擴束鏡準直鏡圖1-2 共軸調(diào)節(jié)示意圖（2）粗調(diào)，把準直鏡放到一定位置使擴束鏡處于準直鏡的前焦面上，然后在準直鏡后放一擋板，不斷前后縱向移動擋板，觀察擋板上圓形光斑的到大小是不是發(fā)生變化，如果發(fā)生變化，就再前后移動準直鏡的位置，再前后移動擋板，觀察圓形光斑的大小，如果變化，重復(fù)以上工作，直到光斑大小不發(fā)生變化位置，完成粗調(diào)。在調(diào)節(jié)中要注意光斑變化的和準直鏡移動方向的關(guān)系，從而很快達到粗調(diào)的效果激光器擴束鏡準直鏡擋

8、板圖1-3 平行光路粗調(diào)示意圖（3）細調(diào)1，如有條件，可以選用平晶進行細調(diào)。把平晶放到準直鏡后，使光線反射到擋板上，可以觀察到干涉條紋。準直鏡擋板平晶激光擴束鏡圖1-4 細調(diào)產(chǎn)生干涉條紋圖激光擴束鏡準直鏡平晶擋板（條紋變化，使之越來越少）微移動圖1-5 平行光示意圖（4）細調(diào)2，左右微移動準直鏡，觀察擋板條紋的變化，找出規(guī)律，并使條紋的數(shù)目減少，最后在擋板上只剩下，一條或半條條紋，這時從準直鏡出來的光線就是平行光。 四、儀器用具1. 氦氖激光器8. 燕尾式平移臺2. 激光夾持器9. 分劃板3. 顯微物鏡10. 透鏡/反射鏡支架 （40.0）4. 物鏡接圈11. 干板架5. 開口透鏡/反射鏡支架

9、（20.0）12. 毛玻璃6. 一維調(diào)節(jié)滑塊13. 平行平晶7. K9平凸透鏡（40.0, f150.0）導(dǎo)軌，滑塊，支桿，調(diào)節(jié)支座，磁力表座五、實驗步驟（1）參照圖1-6，沿導(dǎo)軌裝妥各器件（先不安裝擴束顯微物鏡和準直平凸透鏡部分），并調(diào)至共軸。圖1-6 激光平行光路調(diào)試裝配示意圖（2）首先將分劃板中心通孔高度定為光軸高度，將分劃板移至貼近激光器的位置，調(diào)節(jié)激光器高度，使激光束通過分劃板中心圓孔。再將分劃板移至較遠處，調(diào)節(jié)激光夾持器，使激光束再次通過分劃板中心圓孔（近端調(diào)高低，遠端調(diào)俯仰）。重復(fù)二三次高低和俯仰調(diào)節(jié)，使激光束在合適的高度保證基本水平。（3）在系統(tǒng)中加入擴束物鏡和準直透鏡，適當調(diào)

10、節(jié)激光束和擴束鏡，準直透鏡共軸，且準直透鏡在擴束鏡的前焦面上。前后移動分劃板，觀測分劃板上的圓斑大小是否變化。若變化，則前后移動準直透鏡，直到前后移動分劃板，板上的圓斑大小不發(fā)生變化，完成平行光粗調(diào)。（4）將分劃板替換為平行平晶，將毛玻璃放在在平行平晶反射光路上，前后移動準直透鏡，使得毛玻璃上可以觀察到干涉條紋。（5）細微調(diào)節(jié)平移臺絲桿，觀察干涉條紋變化，使得條紋數(shù)逐漸減少到一條或半條條紋，完成細調(diào)。實驗二 平行光管實驗一、引言平行光管是一種長焦距、大口徑，并具有良好像值的儀器，與前置鏡或測量顯微鏡組合使用，既可用于觀察、瞄準無窮遠目標，又可作光學部件，光學系統(tǒng)的光學常數(shù)測定以及成像質(zhì)量的評定

11、和檢測。二、實驗?zāi)康模?）了解平行光管的結(jié)構(gòu)及工作原理（2）掌握平行光管的調(diào)整方法（3）學會用平行光管測量薄透鏡的焦距。三、基本原理根據(jù)幾何光學原理,無限遠處的物體經(jīng)過透鏡后將成像在焦平面上;反之,從透鏡焦平面上發(fā)出的光線經(jīng)透鏡后將成為一束平行光。如果將一個物體放在透鏡的焦平面上,那么它將成像在無限遠處。圖2-1 為平行光管的結(jié)構(gòu)原理圖。它由物鏡及置于物鏡焦平面上的分劃板,光源以及為使分劃板被均勻照亮而設(shè)置的毛玻璃組成。由于分劃板置于物鏡的焦平面上,因此,當光源照亮分劃板后,分劃板上每一點發(fā)出的光經(jīng)過透鏡后,都成為一束平行光。又由于分劃板上有根據(jù)需要而刻成的分劃線或圖案,這些刻線或圖案將成像在

12、無限遠處。這樣,對觀察者來說,分劃板又相當于一個無限遠距離的目標。圖2-1 平行光管的結(jié)構(gòu)原理圖根據(jù)平行光管要求的不同,分劃板可刻有各種各樣的圖案。圖2-2 是幾種常見的分劃板圖案形式。圖2-2（a）是刻有十字線的分劃板,常用于儀器光軸的校正;圖2-2 (b) 是帶角度分劃的分劃板,常用在角度測量上;圖2-2 (c) 是中心有一個小孔的分劃板,又被稱為星點板;圖2-2 (d) 是鑒別率板,它用于檢驗光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量。鑒別率板的圖樣有許多種,這里只是其中的一種;圖2-2 (e) 是帶有幾組一定間隔線條的分劃板,通常又稱它為玻羅板,它用在測量透鏡焦距的平行光管上。圖2-2 分劃板的幾種形式 平行

13、光管測量凸透鏡焦距 用平行光管法測量凸透鏡焦距的光路圖如圖2-3所示,由光路圖2-3中容易看出:xf玻羅板平行光管物鏡待測透鏡圖2-3 平行光管法測量凸透鏡焦距光路圖 平行光管射出的是平行光，且通過透鏡光心的光線不改變方向，因此 （6-1）其中為平行光管物鏡焦距，為玻羅板上選擇的線對的長度，為用顯微目鏡讀出的玻羅板上線對像的距離。用這種方法測量凸透鏡焦距比較簡單，關(guān)鍵是要保證各光學元件要等高共軸，平行光管出射平行光。四、儀器用具1. 平行光管 玻羅板兩長劃線間距 2. 反射鏡3. 二維調(diào)節(jié)透鏡/反射鏡支架4. 待測透鏡（40.0, f150.0）5. 測微目鏡（10X，帶分劃板） 6. 開口式

14、二維調(diào)節(jié)透鏡/反射鏡支架導(dǎo)軌，滑塊，支桿，調(diào)節(jié)支座等五、實驗步驟（1）把平行光管實驗系統(tǒng)按照圖2-4所示放好。圖2-4 平行光管實驗裝配圖（2）打開平行光管外蓋，觀察平行光管內(nèi)部結(jié)構(gòu)，了解基本原理（3）調(diào)節(jié)放在平行光管前的反射鏡（反射鏡上有調(diào)節(jié)水平螺絲和垂直螺絲），使平行光管射出的光線重新返回平行光管。這時能通過顯微目鏡看到分劃板上有一個反射回來的像。前后移動分劃板，直到目鏡里清楚地觀察到十字叉絲的像。表明分劃板已經(jīng)調(diào)整在物鏡的焦平面上了。（4）平行光管調(diào)整后，拿下平面鏡，將被測凸透鏡組置于平行光管的前方，在凸透鏡的前方放上測微目鏡，調(diào)節(jié)平行光管、被測凸透鏡和測微目鏡，使它們在同一光軸上，盡量

15、讓測微目鏡拉近到實驗人員方便觀察的位置。（5）前后移動凸透鏡，使被測凸透鏡在平行光管中的玻羅板成像于測微目鏡的標尺和叉絲上，表明凸透鏡的焦平面與測微目鏡的焦平面重合。（6）用測微目鏡測出玻羅板像中=0.533毫米兩刻線間距的測量值，讀出平行光管的焦距實測值（儀器說明書中給定），重復(fù)五次，將各數(shù)據(jù)填入自擬表中。（7）計算出凸透鏡的焦距，取平均值。六、思考題1、不同波長的光源對所測焦距有何影響？實驗三 望遠系統(tǒng)的搭建和參數(shù)測量一、引言望遠鏡是幫助人們看清遠處物體以便觀察、瞄準與測量的一種助視儀器，通過本實驗使學生更加了解望遠鏡原理，自己搭建望遠鏡，測量相關(guān)參數(shù)。二、實驗?zāi)康模?）學習了解望遠鏡的構(gòu)

16、造及原理；（2）學習測定望遠鏡放大倍數(shù)的方法；（3）理解分辨本領(lǐng)的含義。三、基本原理望遠鏡是如何把遠處的景物移到我們眼前來的呢？這靠的是組成望遠鏡的兩塊透鏡。望遠鏡的前面有一塊直徑大、焦距長的凸透鏡，名叫物鏡；后面的一塊透鏡直徑小焦距短，叫目鏡。物鏡把來自遠處景物的光線，在它的后面匯聚成倒立的縮小了的實像，相當于把遠處景物一下子移近到成像的地方。而這景物的倒像又恰好落在目鏡的前焦點處，這樣對著目鏡望去，就好象拿放大鏡看東西一樣，可以看到一個放大了許多倍的虛像。這樣，很遠很遠的景物，在望遠鏡里看來就仿佛近在眼前一樣。常見望遠鏡可簡單分為伽利略望遠鏡，開普勒望遠鏡等。伽利略發(fā)明的望遠鏡在人類認識自

17、然的歷史中占有重要地位。它由一個凹透鏡（目鏡）和一個凸透鏡（物鏡）構(gòu)成。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，能直接成正像。但自從開普勒望遠鏡發(fā)明后此種結(jié)構(gòu)已不被專業(yè)級的望遠鏡采用，而多被玩具級的望遠鏡采用，所以又被稱做觀劇鏡。 開普勒望遠鏡：原理由兩個凸透鏡構(gòu)成。由于兩者之間有一個實像，可方便的安裝分劃板，并且各種性能優(yōu)良，所以目前軍用望遠鏡，小型天文望遠鏡等專業(yè)級的望遠鏡都采用此種結(jié)構(gòu)。但這種結(jié)構(gòu)成像是倒立的，所以要在中間增加正像系統(tǒng)。圖3-1 開普勒望遠鏡光路示意圖 為能觀察到遠處的物體，物鏡用較長焦距的凸透鏡，目鏡用較短焦距的凸透鏡。遠處射來光線（視為平行光），經(jīng)過物鏡后，會聚在它的后焦點外離焦點很近的地

18、方，成一倒立、縮小的實像。目鏡的前焦點和物鏡的后焦點是重合的。所以物鏡的像作為目鏡的物體，從目鏡可看到遠處物體的倒立虛像，由于增大了視角，故提高了分辨能力，見圖3-1。當觀測無限遠處的物體時，物鏡的焦平面和目鏡的焦平面重合，物體通過物鏡成像在它的后焦面上，同時也處于目鏡的前焦面上，因而通過目鏡觀察時成像于無限遠，此時望遠鏡的放大率為： （4-1）由此可見，望遠鏡的放大率等于物鏡和目鏡焦距之比。若要提高望遠鏡的放大率，可增大物鏡的焦距或減小目鏡的焦距。當用望遠鏡觀測近處物體時，其成像的光路圖可用圖3-2來表示。圖中、和、分別為透鏡和成像時的物距和像距，是物鏡和目鏡焦點之間的距離，即光學間隔（在實

19、用望遠鏡中是一個不為零的小數(shù)量）。由圖3-2可得圖3-2 觀察近處物體時望遠鏡的光路圖故觀察近處物體時望遠鏡的放大率為 （4-2）在滿足近軸光線和薄透鏡條件前提下，利用透鏡成像公式，可得為了把放大的虛像與物體直接比較，必須使和處于同一平面內(nèi)，即要求。同時引入望遠鏡鏡筒長度，并利用和兩個表達式，得 （4-3） 在測出、和后，由式（4-3）可算出望遠鏡的放大率。顯然當物距時，因式(4-3)中括號內(nèi)的量接近于1，式（4-3）變回式（4-1）。望遠鏡的分辨本領(lǐng)用它的最小分辨角來表示。由光的衍射理論知：式中，為照明光波的波長，D為望遠鏡物鏡的孔徑，角度的單位是弧度。即兩個物體如果對望遠鏡的張角小于（理論

20、）值。則望遠鏡將無法分辨它們是兩個物體（兩個物體重疊成一個像）。四. 儀器用具1. 標尺2. 干板架3. 磁力表座4. 物鏡（40.0，f 150.0；40.0，f 200.0）5. 一維調(diào)節(jié)滑塊6. 一維調(diào)節(jié)滑塊7. 目鏡（20.0，f 30.0；20.0，f -40.0）導(dǎo)軌，滑塊，支桿，調(diào)節(jié)支座等五. 實驗內(nèi)容 （1）按照圖3-3組裝成開普勒望遠鏡（物鏡選擇f150，目鏡選擇f30），調(diào)整光學元件同軸等高。圖3-3 望遠鏡系統(tǒng)裝配示意圖 （2）將標尺安放在距離望遠鏡物鏡大于1米處，用一只眼睛直接觀察標尺，同時用另外一只眼睛通過望遠鏡的目鏡看標尺的像，并對準標尺上兩個紅色標記間的區(qū)間，長度

21、為L。經(jīng)適應(yīng)性練習，獲得被望遠鏡放大的和直觀的標尺的疊加像。（3）測出紅色標記內(nèi)標尺的長度，則其放大率為（4）量出望遠鏡的鏡筒長度和物距，按照公式（4-3）計算其放大率，并與實驗觀察出來的放大率進行比較。 （5）替換物鏡（f200）和目鏡（f-40），搭建伽利略望遠鏡，重復(fù)（2）（3）（4）步。（6）由波長和物鏡孔徑，理論計算望遠鏡的的最小分辨角。六、思考題1、望遠鏡的放大率與哪些因素有關(guān)？2、評價天文望遠鏡時常提起物鏡口徑有多大，而不提它有多大倍數(shù)，這是什么道理？實驗四 顯微鏡搭建與光學系統(tǒng)分辨率檢測一、引言顯微鏡主要是用來幫助人眼觀察近處的微小物體，顯微鏡與放大鏡的區(qū)別是二級放大。通過本實驗使學生更了解顯微鏡的原理，自己搭建顯微鏡，測量相關(guān)參數(shù)。二、實驗?zāi)康模?）學習顯微鏡的原理及使用顯微鏡觀察微小物體的方法；（2）學習測定顯微鏡放大倍數(shù)的方法；（3）測量顯微鏡的分辨本領(lǐng)。三、基本原理最簡單的顯微鏡是由兩個凸透鏡構(gòu)成。其中，物鏡的焦距很短，目鏡的焦距較長。它的光路如圖4-1所示。圖中的Lo為物鏡（焦點在和），其焦距為；Le為目鏡，其焦距為。將長度為y1的被觀測物體AB放在Lo的焦距外且接近焦點Fo處，物體通過物鏡成一放大倒立實像(其長度為y2)，此實像在目鏡的焦點以內(nèi)，經(jīng)過目鏡放大，結(jié)果在明視距離D上得到一