光學試驗教學大綱

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光學試驗課程教學大綱

一、課程說明

（一）課程名稱、所屬專業(yè)、課程性質(zhì)、學分；課程名稱：普通物理光學試驗所屬專業(yè)：物理學、原子核物理等課程性質(zhì)：必修學分：4

（二）課程簡介、目標與任務；

光學試驗是普通物理試驗的最終一個階段。經(jīng)過前面兩個學期的試驗訓練（力熱試驗、電磁學試驗），對物理試驗的基本原理、方法和手段有了初步的了解以后，本課程期對光學的主要原理、現(xiàn)象、應用以及基本的光學試驗思想、方法和儀器等有一定程度的了解，并在此基礎上，綜合引申提高，為進一步的理論學習、試驗訓練和科學研究打下堅實的基礎。

（三）先修課程要求，與先修課與后續(xù)相關課程之間的規(guī)律關系和內(nèi)容銜接；原則上選修該試驗課程的同學應已經(jīng)按要求修完物理專業(yè)《光學》課程以及《普通物理力學試驗》、《普通物理電磁學試驗》并取得相應學分。對試驗的數(shù)據(jù)處理，一般的試驗方法、原理及儀器有相當程度的把握。

（四）教材與主要參考書。

教材：李健等，基礎物理試驗，蘭州：蘭州大學出版社，2023.主要參考書：楊葭蓀譯，光學原理，北京：科學出版社，1978.鐘錫華，現(xiàn)代光學基礎，北京：北京大學出版社，2023.呂斯驊，段家忯，基礎物理試驗，北京：北京大學出版社，2023.朱鶴年，新概念物理測量引論，北京：高等教育出版社，2023.二、課程內(nèi)容與安排

（一）教學方法與學時分派

試驗課程，講授與試驗操作相接結合，根據(jù)學時要求安排若干必修試驗題目和選修題目。必修每個試驗4學時，選修試驗學時視具體內(nèi)容而定，一般不低于每個試驗4學時。

（二）內(nèi)容及基本要求緒論課：光學試驗基礎知識

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試驗一：薄透鏡主焦距的測定：

1、把握薄透鏡焦距測定的基本原理和方法，學會在光具座上的各光學元件的共軸調(diào)理；2、把握透鏡的成像性質(zhì)；

3、了解視差在光學試驗中的應用。

：光學導軌、光具座、白光光源（含濾光片及毛玻璃）、光屏、平面鏡、被測透鏡

等。

：透鏡成像規(guī)律，自準原理，共軸調(diào)理，判斷誤差、系統(tǒng)誤差及其消除；

像缺，偽像，視差法及其應用。

：

1、兩次成像法調(diào)理光具座上各光學元件共軸；2、自準法、位移法測量正透鏡的焦距；3、視差法、組合法測量負透鏡的焦距；4、成像規(guī)律研究。

試驗二：分光計的調(diào)理與使用：

1、了解分光計的結構和各部件的使用；2、把握分光計的調(diào)理要求和調(diào)理方法；3、學會用分光計測量角度。

：分光計（含平面鏡）、鈉光燈、三棱鏡等。

：光譜儀器的基本結構、分光計的基本組成，分光計的調(diào)理要求及其調(diào)理原理，

視度、聚焦、自準、共軸、視差法等光學試驗基本調(diào)理方法在分光計調(diào)理中的應用，漸近法、降維調(diào)理，角度測量方法，投影誤差、偏心差及其消除方法。

：

1、用漸近法調(diào)理分光計；

2、自準法測量三棱鏡的頂角；3、反射法測量三棱鏡的頂角。

試驗三：用分光計測量物質(zhì)的折射率：

1、學會用最小偏向角法和折射極限法測量物質(zhì)的折射率；2、進一步熟練分光計的調(diào)理和使用。

：分光計（含平面鏡）、鈉光燈、三棱鏡、毛玻璃、滴瓶等。：最小偏向角法，折射極限法，常用折射計的結構及原理。：

1、用最小偏向角法測量三棱鏡折射率；2、用折射極限法測量三棱鏡的折射率；3、用折射極限法測量蒸餾水的折射率。

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試驗四：牛頓環(huán)：

1、把握用牛頓環(huán)測定透鏡曲率半徑的方法；2、通過試驗加深對等厚干擾原理的理解；

：讀數(shù)顯微鏡、鈉光燈、牛頓環(huán)儀、計算機自動采集系統(tǒng)。

：等厚干擾、牛頓環(huán)及其特點、光學檢測、半波損、逐差法、讀數(shù)顯微鏡的使用、回程差、試驗中各種誤差來源及消除（減?。┓椒?。：

1、通過測量牛頓環(huán)直徑計算透鏡曲率半徑；2、透鏡凸面偏離球面的檢測。

試驗五：邁克爾遜干擾儀（一）：

1、了解邁克爾遜干擾儀的結構并把握其調(diào)理方法；2、觀測非定域干擾條紋，測定He-Ne激光波長；3、觀測等傾干擾條紋；

4、觀測Na光條紋可見度變化規(guī)律，測量Na光D雙線波長差。

：邁克爾遜干擾儀、光學導軌及光具座、短焦距透鏡、毛玻璃屏、升降臺、鈉光

燈等。

：邁克爾遜干擾儀結構及基本調(diào)理方法，等傾干擾，波長及光譜精細結構測量方法。

：

1、調(diào)出并觀測非定域干擾條紋；2、測定He-Ne激光波長；

3、調(diào)出等傾干擾條紋觀測條紋隨光程差的變化規(guī)律；4、測量Na光雙線波長差。

試驗六：邁克爾遜干擾儀（二）：

1、觀測等厚干擾條紋、白光干擾條紋；

2、學會利用M-干擾儀測定透明物體厚度和氣體折射率；3、加深對相干長度和相干時間概念的理解。

：邁克爾遜干擾儀、光學導軌及光具座、短焦距透鏡、毛玻璃屏、升降臺、白熾

燈、鈉光燈、蓋玻片、氣室等。

：等厚干擾，定域面，白光干擾，確切測長、氣體折射率測量的一般方法，相干長度及其測量方法。：

1、調(diào)理并觀測等厚干擾條紋；2、觀測白光干擾條紋；3、測量固體薄片厚度；4、測量空氣折射率；

3

5、測量Na光的相干長度。

試驗七：衍射光柵：

1、了解光柵的分光原理；2、觀測光柵光譜的特點；

3、測定光柵常數(shù)、角色散率和色分辯才干；4、復習分光計的調(diào)理和使用。

：分光計（含平面鏡）、水銀燈、光柵等。

：光柵及其類型，光柵常數(shù)，光柵光譜，光柵方程，分光才干，角色散、色分辯，瑞利判據(jù)，最小偏向角法，波長測量。：

1、調(diào)理并觀測衍射光柵光譜；2、測定光柵常數(shù)及角色散才干；3、測定光波波長及色分辯才干；

4、觀測棱鏡光譜，并比較光柵光譜與棱鏡光譜的各自特點；5、用最小偏向角法測量光波長。

試驗八：全息照相：

1、了解全息照相的原理；

3、把握拍攝全息圖和在現(xiàn)物波前的方法。

：全息臺、光具座、激光光源、定時曝光器、分束鏡、反射鏡、光屏、透鏡、小

物體、全息干板等。

：全息術的一般原理及其主要應用，離軸全息光路安排，成功拍攝全息圖要保證的基本條件，全息照相與普通照相的主要區(qū)別。：

1、布置光路并拍攝全息圖；

2、暗室處理（顯影、定影）獲得全息照片；3、再現(xiàn)原物立體像。

試驗九：全息光柵：

了解全息光柵的制作原理；把握擴束、準直的調(diào)理方法；

學會自制滿足一定要求的全息光柵。

：全息臺、光具座、激光光源、定時曝光器、分束鏡、反射鏡、光屏、透鏡等。：全息光柵制作原理，光路調(diào)理要求，準直、共軸、平行的調(diào)理及判斷，曝光及

沖洗本卷須知。

：

1、安排光路拍攝全息光柵潛像；

2、暗室處理（顯影、定影、漂白）獲得全息光柵；

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3、在分光計上測量光柵常數(shù)并分析偏差原因。

試驗十：阿貝成像原理與空間濾波：

1、了解阿貝成像原理，傅立葉變換在光學成像系統(tǒng)中的應用；3、加深對光學空間頻譜和空間濾波概念的理解。

：光學導軌、光具座、激光光源、減光片、透鏡、濾波器、光屏、白光光源、θ

調(diào)制板等。

：阿貝成像原理、傅立葉光學、空間濾波、顯色濾波。：

1、阿貝成像原理試驗；2、高頻濾波；3、低頻濾波；4、θ調(diào)制試驗。

試驗十一：光偏振的基本現(xiàn)象：

1、觀測光的偏振現(xiàn)象；

2、加深對菲涅耳公式的理解；

3、了解產(chǎn)生和檢驗偏振光的基本方法；4、觀測雙折射現(xiàn)象。

：光學平臺、光具座、偏振片、波片、激光光源、光屏等。

：光的各種宏觀偏振態(tài)及其產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化和檢驗，馬呂斯定律、布儒斯特定律，產(chǎn)

生線偏振光的幾種試驗方法，常用偏振器件，雙折射現(xiàn)象，偏振光的干擾，顯色偏振，光測彈性。

：驗證布儒斯特定律；

1、驗證菲涅耳公式；2、觀測雙折射現(xiàn)象；

3、觀測偏振光的干擾現(xiàn)象；

4、產(chǎn)生和檢驗光的各種偏振狀態(tài)；5、顯色偏振。

試驗十二：光電效應：

1、通過光電管I-U特性曲線的測定，熟悉光電效應的規(guī)律；2、了解光的量子性，測定金屬的紅限頻率；3、驗證愛因斯坦光電效應，測定普朗克常數(shù)。

：光電效應試驗系統(tǒng)、水銀燈、干擾濾波片、減光片等。：光電效應的基本試驗規(guī)律，減速電位法測量原理，暗電流、反向飽和電流及陰

極氧化的影響，拐點法、交點法，干擾濾光，光電效應試驗裝置操作本卷須知。

：

1、觀測并記錄光電管暗電流；2、測量光電管的伏安特性

3、處理數(shù)據(jù)，獲得金屬紅限頻率及普朗克常量。

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試驗十三：光通訊與激光竊聽：

1、了解光傳輸信號的一般原理及方法;2、把握激光監(jiān)聽的原理及基本裝置。

：光通訊試驗系統(tǒng)

：光通訊的基本原理、裝置，光電轉(zhuǎn)換，激光監(jiān)聽原理，監(jiān)聽光路安排要求。：

1、給定光源通訊的對比研究;2、信號傳輸；

3、安排調(diào)試光路獲得監(jiān)聽信號；

4、研究監(jiān)聽效果與光路各參數(shù)之間的關系。

試驗十四：數(shù)字全息：

1、了解數(shù)字全息術的基本原理；2、把握一些簡單的全息干擾測量方法；3、深入訓練光學系統(tǒng)的調(diào)整。

：數(shù)字全息試驗儀

：維形貌測量、物體形變測量、粒子場測試、數(shù)字全息顯微、防偽、三維圖像識別、醫(yī)學診斷

：透射式數(shù)字全息、反射式數(shù)字全息、溫度場測量、應力場測量、物體微小位移形變測量。試驗十五：相襯法

：了解相襯法的基本原理、熟悉相襯顯微鏡的使用。：相襯顯微鏡、透明樣品等。

：傅立葉光學、濾波、相襯法、相襯顯微鏡。：自行設計試驗內(nèi)容。

試驗十六：光學傳遞函數(shù)與像質(zhì)評價：

1、深入了解光學傳遞函數(shù)的基本理論；2、了解光學傳遞函數(shù)測量的基本原理；3、把握傳遞函數(shù)的測量和像質(zhì)評價的基本方法。

：光學傳遞測量系統(tǒng)

：像質(zhì)評價、光學傳遞函數(shù)、MTF曲線。

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：自行設計試驗內(nèi)容。

試驗十七：自組裝顯微鏡與望遠鏡：

1、了解助視儀器的基本結構及原理;

2、把握簡單的顯微鏡與望遠鏡的組裝技術。

：光學平臺、光具座、透鏡、白光光源、分化板、半透半反鏡、平面鏡、光屏等。：顯微鏡望遠鏡的設計原理，色差、像差，顯微鏡的分辯才干、望遠鏡的分辯本

領。

：

1、組裝簡單的顯微鏡及望遠鏡并測量其放大率;

2、研究助視儀器成像及放大率與各參數(shù)之間的關系。

試驗十八：光的衍射：

1、學習光學平臺上的試驗光路的安排與調(diào)理；

2、了解利用計算機自動控制測量光強的原理和方法；3、加深對衍射現(xiàn)象的理解。

：衍射光強記錄儀、衍射元件。：衍射、衍射光強分布、光強測量。：

1、在光學平臺上進行光路的組裝和調(diào)理；2、熟悉自動控制程序的使用；

3、觀測并測量不同元件產(chǎn)生的衍射圖樣的光強分布譜并與理論值進行比較。

試驗十九：光偏振的定量研究：

1、觀測光的偏振現(xiàn)象穩(wěn)定理論知識；

2、利用偏光器件對光的偏振性質(zhì)進行定量測量和鑒別。

：光學平臺、偏振器件、計算機自動采集系統(tǒng)。

：在《光偏振的基本現(xiàn)象》試驗基礎上進行定量測量，熟悉計算機自動光強測量的裝置及方法。：

1、共軸調(diào)理；

2、檢驗光源的線偏振性；3、驗證馬呂斯定律；

4、1/4波片及其工作參數(shù)的測量；5、1/2波片及其工作參數(shù)的測量。

試驗二十：暗室技術：

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1、了解照相、放大、翻拍機的基本結構和原理，并把握其使用方法；2、初步把握拍照、沖印和放大的基本操作；

3、了解照片質(zhì)量同底片，曝光、沖顯影時間之間的關系。

：暗室、翻拍機、像紙等。

：照相的基本原理，曝光量、光圈、快門、景深，感光材料、潛像，顯影、定影，像質(zhì)與各參量之間的關系。：

1、拍攝實物或翻拍圖片；2、沖洗底片；

3、調(diào)整不同參數(shù)沖洗至少兩張相片并對其效果做出比較分析。

試驗廿一：阿貝折射計：

1、了解阿貝折射計的結構原理；

2、學會利用阿貝折射計測量物質(zhì)折射率。

：阿貝折射計、待測固體、蒸餾水、酒精、溴代萘等。：折射極限法，折射計。：

1、用標準物質(zhì)的折射率校準阿貝折射計讀數(shù)；2、測定液體（溶液）的折射率3、測定透明固體塊的折射率。

試驗廿二：光柵光譜儀：

1、了解光柵光譜儀的基本結構和工作原理;2、學會利用光譜儀測定物質(zhì)的光吸收譜

：光柵光譜儀、樣品。

：光譜儀、光譜采集、光譜分析。：

1、熟悉光譜記錄程序的操作，把握光吸收譜測量的方法；2、測定給定樣品的光吸收譜。

試驗廿三：多光束的干擾（F-P干擾儀）：

1、把握多光束干擾的原理;學會F-P干擾儀的調(diào)理方法,觀測干擾銳環(huán)；2、測量F-P干擾儀的幾個光學參量。

：F-P干擾測量系統(tǒng)。：多光束干擾、F-P干擾儀。：

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1、調(diào)理F-P干擾儀獲得干擾圓條紋,觀測細銳干擾環(huán);2、測量鏡面間距,中心小數(shù)序；3、測量干擾儀的分辯才干及光譜范圍。

試驗廿四：點光源的干擾：

1、了解干擾測量的基本原理;

2、學習簡單的點光源干擾法測量的原理及方法

：激光光源、玻璃板、小孔光闌、多維調(diào)理架等。：干擾測量。：

1、安排調(diào)整點光源干擾法測量的基本光路;2、測量平行板的厚度差;

3、研究測量誤差與光路參數(shù)設置之間的關系。

試驗廿五：色度學試驗：

1、了解色度學的基本概念、原理及方法；2、把握各種樣品的主波長測量的方法。

：WGS-9型色度試驗系統(tǒng)、待測樣品：色度、三刺激值。：

1、透過率及發(fā)光體的測量；2、反射率的測量。

試驗廿六：平行光的產(chǎn)生和檢驗：

1、了解光學系統(tǒng)主要部件的設計原理，熟悉其調(diào)理系統(tǒng)；2、學習擴束準直系統(tǒng)的調(diào)理和使用；3、學習平行光束的調(diào)整檢驗方法。

：鹵素燈、分束鏡、反射鏡、擴束及準直透鏡、針孔濾波器、平晶等。：擴束系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、像差、濾波器、組合透鏡：

1、擴束準直系統(tǒng)的調(diào)理；2、濾波器調(diào)整；

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3、平行光的產(chǎn)生和檢驗；

試驗廿七：透鏡組基點的測定：

1、了解透鏡組基點的一般特性；2、測定透鏡組的幾點和焦距；

3、驗證單透鏡的基點與透鏡組基點之間的關系。

：平行光管、節(jié)點調(diào)理器、測距顯微鏡、光具座、待測透鏡等：透鏡組、基點。：

1、調(diào)理光學系統(tǒng)共軸；2、測定像方焦距；3、測定物方焦距；

4、繪圖表示透鏡組的主平面及基點位置。

試驗廿八：楊氏雙縫：

1、觀測楊氏雙縫的干擾現(xiàn)象；3、測量光源波長。

：鈉燈、透鏡、光具座、測微狹縫、雙縫、測微目鏡等。

：相干條件、雙光束干擾及其裝置、干擾反比關系、干擾條紋的分布及變換規(guī)律。：

1、調(diào)理光學系統(tǒng)；2、測量鈉光波長。

試驗廿九：自組裝邁克爾遜干擾儀：

1、熟悉邁克爾遜干擾的結構；2、訓練光路的調(diào)理；

3、了解干擾法測量折射率的原理及方法。

：光學平臺、光具座、分束鏡、平面鏡、氣室、光屏等。：邁克爾遜干擾儀、干擾法測量折射率。

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：

1、組裝調(diào)理簡單形式的邁克爾遜干擾儀；2、干擾法測量空氣折射率。

試驗三十：菲涅爾雙棱鏡：

1、觀測雙棱鏡的干擾現(xiàn)象；2、測定光波長；

3、把握測微目鏡的使用方法。

：鈉光燈、測微單縫、雙棱鏡、薄透鏡、測微目鏡、光學導軌及光具座、計算機自動采集系統(tǒng)。

：相干條件、雙光束干擾及其裝置、干擾反比關系、干擾條紋的分布及變換規(guī)律。：

1、觀測干擾條紋的變化規(guī)律；2、測定光源波長。

試驗三一：透鏡像差的觀測：

1、觀測透鏡的像差；2、了解像差產(chǎn)生的原因。

：光具座、白熾燈、透鏡、濾光片、孔徑光闌、物標、坐標紙等。：像差、色差、透鏡組。：

1、測量凸透鏡的球差；1、觀測慧差；2、測量凸透鏡像散差；3、畸變的觀測；

4、測定正透鏡的位置色差；5、觀測正透鏡的放大率色差。

試驗三二：光電探測原理綜合試驗

：研究光電檢測器件的基本特性。

：光電探測原理綜合試驗儀、光敏電阻，光敏二極管，光敏三極管，硅光電池，APD光電二極管，PIN光電二極管，色敏光電二極管等。

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：光電轉(zhuǎn)化。：

1、工作原理和結構認知試驗

2、暗電阻、暗電流，亮電阻、亮電流測試試驗

3、光電流，伏安特性，光電特性，時間響應特性，光譜特性測試試驗。

試驗三三：信息光學綜合試驗

：了解信息光學的基本原理、方法。：信息光學綜合試驗系統(tǒng)。

：衍射、干擾、阿貝成像原理、濾波、編碼調(diào)制、全息術、光信息存儲。：菲涅耳衍射與針孔濾波試驗；夫良和費衍射試驗。馬赫曾德干擾系統(tǒng)；自組麥

克爾遜干擾儀觀測干擾現(xiàn)象；薩格奈特干擾儀的搭建；各種全息光柵的制作；光柵參數(shù)特性研究；光學圖象想減；利用復合光柵實現(xiàn)光學微分處理；θ調(diào)制及偽彩色編碼調(diào)制；阿貝成像原理與空間濾；。全息照相：反射式全息、透射式全息、彩虹全息；激光散斑測量；實時聯(lián)合傅立葉相關識別；光信息存儲。

試驗三四：太陽能電池特性研究

：了解太陽能電池的基本結構、工作原理及其光電特性。：光學導軌、太陽能電池板附件。：光電轉(zhuǎn)化及存儲、光電池的工作原理。：

1、測量入射到太陽能電池板上的光功率、太陽能電池的開路電壓、短路電流。

2、繪制太陽能電池的開路電壓、短路電流隨入射光功率的變化曲線以及太陽能電池伏安特性曲線