制作人林二妹实践教学中心.ppt

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1、制作人：林二妹 实践教学中心,光学仪器装配与调整,目 录 实验一 牛顿环装置 实验二 偏振光分析 实验三 自组加双保罗棱镜的正像望远镜,实验一 牛顿环装置,回目录,主要内容,一、实验目的 观察等厚干涉现象，用干涉法测量透镜表面的曲率半径 二、实验原理 一个曲率半径很大的平凸透镜，以其凸面朝下，放在一块平面玻璃板上（如附图2），二者之间形成一层厚度由零逐渐增大的空气膜，若对透镜投射单色光，则空气膜下缘面与上缘面反射的光就会互相干涉。从透镜上看到的干涉花样是以玻璃接触点为中心的一组中央疏，边缘密的明暗相间的同心圆环条纹，这就是牛顿环。它是等厚干涉，与接触点等距离的空气厚度是相同的。,从附图2来看，

2、设透镜的曲率半径为R，与接触点O相距为r处的膜厚为d，其中几何关系为： 因Rd，所以可略去，得：,图2,光线应是垂直入射的，计算光程差时还要考虑光波在平面玻璃 上反射会有半波损失，从而带来/2的附加光程差，所以总的光程 差为： 产生暗环的条件是： 其中m干涉条纹的级数综合上面的式子可得到第m级暗环半径为： 从此式可见，只要波长为已知，测量出第m级暗环半径rm，即可 得出平凸透镜的曲率半径值。但是由于两镜面接触点之间难免存 在着细微的尘埃，使光程差产生难以确定的变化，中央暗点就可变 成亮点或若明若暗。,再者，接触压力引起玻璃的变形会使接触点扩大成一个接触面，以致接 近圆心处的干涉条纹也是宽阔而模

3、糊的。这就给m带来某种程度的不确定 性。为了求得比较准确的测量结果，可以用两个暗环半径rm和rn的平方 差来计算曲率半径。因 ， 两式相减得 所以得： 因m和n有着相同的不确定程度，利用m-n这一相对 性测量恰好消除了由绝对测量的不确定性带来的误差。,三、实验仪器 1、钠光灯 2、半透半反镜 3、二维调整架：SZ-07 4、牛顿环 5、牛顿环直立架：SZ-34 6、读数显微镜架 :SZ-38 7、读数显微镜 8、三维底座：SZ-01 9、通用底座：SZ-04 10、一维底座：SZ-03,四、仪器实物图及原理图（见图3）,图3,五、实验步骤 1、调节牛顿环装置三个螺钉，使接触点O大致在中心，螺钉

4、 的松紧程度合适，太松则接触点不稳定，太紧则将镜压碎， 将牛顿环置于牛顿环直立架上。 2、把全部器件按图十三的顺序摆放在平台上，靠拢后目测 调至共轴。 3、点亮钠光灯，使钠光垂直射到半透半反镜上，调节半透 半反镜的角度和位置。此时显微镜上看到明亮的视场，前后 移动显微镜就可观察到等厚干涉同心圆环。,六、数据处理 可用测微目镜的鼓轮测出=20、15、10、5牛顿环直 径，用环差法:m-n=5，再由已知波长=5893和公式 ，可求得顿环透镜的曲率半径R（）,（）和R（）， 三个值求平均就可以得出牛顿环的曲率半径的大小。,七、实验思考题,1、此实验中采取了哪些措施，来避免或减少误差？ 2、牛顿环中央

5、图样是怎样的？若在透镜四周均匀轻微加压，将看到什么现象？,1、测量中的测微鼓轮只能向同一个方向转动，以防因螺纹中的空程而引起的误差。 2、调节牛顿环装置三个螺钉，使接触点O大致在中心，螺钉的松紧程度合适，太松则接触点不稳定，太紧则将镜压碎,实验注意事项,实验二 偏振光分析,回目录,主要内容,一、实验目的 观察光的偏振现象，分析偏振光，起偏，定光轴 二、实验原理 （一）偏振光的基本概念 光是电磁波，它的电矢量E和磁矢量H相互垂直，且均垂 直于光的传播方向c，通常用电矢量E代表代表光的振动方 向，并将电矢量E和光的传播方向c所构成的平面称为光振动面。在传播 过程中，电矢量的振动方向始终在某一确定方

6、向的光称为平面偏振光或 线偏振光，如附图4（a）。光源发射的光是由大量原子或分子辐射构成 的。由于大量原子或分子的热运动和辐射的随机性，它们所发射的光的 振动面，出现在各个方面的几率是相同的。故这种光源发射的光对外不 显现偏振的性质，称为自然光附图4（b）。,在发光过程中，有些光的振动面在某个特定方向上出现的几率大于其他方向，即 在较长时间内电矢量在某一方向上较强，这种的光称为部分偏振光，如图附图4 （c）所示，还有一些光，其振动面的取向和电矢量的大小随时间作有规律的变 化，而电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆。这种光称为椭 圆偏振光或圆偏振光。,图4,a,b,c,（二）获得偏

7、振光的常用方法 将非偏振光变成偏振光的过程称为起偏，起偏的装置称为起 偏器。常用的起偏装置主要有： 1、反射起偏器（或透射起偏器） 当自然光在两种媒质的界面上反射和折射时，反射光和 折射光都将成为部分偏振光。当入射角达到某一特定值 时，反射光成为完全偏振光，其振动面垂直于入射面（见附图5）而角 就是布儒斯特角，也称为起偏振角，由布儒斯特定律得 例如，当光由空气射向n=1.54的玻璃板时， =57度,若入射光以起偏振角射到多层平行玻璃片上，经过多次反射最后透射出来的光也 就接近于线偏振光，其振动面平行于入射面。由多层玻璃片组成的这种透射起偏 振器又称为玻璃片堆。见附图6。,图5,图6,2、晶体起

8、偏器 利用某些晶体的双折射现象来获得线偏振光，如尼科尔棱镜等。 3、偏振片（分子型薄膜偏振片） 聚乙烯醇胶膜内部含有刷状结构的炼状分子。在胶膜被拉伸时，这些炼状分子被拉直并平行排列在拉伸方向上，拉伸过的胶膜只允许振动取向平行于分子排列方向（此方向称为偏振片的偏振轴）的光通过，利用它可获得线偏振光，其示意图参看附图7。偏振片是一种常用的“起偏”元件，用它可获得截面积较大的偏振光束（它就是本实验使用的元件）。,图7,(三)偏振光的检测 鉴别光的偏振光状态的过程称为检偏，它所用的装置称为检偏器。实际上，起偏器和检偏器是通用的。用于起偏的偏振片称为起偏振器，把它用于检偏就成为检偏器了。 按照马吕斯定律

9、，强度为I0的线偏振光通过检偏器后，透射光的强度为 式中为入射光偏振方向与检偏器偏振轴之间的夹角。显然，当以光线传播方向为轴转动检偏器时，透射光强度I将发生周期性变化。当=0度时，透射光强度最大；当=90度时，透射光强度最小（消失状态）；当0度 90度时，透射光强度介于最大值和最小值之间。因此，根据透射光强度变化的情况，可以区别光的不同偏振状态。,（四）偏振光通过波晶片时的情形 1.波晶片 波晶片是从单轴晶体中切割下来的平行平面板，其表面平行于晶 体的光轴。当一束单色平行自然光正入射到波晶片上时，光在晶体 内部便分解为o光与e光。o光电矢量垂直于光轴;e光电矢量平行于光 轴。而o光和e光的传播

10、方向不变，仍都与表面垂直。但o光在晶体内 的速度为,e光的为即相应的折射率、不同。设晶片的厚度为L，则两 束光通过晶体后就有位相差,即 式中为光波在真空 中的波长。 的晶片，称为全波片， ；称为半波片 （/2波片）； 为/4片，上面的k都是任意整数。不论全 波片，半波片或/4片都是对一定波长而言。 以下直角坐标系的选择，是以e光振动方向为横轴，o光振动方向为 纵轴。沿任意方向振动的光，正入射到波晶片的表面，其振动便按 此坐标系分解为e分量和o分量。,2.光束通过波片后偏振态的改变 平行光垂直入射到波晶片后，分解为e分量和o分量，透过晶片，二者间 生一附加位相差。离开晶片时合成光波的偏振性质，决

11、定于及入射光 的性质。 （1）偏振态不变的情形 （i）自然光通过波晶片，仍为自然光。因为自然光的两个正交分量之间的 位相差是无规的，通过波晶片，引入一恒定的位相差，其结果还是无规 的。 （ii）若入射光为线偏振光，其电矢量E平行e轴（或o轴），则任何波长片 对它都不起作用，出射光仍为原来的线偏振光。因为这时只有一个分量， 谈不上振动的合成与偏振态的改变。 除上述二情形外，偏振光通过波晶片，一般其偏振情况是要改变的。 （2）/2片与偏振光 （i）若入射光为线偏振光，在/2片的前面（入射处）上分解为 =0或,出射光表示为： 讨论二波的相对位相差，上式可写为 故出射光二正交分量的相对位相差为： 和,

12、=,这说明出射光也是线偏振光，但振动方向与入射光的不 同。如入射光与晶片光轴成角，则出射光与光轴成-角。 即线偏振光经/2片电矢量振动方向转过了2角。 （ii）若入射光为椭圆偏振光，作类似的分析可知，半 波片既改变椭圆偏振光长（短）轴的取向，也改变椭圆 偏振光（圆偏振光）的旋转方向。,（3）/4片与偏振光 （i）入射光为线偏振光 =0或 则出射光为 此式代表一正椭圆偏振光。 对应于右旋， 对应于 左旋。当 时，出射光为圆偏振光。,（ii）入射光为圆偏振光 此式代表线偏振光。 出射光电矢量 沿一、三象限； ， 沿二、四象限。 （iii）入射光为椭圆偏振光 出射光为 可见出射光一般为椭圆偏振光。,

13、三、实验仪器 1、HeNe激光器（632.8nm） 2、偏振片（起偏器） 3、可变口径二维架： SZ-05 4、偏振片（检偏器） 5、手动X轴旋转架： SZ-06 6、白屏H：SZ-13 7、通用底座：SZ-04 8、一维底座：SZ-03 9、一维底座：SZ-03 10、通用底座：SZ-04 11、1/4、1/2波片各一片 12、公用底座：SZ-04（波片使用） 13、手动X轴旋转： SZ-06,四、仪器实物图及原理图（见图8）,图8,五、实验步骤及数据处理 1、定偏振片光轴：把所有器件按图十九的顺序摆放在平台上，调至共 轴。旋转第二个偏振片，使起偏器的偏振轴与检偏器的偏振轴相互垂 直，这时可

14、看到消光现象。 2、考察平面偏振光通过/2波长时的现象 （1）在两块偏振片之间插入/2波长片，把X轴旋转架转动360度，能 看到几次消光？解释这现象。 （2）将/2波长转任意角度，这时消光现象被破坏。把检偏器转动360 度，观察到什么现象？由此说明通过/2波长片后，光变为怎样的偏振 状态？ （3）仍使起偏器和检偏器处于正交（即处于消光现象时），插入/2波 长，使消光，再将转15度，破坏其消光。转动检偏器至消光位置，并记 录检偏器所转动的角度。,（4）继续将/2波长转15度（即总转动角为30度），记录检偏器达到消 光所转总角度。依次使/2波长总转角为45度，60度，75度，90度，记 录检偏器消

15、光时所转总角度。,从上面实验结果得出什么规律？,3、用波长片产生圆偏振光和椭圆偏振光 （1）按图十九使与起偏器和检偏器正交，用/4波长片代替/2波长 片，转动/4波片使消光。 （2）再将/4波片转动15度，然后将检偏器转动360度，观察到什么现 象？你认为这时从/4波片出来光的偏振状态是怎样？ （3）依次将转动总角度为30度，45度，60度，75度，90度，每次将检偏 器转动，记录所观察到的现象。,六、实验思考题 1、两偏振片用支架安置于光具座上，正交后消光，一片不动，另一片的2个表面转换180度，会有什么现象？ 2、波片的厚度与光源的波长什么关系？,1、所有的光学元件均要保持干净，切不可用手

16、直接触摸光学元件表面。 2、波片和偏振片调节要轻柔，不要用力过猛。 3、激光束不要直接对着人眼，避免损伤眼睛。,实验注意事项,实验三 自组加双保罗棱镜的正像望远镜,回目录,主要内容,一、实验目的 了解双保罗棱镜的正像原理及其作用，进一步掌握望远镜系统的调节。 二、实验原理 （一）望远镜的形式主要是根据目镜形式不同而分成两类： 1、目镜为正透镜组的望远镜，称之为开普勒望远镜。因其视觉放大率 为负值，故像为倒像。 2、目镜为负透镜组的望远镜，称之伽利略望远镜。因其视觉放大率为 正值，故像为正像。,（二）利用开普勒望远镜需加一转像系统，使像成为正像。常用的转像系统有： 1、透镜转像系统 2、棱镜转像

17、系统 （1）倒威棱镜 （2）屋脊棱镜 （3）复合棱镜：由两个或两个以上的普通棱镜组成的棱镜转像系统称之为复合棱镜。保罗棱镜就是其中的一种，它在双筒望远镜中起倒像作用。,三、实验仪器 1、带有毛玻璃的白炽灯光源S 2、物屏P：SZ-14 3、物镜Lo：fo=300mm 4、二维调整架：SZ-07 5、（正象）保罗棱镜：SZ-27 6、测微目镜Le 7、读数显微镜架 : SZ-38 8、三维底座： SZ-01 9、一维底座： SZ-03 10、一维底座：SZ-03 11、一维底座：SZ-03 12、通用底座：SZ-04,四、仪器实物图及原理图（见图1）,图1,五、实验步骤 1、把全部仪器按照图八的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴。 2、用Lo、Le组成倒像望远镜，对字物调焦，记清字像倒正方向。 3、在Lo的像前方，放置双保罗棱镜使光从俯视方向为三角形的方向入射，经过四次反射后，由另一片镜子射出。 4、调节Le的高度和其位置，使能清楚地看到字物正立的像。,1、注意不要用手摸光学元件的光学表面。 2、在实验过程中，注意光学仪器的轻拿轻放。,实验注意事项,谢谢！,