制作人：林二妹 实践教学中心

1. 制作人：林二妹 实践教学中心 光学仪器装配与调整

2. 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

3. 实验一 牛顿环装置 回目录

4. 1 5 实验步骤 实验目的 2 6 数据处理 实验原理 3 7 实验思考题 实验仪器 4 8 实验注意事项 仪器实物图及原理图 主要内容

5. 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。

6. 从附图2来看，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：从附图2来看，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R>>d，所以可略去，得： 图2

7. 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λ/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λ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Ｒ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。

8. 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Ｒ。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。

9. 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

10. 四、仪器实物图及原理图（见图3） 图3

11. 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 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。

12. 六、数据处理 可用测微目镜的鼓轮测出Ｋ=20、15、10、5牛顿环直 径，用环差法:m-n=5，再由已知波长λ=5893Å和公式 ，可求得顿环透镜的曲率半径R（２０－１５）,Ｒ（１５－１０）和R（１０－５）， 三个值求平均就可以得出牛顿环的曲率半径Ｒ的大小。

13. 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？

14. 实验注意事项 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

15. 实验二 偏振光分析 回目录

16. 1 5 实验步骤 实验目的 2 6 数据处理 实验原理 3 7 实验思考题 实验仪器 4 8 实验注意事项 仪器实物图及原理图 主要内容

17. 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）。

18. 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。 a c b 图4

19. （二）获得偏振光的常用方法 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

20. 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

21. 2、晶体起偏器 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

22. (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，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。

23. （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σ,即 式中λ为光波在真空 中的波长。 的晶片，称为全波片， ；称为半波片 （λ/2波片）； 为λ/4片，上面的k都是任意整数。不论全 波片，半波片或λ/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。

24. 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σ。离开晶片时合成光波的偏振性质，决定于σ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σ，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）λ/2片与偏振光 （i）若入射光为线偏振光，在λ/2片的前面（入射处）上分解为 ε=0或π

25. 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 =

26. 这说明出射光也是线偏振光，但振动方向与入射光的不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λ/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。

27. （3）λ/4片与偏振光 （i）入射光为线偏振光 ε=0或π 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。

28. （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。

29. 三、实验仪器 1、He—Ne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

30. 四、仪器实物图及原理图（见图8） 图8

31. 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，这时可看到消光现象。 2、考察平面偏振光通过λ/2波长时的现象 （1）在两块偏振片之间插入λ/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λ/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λ/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λ/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。

32. （4）继续将λ/2波长转15度（即总转动角为30度），记录检偏器达到消（4）继续将λ/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λ/2波长总转角为45度，60度，75度，90度，记 录检偏器消光时所转总角度。 从上面实验结果得出什么规律？

33. 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λ/4波长片代替λ/2波长 片，转动λ/4波片使消光。 （2）再将λ/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λ/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。

35. 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？

36. 实验注意事项 1、所有的光学元件均要保持干净，切不可用手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。

37. 实验三 自组加双保罗棱镜的正像望远镜 回目录

38. 1 5 实验步骤 实验目的 2 实验原理 3 实验仪器 4 6 实验注意事项 仪器实物图及原理图 主要内容

39. 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。

40. （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：（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。

41. 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

42. 四、仪器实物图及原理图（见图1） 图1

43. 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。

44. 实验注意事项 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。

45. 谢谢！