26种实验光学平台说明书原始 版

GSZ-2B 型 光学平台（26例实验）

使用说明书

GSZ-2B 型光学平台可供大专院校普通物理实验课开设光学实验使用。本说明书举例说明的26项实验涵盖了几何光学、波动光学和信息光学比较重要的基础课题，大部分有测量要求，少部分限于观察现象。各实验所需学时长短不一，教师可按教学要求搭配实验内容，组织实验课教学。

主要技术参数和规格：

隔震导磁台面不平度：＜0.05mm

附件一览表：

1

（个别附件变动，恕不另行通知）

仪器的维护与保养:

1所有光学玻璃器件应注意保持清洁，避免各种污染。若落上灰尘，可用洗耳球、软毛刷除尘，用细绒布擦净。有指纹、污渍应用脱脂棉浸少量乙醇乙醚混合液（7:3）

2

擦掉。在潮湿季节应特别加强保护。

2 机械结构的转动和滑动部位可酌加少量润滑油。平台上宜涂擦极薄的一层机油，以利保护表面。 实验举例：

1 用自准法测薄凸透镜焦距………………………………………………………4 2 用贝塞耳法（两次成像法）测薄凸透镜焦距…………………………………5 3 由物象放大率测目镜焦距………………………………………………………6 4 由物距－像距法测凹透镜焦距…………………………………………………7 5 透镜组节点和焦距的测定………………………………………………………8 6 自组投影仪………………………………………………………………………9 7 测自组望远镜的放大率…………………………………………………………10 8 自组带正像棱镜的望远镜………………………………………………………11 9 测自组显微镜的放大率…………………………………………………………12 10 杨氏双缝实验……………………………………………………………………13 11 菲涅耳双棱镜干涉………………………………………………………………14 12 菲涅耳双镜干涉…………………………………………………………………15 13 劳埃德镜干涉……………………………………………………………………16 14 牛顿环……………………………………………………………………………17 15 用干涉法测定空气折射率………………………………………………………18 16 夫琅禾费单缝衍射………………………………………………………………21 17 夫琅禾费圆孔衍射………………………………………………………………22 18 菲涅耳单缝和圆孔衍射…………………………………………………………22 19 直边菲涅耳衍射…………………………………………………………………24 20 光栅衍射…………………………………………………………………………24 21 光栅单色仪………………………………………………………………………26 22 偏振光的产生和检验……………………………………………………………27 23 全息照相…………………………………………………………………………28 24 制做全息光栅……………………………………………………………………29 25 阿贝成像原理和空间滤波………………………………………………………31 26 θ调制……………………………………………………………………………33

3

1 用自准法测薄凸透镜焦距

实验装置 （图1-1）

1：白光源S （GY-6A ） 6：三维调节架 (SZ-16) 2：物屏P （SZ-14） 7：二维平移底座 (SZ-02) 3：凸透镜L （f ′=190 mm） 8：三维平移底座 (SZ-01) 4：二维架（SZ-07）或透镜架（SZ-08） 9-10：通用 5：平面镜M 底座（SZ-04）

图1-1

实验步骤

1）参照图1-1，沿米尺装妥各器件，并调至共轴； 2）移动L ，直至在物屏上获得镂空图案的倒立实像；

3）调M 镜，并微动L ，使像最清晰且与物等大（充满同一圆面积）； 4）分别记下P 和L 的位臵a 1、a 2；

5）将P 和L 都转1800之后，重复做前4步； 6）记下P 和L 新的位臵b 1、b 2； 7）计算：

f a , =a 2-a 1 ； f b , =b 2-b 1

(f a , +f b , )

f =

2

,

4

2 用贝塞耳法（两次成像法）测薄凸透镜焦距

实验装置（图2-1）

1：白光源S 5：白屏H （SZ-13）

2：物屏P (SZ-14) 6：二维平移底座（SZ-02）

3：凸透镜L (f '=190 mm) 7：三维平移底座（SZ-01） 4：二维架(SZ-07)或透镜架(SZ-08) 8－9：通用底座（SZ-04）

图2-1

实验步骤

1）按图2-1沿米尺布臵各器件并调至共轴，再使物与白屏距离l >4f '；

2）紧靠米尺移动L ，使被照亮的物形在屏H 上成一清晰的放大像，记下 L 的位臵a 1和P 与H 间的距离l ；

3）再移动L ，直至在像屏上成一清晰的缩小像，记下L 的位臵a 2 ；

°

4）将P 、L 、H 转180（不动底座），重复做前3步，又得到L 的两个位臵b 1、b 2 ； 5) 计算：

d a =a 2-a 1 ； d b =b 2-b 1

l (f '=

a

2

2

-d a )

4l

l (；f '=

b

2

-d b 2)4l

待测透镜焦距：f '=

f a '+f b '

2

5

3 由物像放大率测目镜焦距

实验装置（图3-1）

1：白光源S 7：测微目镜ME 2：微尺分划板M （1/10 mm） 8：三维平移底座（SZ-01） 3：双棱镜架（SZ-41） 9：三维平移底座（SZ-01） 4：待测目镜Le （f ' e =29 mm） 10：升降调节座（SZ-03） 5：二维调节架（SZ-07）或透镜架(SZ-08) 11：通用底座（SZ-04） 6：测微目镜架（SZ-36）

图3-1

实验步骤

1）按图3-1沿米尺安排各器件，并调节共轴；

2）从M 、Le 、ME 靠近处逐渐移远Le ，直至在测微目镜中看到清晰的微尺放大像，并与ME 分划板无视差；

3）测出1/10 mm微尺刻线的像宽，求出其放大倍率m 1，并分别记下ME 和Le 的位臵a 1、b 1； 4）把ME 向后移动30-40 mm，并缓慢前移Le ，直至在测微目镜中又看到清晰的与ME 分划板刻线无视差的微尺放大像；

5）测出新的像宽，求出放大率m 2，记下ME 和Le 的位臵a 2、b 2； 6）计算：

m x =

像宽

实宽

像距改变量：s =(a 2-a 1) +(b 1-b 2)

6

4 用物距－像距法测凹透镜焦距

实验装置（图4－1）

1：白光源S 7：像屏（SZ －13） 2：物屏(SZ－14) 8：普通底座（SZ －04） 3：凸透镜(f =70mm ，加光阑) 9：升降调节座（SZ －03） 4：透镜架（SZ －08） 10：升降调节座（SZ －03） 5：凹透镜 11：普通底座（SZ －04） 6：透镜架(SZ－08) 12：普通底座（SZ －04）

图4－1

u 1

f 1

A B

F 凸

B ′

F 凹

B 〝

v 1

A ′

L 1

L 2

v 2

f 2 u 2

A 〝

图4－2

实验步骤

1）使被面光源照亮的物屏P 1通过凸透镜L 1在像屏P 2上成清晰像时，P 1与P 2的距离稍大于凸透镜焦距的4倍。记下L 1和P 2在导轨上的位臵读数。

2）在凸透镜和像屏之间加入待测的薄凹透镜L 2，调同轴，向稍远处移动像屏，直至屏上又出现清晰的像。记下L 2和像屏P 2′的位臵读数。

3）以L 2P 2′距离为物距-u ，以L 2P 2距离为像距v '，将数值代入式 1/u +1/v =1/f ，计算被测透镜的焦距。

7

5 透镜组节点和焦距的测定

实验装置（图5-1）

1：白光源S 8：测微目镜架 2：毫米尺 9： 测微目镜

3：双棱镜架（SZ-41） 10：二维平移底座（SZ-02） 4：物镜L o (f o '=150 mm) 11：二维平移底座（SZ-02） 5：二维架(SZ-07)或透镜架(SZ-08) 12：三维平移底座（SZ-01） 6：透镜组L 1、L 2 (f 1'=300 mm；f 2'=190 mm) 13：升降调节座（SZ-03）

7：测节器 (节点架) 14：通用底座（SZ-04）另备用平面镜、白

屏

图5-1

实验步骤

1）先借助平面镜调节毫米尺与准直物镜L o 的距离，使通过L o 的光束为平行光束（“自准法”）。 2）加入透镜组和测微目镜，调共轴，同时移动目镜，找到毫米尺的清晰像。

3）沿节点架导轨前后移动透镜组，同时相应地前后移动测微目镜，直到节点架绕轴作不大的转动时，毫米尺像无横向移动为止（此时像方节点N ′即在节点架的转轴上）。

4）用白屏取代测微目镜，接收毫米尺像。分别记下屏和节点架在米尺导轨上的位臵a 和b ，并从节点架导轨上记下透镜组中间位臵（有标线）节点架转轴中心的偏移量d 。

5）将测节器转动180°，重复3、4两步，测得另一组数据a ′、b ′、d ′。 数据处理

A 、像方节点偏离透镜组中心的距离为d 透镜组的像方焦距f '=a-b

物方节点N 偏离透镜中心的距离为d ' 透镜组的物方焦距f =a '-b '

B 、用1：1的比例画出被测透镜组及其各种基点的相对位臵。

8

6 自组投影仪

实验装置（图6-1）

1：白光源S 8：白屏H （SZ-13） 2：聚光透镜L 1（f 1'=50 mm） 9：三维平移底座 （SZ-01） 3：二维架 （SZ-07） 10：二维平移底座 （SZ-02） 4：幻灯片P 11：升降调节座 （SZ-03） 5：干版架（SZ-12） 12：升降调节座（SZ-03） 6：放映物镜L 2（f o '=190 mm） 13：通用底座（SZ-04） 7：三维调节架 （SZ-16）

L 1 P

S

H

L 2

u 1 v 1 u 2

图6-1

v 2

实验步骤

1）按图6-1排光路，调共轴。

2）使L 2与H 相距约1.2 m（对较短平台，可用白墙代屏）前后移动P ，使其在H 上成一清晰放大像。

3）使L 1固定在紧靠幻灯片P 的位臵，取下P ，前后移动光源，使其成像于L 2所在平面。 4）重新装好幻灯片，观察屏上像的亮度和照度的均匀性。 5）取下L 1，观察像面亮度和照度均匀性的变化。 放映物镜焦距和聚光镜焦距的选择 放映物镜：f 2=(M /(M +1) 2) D 2

9

聚光镜：f 1=D 2/(M +1) -[D 2/(M +1)]2⨯1/D 1 其中：D 2=U 2+V 2; D 1=U 1+V 1

M 为像的放大率。

7 测自组望远镜的放大率

实验装置（图7-1）

1：标尺 5：二维调节架（SZ-07） 2：物镜L o （f o '=225 mm） 6：三维平移底座（SZ-01） 3：二维架 （SZ-07） 7：二维平移底座（SZ-02） 4：目镜L e（f e ' =45 mm）

图7－1

实验步骤

1）按图7-1组成开普勒望远镜，向约3 m远处的标尺调焦，并对准两个红色指标间的“E”字（距离d 1=5 cm）；

2）用另一只眼睛直接注视标尺，经适应性练习，在视觉系统获得被望远镜放大的和直观的标尺的叠加像，再测出放大的红色指标内直观标尺的长度d 2；

d 2f o '

3）求出望远镜的测量放大率Γ=，并与计算放大率作比较；

d 1'f e

注：标尺放在有限距离S 远处时，望远镜放大率Γ' 可做如下修正：Γ'=Γ

S

S +f 0

当S ′＞100f o 时，修正量

S

≈1

S +f o

10

8 自组带正像棱镜的望远镜

实验装置（图8-1）

1：标尺 7：二维平移底座 （SZ-02）

2：物镜L o （f o ' =225 mm） 8：升降调整座（SZ-03）

3：三维调节架 （SZ-16） 9：二维平移底座 （SZ-02）

4：正像棱镜系统 10：升降调节座（SZ-03）

5：目镜L e （f e '=45 mm） 11：通用底座（SZ-04）

6：二维架 （SZ-07）

图8-1

实验步骤

1）参照图8-1，沿平台米尺先组装不加正像棱镜的望远镜，并对位于光轴上的约3 m远处的标尺调焦，认清该尺所成的倒像。

2）按图8-1所示，在Lo 的像面前方安臵正像棱镜，并相应调节目镜高度，找到标尺的正像。

*正像棱镜如图8-2所示，由两块45°～90°棱镜组

合而成，又称组合泊罗棱镜，从图中光束箭头的走向可说

明图像的翻转过程。

45° 90° 45° 90° 45° ＊

图8－2

11

9 测自组显微镜的放大率

实验装置（图 9-1）

1：小照明光源S （GY-20，低亮度） 10：升降调节座（SZ-03）

2：干版架（SZ-12） 11：双棱镜架（SZ-41）

3：微尺M 1（1/10 mm） 12：毫米尺M 2（l =30 mm）

4：二维架（SZ-07）或透镜架(SZ-08) 13：三维平移底座（SZ-01）

5：物镜L o （f o '=45 mm） 14：三维平移底座（SZ-01）

6：二维架 （SZ-07） 15：升降调节座（SZ-03）

7：三维调节架（SZ-16） 16：通用底座（SZ-04）

8：目镜L e （f e '=29 mm） 17：白光源（GY-6A ）（图中未画） 9：45°玻璃架（SZ-45）

图9－1

图9－2

12

实验步骤

1）参照图9-1和9-2布臵各器件，调等高同轴；

2）将透镜L O 与Le 的距离定为24 cm；

3）沿米尺移动靠近光源毛玻璃的微尺，从显微镜系统中得到微尺放大像；

4）在Le 之后臵一与光轴成45°角的平玻璃板，距此玻璃板25 cm 处臵一白光源（图中未画出）照明的毫米尺M 2；

5）微动物镜前的微尺，消除视差，读出未放大的M 230格所对应的M 1的格数a ；

显微镜的测量放大率M =30⨯10

a ；显微镜的计算放大率M ' =25∆

f f

o 'e '

10杨氏双缝实验

实验装置（图10-1）

1：钠灯（加圆孔光阑） 9：延伸架（SZ-09）

2：透镜L 1（f '=50 mm） 10：测微目镜架

3：二维架（SZ-07） 11：测微目镜M

4：可调狭缝S （SZ-27） 12：二维平移底座 （SZ-02）

5：透镜架（SZ-08，加光阑） 13：二维平移底座 （SZ-02）

6：透镜L 2 (f '=150mm) 14：升降调节座（SZ-03）

7：双棱镜调节架 (SZ-41) 15：二维平移底座（SZ-02）

8：双缝D 16：升降调节座（SZ-03）

图10－1

13

实验步骤

1）使钠光通过透镜L 1会聚到狭缝S 上，用透镜L 2将S 成像于测微目镜分划板M 上，然后将双缝D 臵于L 2近旁。在调节好S ，D 和M 的mm 刻线的平行，并适当调窄S 之后，目镜视场出现便于观测的杨氏条纹。

2）用测微目镜测量干涉条纹的间距△x ，用米尺测量双缝至目镜焦面的距离l ，用显微镜测量双缝的间距d , 根据∆x =l λ计算钠黄光的波长λ。 d

11菲涅耳双棱镜干涉

实验装置（图11-1）

1：钠灯 8：测微目镜

2：透镜L 1（f ′=50 mm） 9：二维平移底座（SZ-02）

3：二维架（SZ-07） 10：三维平移底座（SZ-01）

4：可调狭缝（SZ-27） 11：二维平移底座（SZ-02）

5：双棱镜 12：升降调节座（SZ-03）另备凸透镜

6：双棱镜架（SZ-41） （f ′=190 mm）及座架、座

7：测微目镜架（SZ-36）

图11-1

实验步骤

1）参照图11-1沿米尺安臵各器件，使钠黄光通过透镜L 1会聚在狭缝上。双棱镜的棱脊与狭缝须平行地臵于L 1和测微目镜L 2的光轴上，以获得清晰的干涉条纹。

2）测微目镜测量干涉条纹间距△x （可连续测定11个条纹位臵，用逐差法计算出5个△x 取平均），并测出狭缝至目镜分划板的距离l 。

3）保持狭缝和双棱镜位臵不动，在双棱镜后用凸透镜在测微目镜分划板上成一虚光源的放大实像，并测得间距d ′，再据成像公式算出二虚光源间距d 。

4）根据公式λ=(d /l ) ∆x 计算钠黄光波长。

14

12菲涅耳双镜干涉

实验装置（12-1）

1：钠灯（加圆孔光阑） 8：测微目镜

2：透镜 （f ′=50 mm） 9：二维平移底座（SZ-02）

3：二维架 (SZ-07) 10：三维平移底座 （SZ-01）

4：可调狭缝 11：升降调节座（SZ-03）

5-6：菲涅耳双镜及镜架 12：二维平移底座 （SZ-02）

7：测微目镜架（SZ-36）

图12-1

实验步骤

1）利用透镜将光束会聚到狭缝上，使通过狭缝的光束投射在双镜接缝处。掠射的光束被二镜面反射，用稍许偏离米尺导轨的测微目镜接收双光束交叠区域的干涉条纹。狭缝要窄，且与双镜交线平行，二镜面夹角大小要适当。

2）测干涉条纹间距△x 和两个虚光源距离d ，方法与双棱镜实验相同。

3）测出狭缝至双镜接缝的距离r 和双镜接缝至目镜分划板的距离l o , 得l =r +l o ，根据

λ=

计算钠黄光的波长。 d ∆x l

15

13劳埃德镜干涉

实验装置（图13-1）

1：钠灯（加圆孔光阑） 8：测微目镜

2：透镜 （f ′=50 mm） 9：二维平移底座 （SZ-02）

3：二维架 （SZ-07） 10：三维平移底座 （SZ-01）

4：可调狭缝（SZ-27） 11：升降调节座（SZ-03）

5-6：劳埃德镜及干版架 12：二维平移底座 （SZ-02）

7：测微目镜架 （SZ-36）

图13-1

实验步骤

1）使钠光光束经透镜会聚到狭缝上，通过狭缝，部分光束掠入射劳埃德镜，被镜面反射，另一部分直接与反射光会合发生干涉，用测微目镜接收干涉条纹，同时调节缝宽、入射角及镜面与铅直狭缝的平行，以改善条纹的质量。

2）用实验10的方法测出条纹间距∆x ，狭缝与其虚光源的距离d 以及狭缝与目镜分划板的距离l ，根据公式

λ=

计算钠黄光波长。 d ∆x l

16

14牛顿环

实验装置(图14-2)

1：牛顿环支架 6：二维平移底座（SZ-02）

2：牛顿环组件 7：干版架（SZ-12）

3：半透半反玻璃（分束器） 8：升降调节座（SZ-03）

4：显微镜 9：钠灯

5：测微目镜架 10：升降调节座

图14－2

实验步骤

1）按图14－2布置光路。若牛顿环装置平凸透镜与平板玻璃的接触点偏离中心，得调节夹具上的三个螺钉，使接触点稳定居中即可，但不要拧得太紧。

2）调节分束器，使视场6 mm测量范围内充满黄光。消除视差。尽量使干涉圆环在量程内对称分布。

3）从第14环开始逐环测定位置至第5环，再越过环心，从另一测第5环测至第14环为止，计算10个环的直径d 。

24）用逐差法取m -n =5算出5个r m -r n 2值，取平均，代入公式

2r m -r n 2 R =(m -n ) λ()

得出平凸透镜的曲率半径。

17

15 用干涉法测定空气折射率

实验装置（图15-1）

1：He-Ne 激光器L 11：气室AR

2：激光器架 （SZ-42） 12：二维调节架（SZ-19）

3：二维架 （SZ-07） 13：二维平移底座（SZ-02）

4：扩束器BE 14：二维架（SZ-07）

5：升降调节座（SZ-03） 15：平面镜M 1

6：三维平移底座 （SZ-01） 16：二维平移底座（SZ-02）

7：分束器BS 17：二维平移底座（SZ-02）

8：通用底座 （SZ-04） 18：平面镜M 2

9：白屏H 19：二维架（SZ-07）

10：干版架（SZ-12） 20：升降调节座（SZ-03）

图15-1

实验步骤

1）将各器件夹好，靠拢，调等高。

2）调激光光束平行于台面，按图15-1所示，组成迈克耳孙干涉光路（暂不用扩束器）。

3）调节反射镜M 1和M 2的倾角，直到屏上两组最强的光点重合。

18

4）加入扩束器，经过微调，使屏上出现一系列干涉圆环。

5）紧握橡胶球反复向气室充气，至血压表满量程（40kPa ）为止，记为△p 。

6）缓慢松开气阀放气，同时默数干涉环变化数N ，至表针回零。

7）计算实验环境的空气折射率

n =1+N λp ⨯2l ∆p

其中激光波长λ和气室长度l 为已知，环境气压p 从实验室的气压计读出。本实验应多次测量，干涉环变化数可估计出一位小数。

附：由洛伦兹－洛仑茨公式推导测定空气折射率的公式

根据洛伦兹－洛仑茨公式，

3n 2-1α=⋅2 4πN n +2

式中α－平均极化率，N －单位体积的分子数，n －折射率。而

α=3A 4πN A

式中A －克分子折射度，N A －6.02⨯1023mol －1（阿伏伽德罗常量）

N A n 2-1⋅∴ A = N n 2+1

式中 N A =V （克分子体积） N

pV -1-1=R =8.31Jmol K （气体常量） T 根据波义耳－马略特定律

∴ V =N A W RT == N ρp

式中W －分子量，ρ－密度，p －压力，T －热力学温度。

因此，克分子折射度A 可以写成

W n 2-1RT n 2-1 A =⋅2=⋅2ρn +2p n +2

19

对气体，n 与1相差很小，n 2≈1 ； n 2-1=(n +1)(n -1) ≈2(n -1)

∴ A ≈2W 2RT (n -1) =(n -1) 3ρ3p

设标准状态下空气折射率为n 0，密度为ρ0，任意状态下空气折射率为n ，密度为ρ，则有

ρn -1 （空气折射率与其密度成正比） =ρ0n 0-1

同理，若标准状态下气压为p 0，任意状态下气压为p ，有

pT 0n -1 （15.1） =p 0T n 0-1

若T 不变，对上式求p 的变化量所引起的n 的变化，则有

∆n =n 0-1T 0⋅∆p p 0T

=3.661⨯10-3 ︒C -1，是相对压力系数，t 是摄氏温度，，其中α=+αt ) T =T 0(1即室温，∴ ∆n =n 0-1∆p ⋅p 01+αt

∆n ∆p n 0=1+p 0(1+αt )

将此时代入式（15.1），得

n =1+p ∆n ∆p

在测定空气折射率实验中，若气室内气压改变了∆p ，空气折射率随之改变∆n ，导致光程差δ变化，进而引起N 个干涉条纹的变化。设气室空气柱长度为l ，因光束两次通过气室，所以

δ=2l ∆n =N λ

∆n =N λ 2l

于是得 n 0=1+p 0(1+αt ) N λ1⋅ 2l ∆p

n =1+N λp ⋅ 2l ∆p

20

实验装置（图16-1）

1：钠灯 8：测微目镜架（SZ-36）

2：狭缝S 1 (SZ-40) 9：测微目镜

3：透镜L 1 (f '=150 mm） 10：三维平移底座（SZ-01）

4：二维架(SZ-07)或透镜架(SZ-08) 11：二维平移底座（SZ-02）

5：狭缝 S 2 (SZ-27) 12：升降调节座（SZ-03）

6：透镜L 2 (f '=300 mm) 13：二维平移底座（SZ-02）

7：二维架 (SZ-07 )或透镜架(SZ-08) 14：二维平移底座（SZ-02）

图16-1

实验步骤

1）参照图16-1沿米尺调节共轴光路。

2）使狭缝S 1靠近钠灯，位于透镜L 1的焦平面上，通过透镜L 1形成平行光束，垂直照射狭缝S 2，用透镜L 2将衍射光束汇聚到测微目镜的分划板，调节狭缝铅直，并使分划板的毫米刻线与衍射条纹平行，S 1的缝宽小于0.1mm (兼顾衍射条纹清晰与视场光强) 。

3）用测微目镜测量中央明条纹宽度e ，连同已知的λ和f ’值代入公式

λf ' =a

可算出缝宽a 。

4）用显微镜直接测量缝宽，与上一步的结果作比较。

5）用测微目镜可验证中央极大宽度是次极大宽度的两倍。

21 e 2

实验装置（图17-1）

1：钠灯 6：测微目镜架（SZ-36）

2：小孔（φ1 mm） 7：测微目镜

3：衍射孔（φ0.2-0.5 mm，多孔架） 8：三维平移底座（SZ-01）

4：透镜 （f '=70 mm） 9：二维平移底座 （SZ-02）

5：二维调节架 （SZ-07） 10：二维平移底座 （SZ-02）

图17-1

实验步骤

1）参照图17-1沿平台米尺安排各器件，调节共轴，获得衍射图样。

2）在黑暗环境用测微目镜测量艾里斑的直径e ，据已知波长（λ=589.3 nm ）、衍射小孔半径a 和物镜焦距f’，可验证公式e =1. 22f ' λ。 a

18 菲涅耳单缝和圆孔衍射

实验装置（图18-1）

1：激光器架（SZ-42） 6：白屏 （SZ-13）

2：He-Ne 激光器 7：升降调整座（SZ-03）

3：扩束器（f ′= 4.5 mm） 8：三维平移底座（SZ-01）

4：二维架 9：二维平移底座（SZ-02）

5：可调狭缝 10：升降调整座（SZ-03）

22

图18-1

调节与观察

① 使激光通过扩束器（造成非远场条件）照射到狭缝上，用白屏接收衍射条纹。

② 在缓慢、连续地将狭缝由很窄变到很宽的同时，注意屏上的衍射图样，可观察到与理论分析一致的由近似夫琅禾费单缝衍射逐渐变化成各种菲涅耳单缝衍射，最后形成两个对称的直边衍射的现象。

实验装置（图18-2）

1：激光器架（SZ-42） 6：白屏（SZ-13）

2：He-Ne 激光器 7：升降调节座 （SZ-03）

3：扩束器（f = 4.5 mm） 8：三维平移底座 （SZ-01）

4：二维架 (SZ-07) 9：二维平移底座 （SZ-02）

5：圆孔板（φ1.5 mm，SZ-23） 10：升降调整座（SZ-03）

图18-2

调节与观察

将实验装臵18－1中的狭缝换成φ1.5 mm的圆孔，如图（18－2），使屏逐渐远离圆孔，会看到衍射图样中心亮—暗—亮的变化。图样中心的亮或暗，取决于点光源与圆孔的距离、圆孔的半径和圆孔到观察屏的距离。

23

19 直边菲涅耳衍射

实验装置（图19-1）

1：激光器架（SZ-42） 7：白屏 （SZ-13）

2：He-Ne 激光器 8：升降调整座（SZ-03）

3：扩束器（f ′=4.5 mm ） 9：二维平移底座 （SZ-02）

4：二维架 （SZ-07） 10：二维平移底座 （SZ-02）

5：刀片 11：升降调整座（SZ-03）

6：二维干版架 （SZ-18）

图19-1

调节与观察

将实验18中的狭缝换成刀片，即可发生直边衍射。当观察点从几何阴影边界向外移动时，衍射光强有类似衰减振荡的分布，最后趋于无障碍的自然传播。强度的最大值并不在于几何阴影的交界处，而是在直接照明区稍靠外些的亮区内。在阴影区内，衍射条纹的光强单调地减弱，一直到零。

20 光栅衍射

实验装置（图20-1）

1：汞灯 10：二维架（SZ-07）

2：透镜L 1 （f ′=50 mm） 11：测微目镜及支架

3：二维架（SZ-07） 12：三维平移底座（SZ-01）

4：可调狭缝 13：二维平移底座（SZ-02）

5：透镜L 2 （f ′=105 mm） 14：升降调节座（SZ-03）

6：二维架（SZ-07） 15：升降调节座（SZ-03）

7：光栅（d =1/20 mm） 16：二维平移底座（SZ-02）

8：二维干版架（SZ-18） 17：二维平移底座（SZ-02）

9：透镜L 3（f ′=225 mm ）

24

图

20-1

图20-2

调节与测量

1）按图20-1沿平台米尺安排各器件，调节共轴。

2）狭缝须调铅直，并使光栅刻线和测微目镜分划板上的毫米尺刻线与狭缝平行。

3）将狭缝调窄，前后移动测微目镜，获得清晰的汞的光栅衍射光谱。

4）转动目镜，消除光谱线与分划板间的视差。

5）根据光栅方程，衍射的各主极大由下式决定：

d sin θ=k λ （ k =0, ±1, ±2 ）

实际上因θ角很小（图20-2予以放大），可近似地认为

d l k ±2 ） =k λ （ k =0, ±1, f

其中d 是光栅常量，l k 是某待测谱线位臵到零级谱线的距离，f 是物镜L 2的焦距，k 是衍射级，λ是光波波长。

用测微目镜对汞的一级光谱中较强的两条黄线，一条绿线和一条蓝线分别测出l Y1，l Y2，l G 和l B ，据上式即测得各谱线的波长。左右移动测微目镜，也可以利用二级谱线测谱线波长。

6）光栅光谱与棱镜光谱的比较：将等边三棱镜放在光栅转台上，替下二维干版架和光栅，用测微目镜和Ｌ3在适当角度找到汞的棱镜光谱，通过观察比较两种光谱的区别。

25

21 光栅单色仪

实验装置（图21-1）

1：汞灯 10：自准球面镜 （f ′=500 或302mm ） 2：透镜 （f ′=50 mm） 11：三维平移底座 （SZ-01）

3：二维架（SZ-07） 12：光栅转台

4：入射狭缝 (SZ-27) 13：平面闪跃光栅G （1200条/ mm）

5：平面镜 M 2 14：干版架 （SZ-12）

6：二维架 （SZ-07） 15：出射狭缝 (SZ-40)

7：二维平移底座（SZ-02） 16：二维平移底座 （SZ-02）

8：二维平移底座（SZ-02） 17：三维平移底座 （SZ-01）

9：三维调节架（SZ-16） 18：升降调整座 （SZ-03）

图21-1

调节说明

1）各部件中心应调在同一高度，光路主截面大致平行于台面。用f =50 mm 透镜将汞灯光，

聚在入缝上（缝宽＞0.5 mm）。

2）按图放臵各部件，安装光栅时应使箭头记号朝上，以保证闪耀效果，用白纸检查M 1、G 和M 2上的投射光，要求丰满不漏，进程不挡光。

3）M 1上的入射光束和出射光束应力求夹成小角度，如图示，38/400≈5.4°，尚可以近似认为光路是利特罗自准的。

26

4）用白屏取代出缝，找到最佳聚焦位臵，再安放出射缝。两个狭缝的刀口面必须面对入射方向，工作宽度约可调到 0.02 mm。

5）图中M 1和G 的距离是200 mm，可小有出入。

6）调节光栅水平面的方位，以使579.1 nm（黄）—404.7nm （紫）间的谱线在测微螺旋控制下能循序出射。

7) 可改变光路，使G 稍前倾， M 2臵于入缝后下方，出缝下降，以获得更强的闪跃效果。

22 偏振光的产生和检验

实验装置（图22-1）

1：白光源（GY-6A ） 8：偏振片

2：凸透镜（f ′=150mm） 9：X 轴旋转二维架（SZ-06）

3：二维调节架（SZ-07） 10：升降调节座（SZ-03）

4：可调狭缝（SZ-27） 11：升降调节座（SZ-03）

5：光学测角台（SZ-47） 12：二维平移底座（SZ-02）另需钠灯、氦 6：升降调节座（SZ-03） 氖激光器、1/4波片及架、冰洲石及转动 7：黑玻璃镜 架和扩束器

图22-1

实验步骤

1）测布儒斯特角，定偏振片光轴：按图22-1所示，使白光源灯丝位于透镜的焦平面上（此时二底座相距162mm ），近似平行光束通过狭缝，向光学台分度盘中心的黑玻璃镜入射，并在台

27

面上显出指向圆心的光迹。此时转动分度盘，对任意入射角，利用偏振片和X 轴旋转二维架组成的检偏器检验反射光，转动360ο，观察部分偏振光的强度变化。而当光束以布儒斯特角i B 入射时，反射的线偏振光可被检偏器消除（对n =1.51, i B ≈57ο）。该入射角需反复仔细校准。因线偏振光的振动面垂直于入射面，按检偏器消光方位可以定出偏振片的易透射轴。

2）线偏振光分析：使钠光通过偏振片起偏振，用装在X 轴旋转二维架上（对准指标线）的偏振片在转动中检偏振，分析透过光强变化与角度的关系。

3）椭圆偏振光分析：使激光束通过扩束器、狭缝和黑镜产生线偏振光，再通过1/4波片之后，用装在X 轴旋转二维架上的偏振片在旋转中观察透射光强变化，是否有两明两暗位臵（注意与上一项实验现象有何不同），在暗位臵，检偏器的透振方向即椭圆的短轴方向。

4）圆偏振光分析：在透振轴正交的二偏振片之间加入1/4波片，旋转至透射光强恢复为零处，从该位臵再转动45°，即可产生圆偏振光。此时若用检偏器转动检查，透射光强是不变的。3）和4） 应使用白屏观察。

5）利用冰洲石及可转动支架，可以观察和分析该晶体的双折射现象。让自然光（例如钠光）通过支架上的一个小孔入射冰洲石晶体，用眼睛在适当距离能够看到光束一分为二；转动支架，又能判别寻常光（o 光）和非寻常光（e 光）。进而用检偏器确定o 光和e 光偏振方向的关系。

23全息照相

实验装置（图23-1）

1：He-Ne 激光器L 13：二维干版架（SZ-18）

2：激光器架（SZ-42） 14：全息干版

3：升降调节座（SZ-03） 15：三维平移底座（SZ-01）

4：三维调节座（SZ-01） 16：拍摄物体

5：分束器 17：载物台（SZ-20）

6：干版架（SZ-12） 18：通用底座（SZ-04）

7：二维架（SZ-07） 19：升降调节座（SZ-03）

8：平面镜M 1 20：扩束器（f ′= 4.5 mm）

9：二维平移底座（SZ-02） 21：二维架（SZ-07）

10：二维平移底座（SZ-02） 22：二维平移底座（SZ-02）

11：扩束器（f ′=4.5 mm） 23：平面镜M 2

12：二维架（SZ-07） 24：二维架（SZ-07）

28

图23-1

实验步骤

1）按图23-1的相对位臵放好各器件，拿下L 1和L 2，调等高。

2）使物光束与参考光束的光程近似相等，二者夹角在30°－40°之间。

3）调M 1的倾角，使光束射在物的中间部位，调M 2的倾角，使参考光束射在全息干版（暂以白板代替）的中部。

4）加入L 1，调其支架并前后移动，使扩束镜恰好照全物体，加入L 2，调其支架并前后移动，使参考光束对准白屏，与物光束的光强比在5:1－10:1之间。

5）将各磁性座指向ON ，关闭照明灯，安装全息干版后，进行曝光，时间可控制在10－15s 。在弱绿光下显影和定影，时间长短主要取决于药方和药液温度。

6）将清水冲过又经干燥处理的全息片面对扩束的激光，观察虚像和实像。

24制做全息光栅

实验装置（图24-1）

1：He-Ne 激光器La 10：分束器S （5:5）

2：激光器架（SZ-42） 11：二维平移底座（SZ-02）

3：升降调节座（SZ-03） 12：二维调节架（SZ-07）

4：二维调节架（SZ-07） 13：二维平移底座（SZ-02）

5：扩束器 L 1（f ′= 4.5 mm） 14：全息干版

6：升降调节座（SZ-03） 15：干版架（SZ-12）

7：二维架（SZ-07） 16：二维架（SZ-07）

8：准直透镜L 2（f ′=225 mm） 17：平面镜

9：三维平移底座（SZ-01） 18：三维平移底座（SZ-01）

29

图24－1

实验步骤

1）设定全息光栅常量d （例如100L/mm），并据此按式

2d sin

估算二光束夹角θ（精确到0.5°甚至1°即可）。

2）参照图24－1布臵光路。先不加扩束装臵（L 1和L 2），按估算的θ角，使二光束在H 面（暂用小白屏代替全息干版）交叠。

3）在光路中加入透镜L 1和L 2（扩束的光斑应在H 面重合），然后取下小白屏。

4）在暗室环境，将裁好的全息干

版装在干版架上。静臵1min 以后，曝

光约0.5s ，然后可在绿色安全灯下显影、

停显和定影。在正常采光下水洗，漂白，

风干或烘干。

5）用显微镜观察制成的全息光栅

的结构。

6）用细激光束垂直入射全息光栅

HG （图24-2），在白屏P 上观察衍射现象（清晰的光斑可视为夫琅禾费衍射图样）。测量HG 至P 之间的距离l 和±1级衍射斑之间的距离e ，根据式(24.1)计算出光栅常量，并与原先设定的数值作比较。

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L a θ2=λ (24.1) θ O HG l P 图24－2

25 阿贝成像原理和空间滤波

实验装置（图25-1）

1：He-Ne 激光器L 10：二维架 （SZ-07）

2：激光器架（SZ-42） 11：白屏（SZ-13）

3：扩束器L 1（f ′=6.2或15 mm） 12：升降调节座 （SZ-03）

4：二维架（SZ-07） 13：三维平移底座 （SZ-01）

5：准直透镜L 2 （f ′=190 mm） 14：二维平移底座 （SZ-02）

6：二维架（SZ-07） 15：三维平移底座 （SZ-01）

7：光栅（20L/ mm） 16：二维平移底座 （SZ-02）

8：干版架（SZ-12）或双棱镜调节架 17：升降调节座 （SZ-03）

9：变换透镜L 3（f ′=225 mm）

图25-1

实验内容

1 调节光路

实验的基本光路示于图25-2。由透镜L 1和L 2组成氦氖激光器的扩束器（相当于倒臵的望远镜系统），以获得较大截面的平行光束。L 3做成像透镜，像平面上可以用白屏或毛玻璃屏。 物面

L 1 L 2 L 3 像面 频谱面

激光管

F 1 F 2 F 3

图25－2

31

调节步骤：

1）调激光管的俯仰角和转角，使光束平行于光学平台水平面。

2）加上L 1和L 2，调共轴和相对位臵，使通过该系统的光束为平行光束（可用直尺检查）。

3）加上物（带交叉栅格的“光”字）和透镜L 3，调共轴和L 3位臵，在3－4m 以外的光屏上找到清晰的像之后，定下物和L 3的位臵（此时物位接近L 3的前焦面）。

2 观测一维光栅的频谱

1）在物平面上换臵一维光栅，用纸屏（夹紧白纸的纸夹架SZ-50）在L 3的后焦面附近缓慢移动，确定频谱光点最清晰的位臵，锁定纸屏座。

2）用大头针尖扎透0级和±1 , ±2 级衍射光点的中心，然后关闭激光器，用读数显微镜

' , ±x 2' ，利用式 测量各级光点与0级光点间的距离±x 1

x 'y ' , f y = λF λF

1求出相应各空间频率f x 1，f x 2 ，并由基频f x 1(=) 求出d f x =

光栅常量d 。

3 阿贝成像原理实验

移开上一步使用的纸屏和读数显微镜。把一个可变的频

谱光阑（SZ-39）放在频谱面上，按图25-3之b 、c 、d 、e

所示，先后挡住频谱的不同部位，分别观察并记录像面上成

像的特点及条纹间距（特别注意d 和e 两种条件下成像的差

异），试作简要的解释。

4 方向滤波

1）将一维光栅换成二维正交光栅，在频谱面观察这种光栅的频谱。从像面上观察它的放大像，并测出栅格间距。

2）在频谱面上安臵一个可转动的狭缝光阑（SZ-40），先后只让含零级的垂直、水平和与光轴成45°角的一排光点通过，观察并记录像面上图像的变化，测量像中栅格的间距并作简要解释。

5 低通和高通滤波

低通滤波器的作用是只让接近零级的低频成分通过而除去高频成分，可用于滤除高频噪声（例如消除照片中的网文或减轻颗粒影响）。高通了滤波器能限制连续色调而强化锐边，有助于细节观察。 图25－3

32

1）低通滤波

将一个网格字屏（透明的“光”字内有叠加的网格，见图(25-4 a）放在物平面上，从像平面上接收放大像。字内网格可用周期性空间函数表示，

它的频谱是有规律排列的分立点阵，而字形是非周

期性的低频信号，它的频谱是连续的。

把一个可变圆孔光阑放在频谱面上，使圆孔由

大变小，直到像面网格消失为止。字形仍然存在。

试作简单解释。

2）高通滤波 （a ） 图25－4 （b ）

将一个透光十字屏（图25-4之b ）放在物平面上，从像平面观察放大像。然后在频谱面上臵一圆屏光阑，挡住频谱面的中部，再观察和记录像面变化。

26 θ调制

实验装置（图26-2）

1：白光源（GY-6A ） 10：毛玻璃屏（SZ-49）

2：圆孔光阑S （SZ-15） 11：普通底座（SZ-04）

3：透镜架（SZ-08） 12：升降调节座（SZ-03）

4：透镜L 1（f ′＝150mm ） 13：普通底座（SZ-04）

5：θ调制片P 1 14：普通底座（SZ-04）

6：干版架（SZ-12） 15：延伸架（SZ-09）

7：纸板架（SZ-50） 16：升降调节座（SZ-03）

8：透镜L 2（f ′＝225mm ） 17：升降调节座（SZ-03）

9：透镜架（SZ －08） 18：普通底座（SZ －04）

图

26-1

33

实验步骤

1）将一个直径3－5mm 的光阑S （例如选用可变圆孔光阑）臵于白光源窗口处，通过透镜L 1在0.5m 以外的白纸屏P 2上成光阑的清晰像（注意要同轴）。

2）紧靠L 1安臵倒立θ调制片P 1，暂时移开纸屏，利用透镜L 2，在毛玻璃屏P 3上获得P 1的清晰实像。

3）使P 2复位，通过微调，在纸屏上可见清晰的彩色衍射光斑。

4）先设法判断θ调制片上图案各部分的光栅取向及其对应的衍射斑排列方向，再按照为图案各部分设定的颜色，用细针尖在纸屏上彩色斑点的相关部位扎孔，在P 3屏上即出现彩色图案。 提示

调光路时，应尽量使P 1和L 1靠近。L 1的定位不仅是能在P 2面上成清晰的孔阑像，还要使彩色光斑的颜色适当展开，并兼顾P 3面上成像的完整和清晰。

34