工程光学（1）实验讲义光电工程学院实验一光学实验主要仪器、光路调整与技巧一、引言不论光学系统如何复杂，精密，它们都是由一些通用性很强的光学元器件组成，因此掌握一些常用的光学元器件的结构和性能，特点和使用方法，对安排试验光路系统时正确的选择光学元器件，正确的使用光学元器件有重要的作用二、实验目的掌握光学专业基本元件的功能；调整光路，主要包括共轴调节和调平行光。

三、基本原理(一)、光学实验仪器概述:光学实验仪器主要含：激光光源，光学元件，观察屏或信息记录介质1．激光光源激光器即Laser(Light Amplification by stimulated emission of radiation)，原意是利用受激辐射实现光的放大．然而实际上的激光器,一般不是放大器,而是振荡器,即利用受激辐射实现光的振荡,或产生相干光。

.标有安培表和电压表图1-1 激光器示意图（He－Ne激光）激光的特性：（1）高度的相干性；（2）光束按高斯分布。

激光器的分类：（1）气体激光器——He-Ne激光器,Ar离子激光器（2）液体激光器——染料激光器（3）固体激光器———半导体激光器,红宝石激光器本套实验方案的选择的激光器是气体型He-Ne内腔式激光器,波长为632.8nm的红光，功率2mW。

个别实验中还会用到白光点光源。

2．用于光学实验的元件一般包括：防震平台、分束镜、扩束镜、准直镜、反射镜、成像透镜、多自由度微调器、3．观察屏等部件。

（1）防震平台光学实验需要一个稳定的工作平台。

特别是对于全息图制作实验，由于是参考波和物光波干涉条纹的记录，如果在曝光过程中因为振动导致两光波有变化，就要影响干涉条纹的调制度。

通常要求该光波的振动变化小于十分之一波长。

影响稳定性的因素有震动、空气流和热变化等。

震动的主要影响来自地基的震动，如果记录系统部件的机构有松动就会把震动放大，所以必须对工作台采取减震措施。

专用全息气浮工作台是最好的减震台。

简单的减震方法可用砂箱、微塑料、气垫（用汽车、飞机轮子的内胎）和重1000～2000kg的铸铁或花岗岩，并应安装一个隔离罩。

如果不用隔离罩，记录全息图时室内不要通风，工作人员不要大声讲话和距工作台远一些。

（2）光学元件①分束镜：分束镜是光学实验系统的一个重要元件，它的作用是将激光束分为两束，在干涉仪系统组装的实验中可产生两束有一定夹角的相干波，在全息制作实验中可产生参考光和物体的物光光波。

分束镜一般是在玻璃板上镀干涉膜。

干涉膜有两种：多层介质膜和金属膜。

分光比可以连续变化或分段变化。

②扩束器（扩束镜）：因激光束的发散角很小，需要用一个扩束镜以加大光束的发散角。

通常可用20倍、40倍的显微物镜或焦距很短的单片正透镜或负透镜。

本实验方案中，扩束镜采用40倍的显微物镜。

③凸透镜：准直镜、成像透镜、傅立叶变换透镜之功能均可使用不同内径和焦距的凸透镜来实现。

为了提高光的透射率，透镜面要镀增透膜。

在选用透镜时，要选用没有缺陷和污脏的透镜（因为它们会使观察或记录图像产生噪声）。

④反射镜：当光入射到普通反射镜的玻璃基版上时，要先经过折射再反射，反射光的损失很大。

同时玻璃片基的两面会因多次反射引入杂散光。

所以光学实验需用表面平整度高和涂有多层反射膜的高反射率反射镜。

⑤其它：还有一些辅助元件：如多自由度微调器，可三维控制镜架或者滤波器的位置和方向；可变光阑包括可调的狭缝和圆孔光阑、观察屏用来观测成像质量和成像大小等。

(二)、共轴调节：光学实验中经常要遇到用一个或多个透镜成像，为了获得较好的像，必须使各个透镜的主光轴重合（即共轴），并使物体位于透镜的主光轴附近。

另外，为了最大限度利用激光扩束后的面光源，所有透镜的主轴都需要大致通过光斑中心，才能获得清晰的像。

共轴调节使物、屏的中心处在透镜光轴上，并使各光学元件共轴，达到共轴能保证近轴光线的条件成立。

一般分为两步进行，第一步粗调，即用眼睛观察，使物、屏与透镜中心大致在一条直线上；粗调方法如下：通过前后移动白屏的方法先使激光光束与台面平行，再将透明物、扩束镜、双凸透镜依次摆好，调节它们的取向和高低左右位置，凭眼睛观察，再让光斑、物、镜的几何中心处在一条直线上，这样便使镜的主光轴与平台面平行且共轴，光斑也最大限度得到利用。

第二步细调，即移动透镜，当两次成像中心重合即达到共轴，若不重合，须视情况，针对性地调节各光学元件，直至两次成像的中心重合。

如果系统有两个以上的透镜，先加入一个透镜调节共轴，然后再依次加入透镜，使每次所加透镜都与原系统共轴。

反射镜的调节方法类似。

(三)、调节平行光：（1）调整扩束镜，准直镜共轴。

图1-2 共轴调节示意图（2）粗调，把准直镜放到一定位置使扩束镜处于准直镜的前焦面上，然后在准直镜后放一挡板，不断前后纵向移动挡板，观察挡板上圆形光斑的到大小是不是发生变化，如果发生变化，就再前后移动准直镜的位置，再前后移动挡板，观察圆形光斑的大小，如果变化，重复以上工作，直到光斑大小不发生变化位置，完成粗调。

在调节中要注意光斑变化的和准直镜移动方向的关系，从而很快达到粗调的效果图1-3 平行光路粗调示意图（3）细调1，如有条件，可以选用平晶进行细调。

把平晶放到准直镜后，使光线反射到挡板上，可以观察到干涉条纹。

挡板图1-5 平行光示意图（4）细调2，左右微移动准直镜，观察挡板条纹的变化，找出规律，并使条纹的数目减少，最后在挡板上只剩下，一条或半条条纹，这时从准直镜出来的光线就是平行光。

四、仪器用具1. 氦氖激光器 8. 燕尾式平移台2. 激光夹持器 9. 分划板3. 显微物镜 10. 透镜/反射镜支架 （Φ40.0）4. 物镜接圈 11. 干板架5. 开口透镜/反射镜支架（Φ20.0） 12. 毛玻璃6. 一维调节滑块 13. 平行平晶7. K9平凸透镜（Φ40.0, f150.0）导轨，滑块，支杆，调节支座，磁力表座五、实验步骤（1）参照图1-6，沿导轨装妥各器件（先不安装扩束显微物镜和准直平凸透镜部分），并调至共轴。

图1-6 激光平行光路调试装配示意图（2）首先将分划板中心通孔高度定为光轴高度，将分划板移至贴近激光器的位置，调节激光器高度，使激光束通过分划板中心圆孔。

再将分划板移至较远处，调节激光夹持器，使激光束再次通过分划板中心圆孔（近端调高低，远端调俯仰）。

重复二三次高低和俯仰调节，使激光束在合适的高度保证基本水平。

（3）在系统中加入扩束物镜和准直透镜，适当调节激光束和扩束镜，准直透镜平晶挡板（条纹变化，使之越来越少）共轴，且准直透镜在扩束镜的前焦面上。

前后移动分划板，观测分划板上的圆斑大小是否变化。

若变化，则前后移动准直透镜，直到前后移动分划板，板上的圆斑大小不发生变化，完成平行光粗调。

（4）将分划板替换为平行平晶，将毛玻璃放在在平行平晶反射光路上，前后移动准直透镜，使得毛玻璃上可以观察到干涉条纹。

（5）细微调节平移台丝杆，观察干涉条纹变化，使得条纹数逐渐减少到一条或半条条纹，完成细调。

实验二平行光管实验一、引言平行光管是一种长焦距、大口径，并具有良好像值的仪器，与前置镜或测量显微镜组合使用，既可用于观察、瞄准无穷远目标，又可作光学部件，光学系统的光学常数测定以及成像质量的评定和检测。

二、实验目的（1）了解平行光管的结构及工作原理（2）掌握平行光管的调整方法（3）学会用平行光管测量薄透镜的焦距。

三、基本原理根据几何光学原理,无限远处的物体经过透镜后将成像在焦平面上;反之,从透镜焦平面上发出的光线经透镜后将成为一束平行光。

如果将一个物体放在透镜的焦平面上,那么它将成像在无限远处。

图2-1 为平行光管的结构原理图。

它由物镜及置于物镜焦平面上的分划板,光源以及为使分划板被均匀照亮而设置的毛玻璃组成。

由于分划板置于物镜的焦平面上,因此,当光源照亮分划板后,分划板上每一点发出的光经过透镜后,都成为一束平行光。

又由于分划板上有根据需要而刻成的分划线或图案,这些刻线或图案将成像在无限远处。

这样,对观察者来说,分划板又相当于一个无限远距离的目标。

图2-1 平行光管的结构原理图根据平行光管要求的不同,分划板可刻有各种各样的图案。

图2-2 是几种常见的分划板图案形式。

图2-2（a）是刻有十字线的分划板,常用于仪器光轴的校正;图2-2 (b) 是带角度分划的分划板,常用在角度测量上;图2-2 (c) 是中心有一个小孔的分划板,又被称为星点板;图2-2 (d) 是鉴别率板,它用于检验光学系统的成像质量。

鉴别率板的图样有许多种,这里只是其中的一种;图2-2 (e) 是带有几组一定间隔线条的分划板,通常又称它为玻罗板,它用在测量透镜焦距的平行光管上。

图2-2 分划板的几种形式平行光管测量凸透镜焦距用平行光管法测量凸透镜焦距的光路图如图2-3所示,由光路图2-3中容易看出:图2-3 平行光管法测量凸透镜焦距光路图o f y '=ϕtan x f y ''-='1tan ϕ 平行光管射出的是平行光，且通过透镜光心的光线不改变方向，因此11ϕϕϕϕ'=='=xo f y f y ''-=' o x f yy f ''-=' （6-1） 其中o f '为平行光管物镜焦距，y 为玻罗板上选择的线对的长度，y '为用显微目镜读出的玻罗板上线对像的距离。

用这种方法测量凸透镜焦距比较简单，关键是要保证各光学元件要等高共轴，平行光管出射平行光。

四、仪器用具1. 平行光管 mm f o 400=' 玻罗板两长划线间距 mm y 533.0=2. 反射镜3. 二维调节透镜/反射镜支架4. 待测透镜（Φ40.0, f150.0）5. 测微目镜（10X ，带分划板）6. 开口式二维调节透镜/反射镜支架导轨，滑块，支杆，调节支座等五、实验步骤（1）把平行光管实验系统按照图2-4所示放好。

图2-4 平行光管实验装配图（2）打开平行光管外盖，观察平行光管内部结构，了解基本原理（3）调节放在平行光管前的反射镜（反射镜上有调节水平螺丝和垂直螺丝），使平行光管射出的光线重新返回平行光管。

这时能通过显微目镜看到分划板上有一个反射回来的像。

前后移动分划板，直到目镜里清楚地观察到十字叉丝的像。

表明分划板已经调整在物镜的焦平面上了。

（4）平行光管调整后，拿下平面镜，将被测凸透镜组置于平行光管的前方，在凸透镜的前方放上测微目镜，调节平行光管、被测凸透镜和测微目镜，使它们在同一光轴上，尽量让测微目镜拉近到实验人员方便观察的位置。

（5）前后移动凸透镜，使被测凸透镜在平行光管中的玻罗板成像于测微目镜的标尺和叉丝上，表明凸透镜的焦平面与测微目镜的焦平面重合。

（6）用测微目镜测出玻罗板像中y =0.533毫米两刻线间距的测量值y '，读出平行光管的焦距实测值o f '（仪器说明书中给定），重复五次，将各数据填入自拟表中。