工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)講義

實(shí)驗(yàn)一針孔濾波實(shí)驗(yàn)

1.引言

在許多光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，光學(xué)元件上常常不可避免地存在一些瑕疵、灰塵、油污等，而

光束經(jīng)過的空氣中也通常存在許多懸浮的微粒，因此當(dāng)光束經(jīng)過這些光學(xué)元件或空氣時(shí)

將產(chǎn)生光的衍射現(xiàn)象而產(chǎn)生雜散光，導(dǎo)致之后的光場(chǎng)中存在許多衍射斑紋，形成相干噪

聲。為了改善光場(chǎng)質(zhì)量，通?？刹捎冕樋诪V波的方法來(lái)濾除這些雜散光。

2.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

I）學(xué)習(xí)光學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的針孔濾波法；

2）熟悉針孔濾波法的具體調(diào)節(jié)，為后續(xù)其他實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。

3.基本原理

理想的激光束近似具有高斯型振幅或光強(qiáng)分布，細(xì)激光束經(jīng)過短焦距的透鏡聚焦

后，根據(jù)傅里葉光學(xué)（詳見第14章“傅里葉光學(xué)”）的原理，在透鏡后焦面上將得到輸

入光場(chǎng)的頻譜，且仍為高圻分布。然而，實(shí)際輸入的光束為高斯型分布與噪聲函數(shù)的疊

加，而噪聲的高頻成分一般很豐富，因而可以認(rèn)為頻譜面上的噪聲譜和信號(hào)譜是近似分

離的，只要選擇適當(dāng)?shù)尼樋字睆?，就可以濾去高頻的噪聲，獲得平滑的高斯分布。換句

話說(shuō)，針孔的作用是只讓激光束中的無(wú)干擾部分通過，起著低通濾波器的作用，它能消

除擴(kuò)束鏡以及在擴(kuò)束以前光束經(jīng)過的路徑中所產(chǎn)生的高頻噪聲，如圖1所示。

雜散光

圖1.針孔濾波原理示意圖

針孔濾波器一般采用在厚度為0.5mm的錮鋼片上利用激光打孔的方法制成的直徑

5-30Rm的針孔。針孔使用時(shí)需要放置在擴(kuò)束鏡后焦面上的亮斑處，因此通常針孔和擴(kuò)

束鏡需要安裝同在一個(gè)支架上，并可利用三個(gè)互相垂直的方向調(diào)節(jié)旋鈕來(lái)調(diào)節(jié)針孔的位

置，如圖2所示，其中前后調(diào)節(jié)旋鈕可使擴(kuò)束物鏡靠近或遠(yuǎn)離針孔，而垂直和左右兩個(gè)

調(diào)節(jié)旋鈕可統(tǒng)稱為橫向調(diào)節(jié)旋鈕，其作用是調(diào)節(jié)針孔的橫向位置，使其與擴(kuò)束物鏡的光

軸重合，進(jìn)而與擴(kuò)束物鏡后焦面中心處的亮斑重合。

垂直調(diào)節(jié)

前后調(diào)節(jié)左右調(diào)節(jié)

針孔

圖2.針孔漉波器實(shí)物圖

4.實(shí)驗(yàn)器材

激光器（含夾持裝置1、針孔濾波器（包括三維調(diào)節(jié)支架、力、束物鏡和針孔）、觀察

屏（含干板夾）、中間帶有小孔的分劃板及其支桿、套筒、滑塊等。

5.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1）依次打開激光器電源開關(guān)和鑰匙旋鈕使其出光，在觀察屏表面固定一張白紙并

將其置于激光出口較遠(yuǎn)距離處，將分劃板置于二者之間，配合其前后移動(dòng)反復(fù)調(diào)節(jié)激光

器夾持裝置使出射的激光束平行于導(dǎo)軌，即分劃板在近處或遠(yuǎn)處時(shí)激光束均能通過其中

心小孔，取下分劃板，在觀察屏的白紙上用筆記錄激光束的位置；

2）將未安裝針孔的針孔濾波器（如已安裝針孔，參照第6步先將針孔取下）固定

于激光器和觀察屏之間（方向如圖3所示），調(diào)節(jié)針孔濾波器支架的高度使擴(kuò)束物鏡與

激光束共軸，即令觀察屏上的圓形光斑中心與觀察屏上所做的記號(hào)重合，記錄此時(shí)的光

斑質(zhì)量;

3）安裝針孔（注意切勿碰觸針孔面），調(diào)節(jié)針孔濾波器支架的兩個(gè)橫向調(diào)節(jié)旋鈕（即

垂直和左右旋鈕）并直接觀察針孔面，直至針孔面出現(xiàn)一個(gè)小亮點(diǎn)，然后調(diào)節(jié)前后旋鈕

使擴(kuò)束物鏡向針孔靠近，靠近過程中若小亮點(diǎn)消失或明顯變暗，則停止靠近并再次調(diào)節(jié)

橫向旋鈕使小亮點(diǎn)變亮后再繼續(xù)調(diào)節(jié)前后旋鈕；將觀察屏移到近處，當(dāng)白紙上可以看到

小亮斑后停止直接觀察針孔面（避免激光損傷眼睛）；

4）觀察觀察屏上的小亮斑，重復(fù)第3步的調(diào)節(jié)（即交替調(diào)節(jié)橫向旋鈕和前后旋鈕）

使觀察屏上的小亮斑繼續(xù)變大、變亮，同時(shí)以所做標(biāo)記為中心，直至觀察到亮暗相間的

同心環(huán)狀光斑（實(shí)為菲涅爾衍射圖樣）；

2

5）最后再微調(diào)三個(gè)旋鈕，使衍射圖樣的中央亮斑半徑不斷擴(kuò)大，同時(shí)亮度逐漸增

加，直至獲得最亮、最均勻、以觀察屏上所做標(biāo)記為中心且周圍環(huán)狀結(jié)構(gòu)基本消失的圓

形光斑，記錄此時(shí)的光斑質(zhì)量并與針孔濾波前的光斑質(zhì)量做比較;

6）實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉激光器（依次關(guān)閉鑰匙旋鈕和電源開關(guān)），調(diào)節(jié)針孔濾波器支架

的前后旋鈕使擴(kuò)束物鏡后退，取下針孔并保存好（注意針孔面不能接觸桌面、工作臺(tái)或

其他元器件，也不能用手碰觸，取下的針孔應(yīng)用油紙包覆以避免落灰），其他元器件恢

復(fù)原樣（養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣）。

圖3針孔濾波器實(shí)驗(yàn)裝置參考圖

注意：針孔濾波器調(diào)節(jié)過程的第4步實(shí)際上是典型的菲涅耳衍射過程（詳見第13

章“光的衍射”），因?yàn)榇藭r(shí)擴(kuò)束物鏡的焦點(diǎn)離針孔還較遠(yuǎn)，短焦距物鏡將細(xì)激光束聚焦

后又形成發(fā)散光束照射在針孔上（相當(dāng)于點(diǎn)光源照明），觀察屏上的圓環(huán)亮斑便是針孔

的菲涅耳衍射圖樣（詳見第13.2節(jié)“菲涅耳衍射”）。

6.思考題

1）你是如何理解針孔濾波的作用的？你認(rèn)為針孔應(yīng)該越大越好還是越小越好？結(jié)

合學(xué)過的信號(hào)處理知識(shí)說(shuō)說(shuō)你的看法。

2）如果你最終得到的最亮最均勻的光斑始終無(wú)法以所做標(biāo)記為中心，你認(rèn)為是什

么原因造成的？應(yīng)如何改進(jìn)？

3

實(shí)驗(yàn)二邁克爾遜干涉儀實(shí)驗(yàn)

1.引言

兩束光波的干涉需要滿足一定的條件，即兩束光的頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位

差恒定。實(shí)際上，光源發(fā)出的光波是一個(gè)個(gè)波列，原子這一時(shí)刻發(fā)出的波列與下一時(shí)刻

發(fā)出的波列，其光波的振動(dòng)方向和相位都是隨機(jī)的，因此兩個(gè)普通的獨(dú)立光源產(chǎn)生的光

波是無(wú)法發(fā)生干涉的，即使同一光源的不同部位發(fā)出的光波也不能滿足干涉條件，只有

同一原子發(fā)出的同一波列相遇才能相干。所以，要獲得兩個(gè)相干光波，必須利用同一發(fā)

光原子（發(fā)光點(diǎn)）發(fā)出的光波，通過具體的干涉裝置來(lái)獲得兩個(gè)相關(guān)聯(lián)的光波，它們相

遇時(shí)頻率、振動(dòng)方向和初相位將隨著原光波同步變化，因此兩束光仍可能有恒定的相位

差，能夠產(chǎn)生干涉。但它們相遇時(shí)還必須滿足兩疊加光波的光程差不超過光波的波列長(zhǎng)

度這一補(bǔ)充條件。由一個(gè)光波獲得兩個(gè)或多個(gè)相干光波的方法有分波前法和分振幅法兩

類，其中邁克爾遜干涉儀是最典型的分振幅干涉裝置。

2.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1）學(xué)習(xí)組裝并調(diào)節(jié)邁克爾遜干涉儀；

2）觀察點(diǎn)光源產(chǎn)生的非定域干涉條紋，加深對(duì)非定域干涉的理解；

3）觀察和分析干涉條紋可見度隨光程差的變化規(guī)律，加深對(duì)光源相干長(zhǎng)度的理解。

3.基本原理

3.1邁克爾遜干涉儀及其非定域干涉條紋

邁克爾遜干涉儀是采用分振幅方法產(chǎn)生雙光束以實(shí)現(xiàn)光的干涉的典型裝置，其原理

如圖1所示（距離未按比例畫，且為便于顯示將反射光束與入射光束分開畫）。其中S

為單色點(diǎn)光源，Mi、M2為互相垂直放置的兩個(gè)平面反射鏡，為分束鏡，置于M和

M2法線的交點(diǎn)上，并分別與Mi、M2成45。角。點(diǎn)光源S發(fā)出的球面波經(jīng)5S后表面的

鍍膜層分為兩束光，這兩束光分別經(jīng)Mi、昧反射乂回到3S,并分別在8S上透過和反

射，之后兩束光在3s的另一側(cè)空間形成一個(gè)非定域的干涉場(chǎng)。將觀察屏垂直于光束方

向置于該干涉場(chǎng)中，便可在觀察到干涉條紋，即非定域干涉條紋。

圖1中心2為M2在3s上反射形成的虛像，Si、S則分別為光源S在M和W2中的

4

虛像，因此觀察到的干涉條紋也可以看成虛點(diǎn)光源與、出發(fā)出的兩個(gè)球面波干涉的結(jié)果。

當(dāng)M3平行于M時(shí)，觀察屏上將出現(xiàn)圓形的等傾干涉條紋，其中心點(diǎn)在S和S2的連線

上，中心點(diǎn)光強(qiáng)取決于S和S2之間的距離24（其中d為M和州2的距離），即：

/=A+5cos（4啜），

因此當(dāng)24〃4時(shí)（〃為整數(shù)），中心將出現(xiàn)亮點(diǎn)；而當(dāng)2d=（/1/2）2時(shí)，中心將出現(xiàn)

暗點(diǎn)，即連續(xù)調(diào)節(jié)其中一個(gè)反射鏡的位置，可以觀察到圓形條紋的變化。另外，圓形條

紋的粗細(xì)和疏密程度也與d有關(guān)，當(dāng)d減小時(shí)，圓形條紋將變得疏而粗；而當(dāng)d增大時(shí),

圓形條紋將變得細(xì)而密。

若將M（或Mz）轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)小角度，則M和M3不再平行，觀察屏上出現(xiàn)的將不再

是圓形的等傾干涉條紋，即不再是圓形的封閉曲線，而是變成彎曲的曲線（實(shí)際上是雙

曲線或橢圓的一部分，彎向楔頂）甚至接近直線，稱為混合型條紋。

圖1.邁克耳遜干涉儀原理圖

3.2T涉條紋的可見度和光源的相干長(zhǎng)度

干涉條紋的可見度K定義為:

/-/.

K—ma」mm

~~l~+77

maxmin

影響干涉條紋可見度的主要因素是產(chǎn)生干涉的兩束光的振幅比、光源的寬度以及光

源的非單色性。其中光源的非單色光對(duì)干涉條紋可見度的影響，是由光程差和光源相干

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長(zhǎng)度的相對(duì)大小決定的。He?Ne激光的單色性雖已相當(dāng)好，但仍有一定的波長(zhǎng)分布。多

縱膜的He-Ne激光器其中心波長(zhǎng)友為632.8nm,波長(zhǎng)分布的半高全寬約0.0018nm,

因此相干長(zhǎng)度為：

L=—h22cmo

在邁克爾遜干涉儀中，來(lái)自光源的光束經(jīng)8S分為兩束，這兩束光經(jīng)不同的光程心

和上又在BS合成一束。兩束光的光程差為：

△/=/]—/?）O

理論上可以證明：當(dāng)很小時(shí)干涉條紋的可見度很大，當(dāng)△/增大時(shí)K將降低，當(dāng)

△/接近于“心時(shí)對(duì)比度就很弱了，而當(dāng)大于卻心時(shí)則可能完全看不到干涉條紋。因

此，為了得到對(duì)比度較高的干涉條紋，應(yīng)盡可能使諛束光的光程差在0.5cm左右。

4.實(shí)驗(yàn)器材

激光器（含夾持裝置〕、針孔濾波器（包括三維調(diào)節(jié)支架、擴(kuò)束物鏡和針孔）、準(zhǔn)直

透鏡、分束鏡、反射鏡、觀察屏（含干板夾）、中間帶有小孔的分劃板及其支桿、套筒、

滑塊等。

5.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1）打開激光器，調(diào)節(jié)使激光束平行于導(dǎo)軌并在觀察屏上做好標(biāo)記（調(diào)節(jié)方法同實(shí)

驗(yàn)一），然后調(diào)節(jié)準(zhǔn)直透鏡的高度并使其與激光束共軸，調(diào)節(jié)各反射鏡、分束鏡高度并

使反射鏡鏡面垂直于光束，調(diào)節(jié)擴(kuò)束鏡高度使其與激光束共軸；

2）按圖2所示的相對(duì)位置搭建光路（實(shí)驗(yàn)中沿激光出射方向的光路采用導(dǎo)軌，針

孔濾波器中可不加針孔僅作為擴(kuò)束鏡使用，也可加釬孔以獲取更好的實(shí)驗(yàn)效果），調(diào)整

擴(kuò)束鏡和準(zhǔn)直透鏡的相對(duì)位置使激光擴(kuò)束，但注意不要調(diào)成平行光，調(diào)整反射鏡及分束

鏡的擺放位置和角度，使兩個(gè)反射鏡與分束鏡基本等距（可借助直尺）、分束鏡與光軸

約成45度、兩反射鏡鏡面互相垂直；

3）微調(diào)任意一個(gè)反射鏡的角度（利用俯仰調(diào)節(jié)獎(jiǎng)的兩個(gè)旋鈕），使兩束光在分束鏡

的出射面上重合（可用一張白紙靠近出射面以便觀察光斑），然后微調(diào)分束鏡的角度使

出射的兩束光在觀察屏上重合，重復(fù)這兩個(gè)調(diào)節(jié)過程，直至兩束光的光斑在近處（分束

鏡出射面）和遠(yuǎn)處（觀察屏）均能較好重合、觀察屏上出現(xiàn)干涉條紋為止，記錄觀察到

的現(xiàn)象，并根據(jù)條紋形狀分析是否為等傾干涉;

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4）將觀察屏沿垂直于光束的方向前后移動(dòng)，觀察干涉條紋是否能在任意位置得到,

判斷是否為非定域干涉條紋，驗(yàn)證非定域干涉的條件;

5）微調(diào)任意一個(gè)反射鏡的角度，觀察并記錄干涉條紋形狀的變化規(guī)律;

6）沿垂直光束方向前后移動(dòng)任意一個(gè)反射鏡（以移動(dòng)導(dǎo)軌上的反射鏡為宜），稍微

改變兩束光的光程差，觀察并記錄干涉條紋的粗細(xì)及疏密程度的變化規(guī)律;

7）（選做內(nèi)容）繼續(xù)增大兩束光的光程差，使一束光的光程改變量達(dá)到10-50cm或

更多，觀察并記錄干涉條紋可見度的變化規(guī)律，直至干涉條紋消失為止，測(cè)量此時(shí)兩束

光的光程并計(jì)算光程差，以此估計(jì)激光光源的相干長(zhǎng)度;

8）實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉激光器，取下針孔并保存好（如使用針孔的話），其他所有器件

恢復(fù)原樣。

圖2.邁克耳遜干涉儀實(shí)驗(yàn)裝置參考圖

6.思考題

1）若分束鏡分出的兩束光強(qiáng)度不相等，那么形成的干涉條紋會(huì)有什么不同？

2）為什么強(qiáng)調(diào)不能調(diào)成平行光？如果調(diào)成平行光照射到分束鏡上，會(huì)有可能觀察

到什么現(xiàn)象？又不可能觀察到什么現(xiàn)象？

3）輕輕敲擊臺(tái)面或在附近地面上跳動(dòng)、走動(dòng)，從條紋變動(dòng)的幅度及衰減速度能否

評(píng)定實(shí)驗(yàn)臺(tái)的防震性能？為什么？

實(shí)驗(yàn)三馬赫?曾德干涉儀實(shí)驗(yàn)

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1.引言

隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代光學(xué)的發(fā)展，干涉儀和干涉技術(shù)在近現(xiàn)代獲得了飛速

的發(fā)展，在學(xué)科上形成了專門的光干涉測(cè)量技術(shù)或稱激光干涉測(cè)量學(xué)，在科學(xué)技術(shù)研究

和國(guó)防工業(yè)應(yīng)用中起著舉足輕重的作用。例如在邁克爾遜干涉儀基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的泰曼

-格林干涉儀，可用于精確檢測(cè)零件表面的缺陷，結(jié)合外差干涉原理還可以使用簡(jiǎn)單的

電子裝置實(shí)現(xiàn)相位的直接測(cè)量。馬赫-曾德干涉儀也是現(xiàn)代光學(xué)常用的一種典型的干涉

技術(shù)，其特點(diǎn)是干涉的兩束光分得很開，因此用途比較廣，常被用于測(cè)量相位物體引起

的相位變化，如大型風(fēng)洞中氣流引起的空氣密度變化、微小物體的相位變化等。馬赫-

曾德干涉儀在全息術(shù)中也有廣泛的應(yīng)用，如用于制備全息光學(xué)元件、全息濾波器及全息

術(shù)研究等。在光纖和集成光學(xué)中，馬赫-曾德干涉儀的用途也很廣?，F(xiàn)代光學(xué)的許多實(shí)

驗(yàn)都是以馬赫-曾德干涉儀的光路為基礎(chǔ)的，因此學(xué)習(xí)搭建和調(diào)節(jié)馬赫-曾德干涉儀對(duì)于

訓(xùn)練學(xué)生調(diào)節(jié)光路的技巧以及進(jìn)一步深入理解干涉原理均有重要意義。

2.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1）學(xué)習(xí)搭建和調(diào)節(jié)馬赫-曾德干涉儀；

2）觀察兩束平行光的干涉現(xiàn)象，分析規(guī)律；

3）考察實(shí)驗(yàn)臺(tái)的穩(wěn)定度，并與邁克爾遜干涉儀進(jìn)行比較。

3.基本原理

馬赫-曾德干涉儀也是采用分振幅的方法產(chǎn)生雙光束以實(shí)現(xiàn)干涉的，式光路示意圖如

圖1所示。

整個(gè)光路的主體由兩塊分束鏡（半反半透鏡）和兩塊反射鏡組成，四個(gè)反射面接近

互相平行，中心光路構(gòu)成一個(gè)平行四邊形。從激光器出射的光束經(jīng)擴(kuò)束鏡和準(zhǔn)直透鏡后

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形成一束寬度合適的平行光束，該平行光束在第一個(gè)分束鏡后分為兩束，其中一束經(jīng)分

束鏡反射后到達(dá)其中一個(gè)反射鏡，經(jīng)其再次反射后透過另一個(gè)分束鏡射出，另一束透過

第一個(gè)分束鏡后，經(jīng)另一個(gè)反射鏡及另一個(gè)分束鏡兩次反射后射出，兩束出射光在最后

一個(gè)分束鏡后方重疊。

若兩束出射光嚴(yán)格平行，則在重疊區(qū)域放置觀察屏?xí)r并不能觀察到干涉條紋，但若

兩束光在水平方向有一個(gè)微小夾角，則在觀察屏的豎直方向?qū)⒊霈F(xiàn)干涉條紋，且兩束光

的夾角越大，干涉條紋越密（由于人眼作為一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)也有分辨率的限制，因此夾角

過大時(shí)即使有干涉條紋也可能因?yàn)樘芏^察不到）；反之若是豎直方向有一個(gè)微小夾

角，則將在水平方向出現(xiàn)干涉條紋，以此類推。

4.實(shí)驗(yàn)器材

激光器（含夾持裝置;、針孔濾波器（包括三維調(diào)節(jié)支架、擴(kuò)束物鏡和針孔）、準(zhǔn)直

透鏡、分束鏡、反射鏡、玻璃片或小透鏡、觀察屏〔含干板夾）、中間帶有小孔的分劃

板及其支桿、套筒、滑塊等。

5.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1）打開激光器，調(diào)節(jié)使激光束平行于導(dǎo)軌并在觀察屏上做好標(biāo)記（調(diào)節(jié)方法同實(shí)

驗(yàn)一），然后調(diào)節(jié)所有可能用到的器件的高度和角度使它們均與激光束等高或共軸（調(diào)

節(jié)順序同實(shí)驗(yàn)二）；

2）按圖2所示的相對(duì)位置搭建光路（實(shí)驗(yàn)中沿激光出射方向的光路采用導(dǎo)軌，針

孔濾波器中可不加針孔僅作為擴(kuò)束鏡使用，也可加針孔以獲取更好的實(shí)驗(yàn)效果），調(diào)整

擴(kuò)束鏡和準(zhǔn)直透鏡的相對(duì)位置使激光擴(kuò)束并準(zhǔn)直成平行光束（即前后移動(dòng)觀察屏?xí)r光斑

大小應(yīng)保持不變），調(diào)整兩個(gè)反射鏡和兩個(gè)分束鏡的擺放位置使其呈矩形（兩路光的光

程基本相等），四個(gè)鏡面基本平行且各鏡面出射的光束均保持水平；

3）微調(diào)任意一個(gè)反射鏡的角度，使兩束光在最后一個(gè)分束鏡的出射面上重合，然

后微調(diào)最后一個(gè)分束鏡的角度，使出射的兩束光在遠(yuǎn)處的觀察屏上重合，重復(fù)這兩個(gè)調(diào)

節(jié)過程，直至兩束光的光斑在近處和遠(yuǎn)處均能較好重合、觀察屏上出現(xiàn)干涉條紋為止，

記錄觀察到的現(xiàn)象，并根據(jù)條紋方向分析兩光束夾角的方向;

4）微調(diào)最后一個(gè)分束鏡或任意一個(gè)反射鏡的角度以改變兩束光的微小夾角，觀察

并記錄干涉條紋的疏密程度（或?qū)挾龋┮约皸l紋方向的變化規(guī)律;

5）在其中一個(gè)光路中插入一個(gè)完全透明的物體（即相位物體，如玻璃片或小透鏡

等），觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析原因;

6）實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉激光器，取下針孔并保存好（如使用針孔的話），其他所有器件

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恢復(fù)原樣。

32.馬赫-曾德干涉儀實(shí)驗(yàn)裝置參考圖

6.思考題

1）哪個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容驗(yàn)證了引言中提到的馬赫-曾德干涉儀“常被用于測(cè)量相位物體引

起的相位變化”這句話？

2）與邁克耳遜干涉儀相比，你認(rèn)為采用馬赫?曾德干涉儀進(jìn)行干涉測(cè)量有何優(yōu)勢(shì)？

實(shí)驗(yàn)四菲涅耳衍射實(shí)驗(yàn)

1.引言

利用惠更斯原理，可以定性地從某時(shí)刻的已知位置的波陣面求出后面另一時(shí)刻的光

所在位置的波陣面，即確定光波從一個(gè)時(shí)刻到另一個(gè)時(shí)刻的傳播，因此可以用來(lái)說(shuō)明衍

射現(xiàn)象的存在。但惠更斯原理的子波假設(shè)不涉及子波的強(qiáng)度和相位，因而無(wú)法解釋衍射

圖樣中的光強(qiáng)分布。菲涅耳在惠史斯的子波假設(shè)基礎(chǔ)上，提出了“子波相干疊加”的思

想，從而建立了反映光的衍射規(guī)律的惠更斯?菲涅耳原理，即波陣面前方空間某點(diǎn)處的

光振動(dòng)取決于到達(dá)該點(diǎn)的所有子波的相干疊加。在此原理基礎(chǔ)上，可推導(dǎo)得到惠更斯-

菲涅耳原理的數(shù)學(xué)表達(dá)式V基爾霍夫從波動(dòng)微分方程出發(fā)，進(jìn)一步確定了式中傾斜因子

和常數(shù)的具體形式，從而得到了菲涅耳-基爾霍夫衍射公式，并可在不同的近似條件下

歸納出在兩類不同的衍射現(xiàn)象，即菲涅耳衍射和夫瑯和費(fèi)衍射。菲涅耳衍射是光源-衍

射屏和衍射屏■觀察屏的距離中至少有一個(gè)是有限遠(yuǎn)的衍射。

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2.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1）觀察和驗(yàn)證圓孔的菲涅耳衍射現(xiàn)象，觀察單縫的菲涅耳衍射現(xiàn)象；

2）觀察衍射圖樣的變化規(guī)律，并利用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行分析，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。

3.基本原理

菲涅耳衍射的一般裝置如圖1所示，其中S為點(diǎn)光源，衍射屏可以是開有某種形狀

的孔徑，也可以是不透明屏，觀察屏在距離衍射屏不太遠(yuǎn)的地方。（通常光源離衍射屏

的距離都要比衍射屏上的孔徑大得多，為簡(jiǎn)單起見可以認(rèn)為光源發(fā)出的光波垂直照射在

衍射屏上，即只要觀察屏離衍射屏不遠(yuǎn)，也可以用平行光照明。）

對(duì)于菲涅耳衍射，可以采用菲涅耳衍射公式來(lái)計(jì)算衍射圖樣，也可以采用一些定性

或半定量的方法來(lái)分析衍射圖樣，如菲涅耳波帶法，其基本做法如圖2所示。由于相鄰

半波帶的邊緣到Po點(diǎn)的光程差為半個(gè)波氏，則它們發(fā)出的子波到達(dá)Po點(diǎn)的相位差為為

相鄰波帶產(chǎn)生的復(fù)振幅分別為一正一負(fù)，因此當(dāng)半波帶數(shù)目〃足夠大時(shí)可得到尸。點(diǎn)的

合振幅為：

流回±由，

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其中H為奇數(shù)時(shí)取“+”號(hào)，為偶數(shù)時(shí)取“-”號(hào)，即幾點(diǎn)光強(qiáng)大小取決于衍射孔

徑中露出的半波帶數(shù)目。由圖2可知，當(dāng)沿著光軸移動(dòng)觀察屏或衍射屏?xí)r，由于露出的

半波帶數(shù)目的改變，在幾點(diǎn)將觀察到明暗交替的變化。另一方面，當(dāng)距離均不變時(shí)，

若改變衍射孔徑的大小，也會(huì)使考察點(diǎn)的光強(qiáng)有明暗交替的變化。

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圖2.菲涅耳波帶法示意圖

4.實(shí)驗(yàn)器材

激光器（含夾持裝置）、針孔濾波器（包括三維調(diào)節(jié)支架、擴(kuò)束物鏡和針孔）、準(zhǔn)直

透鏡、小孔光闌、狹縫、觀察屏（含干板夾）、中間帶有小孔的分劃板及其支桿、套筒、

滑塊等。

5.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1）打開激光器，調(diào)節(jié)使激光束平行于導(dǎo)軌并在觀察屏上做好標(biāo)記（調(diào)節(jié)方法同實(shí)

驗(yàn)一），然后調(diào)節(jié)所有可能用到的器件的高度和角度使它們均與激光束等高或共軸（調(diào)

節(jié)順序同實(shí)驗(yàn)二），衍射屏可選用狹縫或小孔光闌；

2）按圖3所示的相對(duì)位置搭建光路（實(shí)驗(yàn)中采用導(dǎo)軌，針孔濾波器中可不加針孔

僅作為擴(kuò)束鏡使用，也可加針孔以獲取更好的實(shí)驗(yàn)效果），調(diào)整擴(kuò)束鏡和準(zhǔn)直透鏡的相

對(duì)位置使激光擴(kuò)束，但注意不要調(diào)成平行光，前后調(diào)節(jié)衍射屏或觀察屏的位置，直至觀

察到衍射屏的菲涅耳衍射圖樣（注意區(qū)分菲涅爾衍射圖樣與夫瑯和費(fèi)衍射圖樣），記錄

各元件位置及此時(shí)觀察到的現(xiàn)象;

3）固定衍射屏的位置，移動(dòng)觀察屏使其先遠(yuǎn)后近地移動(dòng)，觀察并記錄衍射圖樣的

變化規(guī)律（注意圖樣的對(duì)稱性、條紋數(shù)目、中心點(diǎn)強(qiáng)度的變化等）；

4）固定觀察屏的位置，改變衍射屏與光源的距嗡，觀察并記錄衍射圖樣的變化規(guī)

律，并與第3步的結(jié)果做比較（除上述幾點(diǎn)外，還需注意衍射斑整體大小的變化）。

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圖3.菲涅耳衍射實(shí)驗(yàn)裝置參考圖

注意：小孔光闌尺寸較大時(shí)將難以觀察到菲涅耳衍射現(xiàn)象，此時(shí)可自制一個(gè)微孔代

替，即用大頭針輕輕在紙上刺出一個(gè)小孔，并將該紙粘貼在小孔光闌或其它支架上。

6.思考題

1）為什么強(qiáng)調(diào)“不要調(diào)成平行光”？如果調(diào)成平行光照射在衍射屏上，有可能觀

察到菲涅爾衍射圖樣嗎？你認(rèn)為實(shí)驗(yàn)中準(zhǔn)直透鏡的作用是什么？可否不用？

2）假如小孔和狹縫的尺寸可以改變，衍射圖樣會(huì)發(fā)生何種變化？假如將狹縫順時(shí)

針旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。呢？

實(shí)驗(yàn)五夫瑯和費(fèi)衍射實(shí)驗(yàn)

1.引言

利用惠更斯原理，可以定性地從某時(shí)刻的已知位置的波陣而求出后面另一時(shí)刻的光

所在位置的波陣面，即確定光波從一個(gè)時(shí)刻到另一個(gè)時(shí)刻的傳播，因此可以用來(lái)說(shuō)明衍

射現(xiàn)象的存在。但惠更斯原理的子波假設(shè)不涉及子波的強(qiáng)度和相位，因而無(wú)法解釋衍射

圖樣中的光強(qiáng)分布。菲涅耳在惠更斯的子波假設(shè)基礎(chǔ)上，提出了“子波相干疊加”的思

想，從而建立了反映光的衍射規(guī)律的惠更斯-菲涅耳原理，即波陣面前方空間某點(diǎn)處的

光振動(dòng)取決于到達(dá)該點(diǎn)的所有子波的相干疊加。在此原理基礎(chǔ)上，可推導(dǎo)得到惠更斯-

菲涅耳原理的數(shù)學(xué)表達(dá)式C基爾霍夫從波動(dòng)微分方程出發(fā)，進(jìn)一步確定了式中傾斜因子

和常數(shù)的具體形式，從而得到了菲涅耳-基爾霍夫衍射公式，并可在不同的近似條件下

歸納出在兩類不同的衍射現(xiàn)象，即菲涅耳衍射和夫瑯和費(fèi)衍射。夫瑯和費(fèi)衍射是光源?

衍射屏和衍射屏-觀察屏的距離均為無(wú)限遠(yuǎn)的衍射。

2.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

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1）熟悉產(chǎn)生夫瑯和費(fèi)衍射的常用光路;

2）觀察和驗(yàn)證單縫和圓孔的夫瑯和費(fèi)衍射現(xiàn)象；

3）驗(yàn)證夫瑯和費(fèi)衍射圖樣的若干變化規(guī)律。

3.基本原理

嚴(yán)格來(lái)講，產(chǎn)生夫瑯和費(fèi)衍射要求光源和觀察屏均要放置在距離衍射屏無(wú)限遠(yuǎn)的地

方，這實(shí)際上是辦不到的，因此，這只能算是產(chǎn)生夫瑯和費(fèi)衍射的嚴(yán)格定義裝置。實(shí)際

實(shí)驗(yàn)中，光源距衍射屏無(wú)限遠(yuǎn)可采用平面波照明來(lái)實(shí)現(xiàn)，而觀察屏的位置，只要根據(jù)夫

瑯和費(fèi)的近似條件，相對(duì)而言足夠遠(yuǎn)，便可認(rèn)為是夫瑯和費(fèi)衍射，即：

（X：+）『）max

zi?

A

其中Z1為衍射屏到觀察屏的距離，（處,》）為衍射孔徑內(nèi)任一點(diǎn)的坐標(biāo)。

另一方面，也可以采用會(huì)聚透鏡將無(wú)限遠(yuǎn)處的衍射圖樣映射到透鏡的后焦面進(jìn)行觀

察，即實(shí)際的常用光路如圖1所示，采用平面波照明衍射屏，并在透鏡后焦面接收和觀

察衍射圖樣，這樣可以大大縮短實(shí)驗(yàn)裝置的長(zhǎng)度，在有限遠(yuǎn)距離內(nèi)觀察到本應(yīng)產(chǎn)生在無(wú)

限遠(yuǎn)處的夫瑯和費(fèi)衍射圖樣。

圖1.夫瑯和費(fèi)衍射的常用光路

單縫的夫瑯和費(fèi)衍射圖樣的特點(diǎn)是：衍射斑條紋方向與狹縫方向平行，各級(jí)衍射斑

沿與狹縫垂直的方向排布，中央有一個(gè)特別明亮的亮條紋，兩側(cè)排列著一些強(qiáng)度較小的

亮條紋，且絕大部分光能落在中央亮條紋上。相鄰的亮條紋之間有一暗條紋，如以相鄰

暗條紋之間的間隔作為亮條紋的寬度，則除了中央亮條紋以外的其它亮條紋均是等寬

的，而中央亮條紋的寬度是其它亮條紋寬度的兩倍，其值與波長(zhǎng)成正比，與狹縫的寬度

成反比，因此當(dāng)縫寬變大時(shí)，衍射斑的分布范圍將整體變小。

圓孔的夫瑯和費(fèi)衍射圖樣的特點(diǎn)是：中心為一亮的圓斑，稱為愛里斑，其周圍環(huán)繞

著一些明暗相間的圓環(huán)，其亮環(huán)的亮度與愛里斑相比要低得多。愛里斑中心是幾何光學(xué)

像點(diǎn)，衍射光束加分布的彌散程度可用愛里斑的大小，即第一暗環(huán)的角半徑△乘衡量：

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其中。為圓孔直徑。值得注意的是，衍射圖樣中的亮斑與亮環(huán)的邊緣都不清晰，而

是緩慢變化的，其光強(qiáng)分布與單縫的衍射圖樣很相似，可以看成是將單縫衍射圖樣繞入

射光的軸線旋轉(zhuǎn)一周而成；但衍射圖樣的線度卻與具有和圓孔直徑相等寬度的單縫衍射

圖樣的線度大不相同。

4.實(shí)驗(yàn)器材

激光器（含夾持裝置）、針孔濾波器（包括三維調(diào)節(jié)支架、擴(kuò)束物鏡和針孔）、狹縫、

小孔光闌、準(zhǔn)直透鏡、雙凸透鏡、觀察屏（含干板夾）、中間帶有小孔的分劃板及其支

桿、套筒、滑塊等。

5.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1）打開激光器，調(diào)節(jié)使激光束平行于導(dǎo)軌并在觀察屏上做好標(biāo)記（調(diào)節(jié)方法同實(shí)

驗(yàn)一），然后調(diào)節(jié)所有可能用到的錯(cuò)件的高度和角度使它們均與激光束等高或共軸（調(diào)

節(jié)順序同實(shí)驗(yàn)二；擴(kuò)束鏡的調(diào)節(jié)可在第2步完成之后再做）；

2）首先將細(xì)激光束直接照射到狹縫上，并調(diào)整好狹縫的高度和左右位置，使激光

束照射到狹縫的中間部分，調(diào)整狹縫的寬度使其大約在（）.1mm量級(jí)，在距離狹縫約2m

處用觀察屏接收衍射圖樣，觀察并記錄觀察到的現(xiàn)象;然后稍微改變狹縫的寬度，觀察

并記錄衍射斑的變化規(guī)律;

3）在光路中加入擴(kuò)束鏡（針孔濾波器中可不加針孔僅作為擴(kuò)束鏡使用，也可加針

孔以獲取更好的實(shí)驗(yàn)效果〕和準(zhǔn)直透鏡，調(diào)整二者的相對(duì)位置使激光擴(kuò)束并準(zhǔn)直成平行

光束（調(diào)節(jié)方法同實(shí)驗(yàn)三）后照射到狹縫上，在遠(yuǎn)處觀察其夫瑯和費(fèi)衍射圖樣，記錄觀

察到的現(xiàn)象;

4）在狹縫后方再加入雙凸透鏡（各器件的相對(duì)位置如圖3所示），在透鏡后焦面處

觀察夫瑯和費(fèi)衍射圖樣，記錄觀察到的現(xiàn)象，并與在遠(yuǎn)處觀察到的結(jié)果進(jìn)行比較（注意

衍射斑整體大小的變化）：稍微改變狹縫的寬度，觀察并記錄衍射圖樣的變化規(guī)律:

5）（選做內(nèi)容）改變狹縫方向（如由垂直改為水平方向），觀察并記錄衍射圖樣的

變化規(guī)律;

6）（選做內(nèi)容）將衍射屏改為小孔光闌，重復(fù)第2-4步，觀察衍射圖樣并記錄現(xiàn)象。

注意：若小孔光闌尺寸太大觀察不到衍射現(xiàn)象，可自制一個(gè)微孔代替。自制孔若規(guī)

范，則會(huì)出現(xiàn)規(guī)則的衍射圓環(huán)；但一般自制孔并不很圓，觀察并記錄衍射圖樣的形狀。

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圖2.夫瑯和費(fèi)衍射實(shí)驗(yàn)裝置參考圖

6.思考題：

1）同一個(gè)衍射屏（如狹縫或小孔光闌）的夫瑯和我衍射與薩涅耳衍射圖樣有何異

同？結(jié)合上次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果簡(jiǎn)單做個(gè)比較分析。

2）當(dāng)狹縫在自身平面內(nèi)發(fā)生平移時(shí)，夫瑯和費(fèi)衍射圖樣的位置和形狀會(huì)發(fā)生怎樣

的變化？當(dāng)采用傾斜的平面波照射孔徑時(shí)，又會(huì)發(fā)生怎樣的變化？有沒有可能在實(shí)驗(yàn)中

驗(yàn)證這兩項(xiàng)？

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實(shí)驗(yàn)六阿貝?波特實(shí)驗(yàn)

1.引言

阿貝于1873年在顯微物鏡成像理論的論述中首次提出了頻譜的概念和二次衍射成

像的理論，隨后波特用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了阿貝成像理論。阿貝成像原理和阿貝-波特實(shí)驗(yàn)在傅

里葉光學(xué)的早期發(fā)展史上具有非常重要的地位。阿貝?波特實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單漂亮，卻對(duì)相干成

像的機(jī)理、頻譜的分析和綜合原理做出了深刻的解釋，也為空間濾波和進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)光學(xué)

信息處理提供了有益的啟示。阿貝-波特實(shí)驗(yàn)中采用簡(jiǎn)單掩模板作為低通、高通、帶通

或方向空間濾波器的方法，直到今天在圖像處理中仍然有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。重現(xiàn)該實(shí)

驗(yàn)?zāi)茉黾訉?duì)空間頻譜和空間濾波相關(guān)知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)，起到加深理解的作用。

2.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1）觀察正交光柵的頻譜分布，加深對(duì)空間頻率和頻譜的認(rèn)識(shí)；

2）重現(xiàn)阿貝-波特實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)空間濾波相關(guān)概念的理解。

3.基本原理

根據(jù)阿貝成像原理，用相干光照明物體經(jīng)由凸透鏡成像的過程可分為兩步：第一步,

凸透鏡把物平面上的光場(chǎng)分布g（x,y）產(chǎn)生的衍射光變?yōu)橥哥R后焦面上的頻譜分布G樂,

於,其中無(wú)、赤分別為x、j方向的空間頻率，在數(shù)學(xué)上函數(shù)G為g的傅里葉變換，此時(shí)

透鏡后焦面也稱為頻譜面；第二步，后焦面上不同頻譜分量的光場(chǎng)繼續(xù)往前傳播，經(jīng)菲

涅耳衍射過程后在像平面上重新疊加還原為放大或縮小的像光場(chǎng)分布g（K/）,數(shù)學(xué)上

即為G的逆傅里葉變換。如圖1所示。

圖1.阿貝成像原理示意圖

阿貝-波特實(shí)驗(yàn)（如圖2所示）采用平面單色波垂直照明一透明物體（如正交光柵,

其頻譜分布如圖3所示），并在透鏡后焦面（頻譜面）上放置狹縫、圓孔、圓屏等掩模

17

板來(lái)改變物體的頻譜分布，從而在像平面上觀察到物體像的變化。該實(shí)驗(yàn)不僅有力地證

明了阿貝的成像理論，同時(shí)也為空間濾波提供了很好的思路，即通過改造頻譜來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)

輸入的圖像或其它光學(xué)信息進(jìn)行處理。這些能夠改變頻譜分布的掩模板稱為空間濾波

器，最簡(jiǎn)單的濾波器就是類似阿貝-波特實(shí)驗(yàn)中所用的一些特殊形狀的光闌，它可以使

頻譜面上的某些頻率成分透過而擋住其它頻率成分，例如圓孔光闌可作為低通濾波器，

圓屏可作為高通濾波器，而狹縫可作為方向?yàn)V波器等。

像平面

圖2.阿貝-波特實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖3.正交光柵的頻譜圖

4.實(shí)驗(yàn)器材

激光器（含夾持裝置〕、針孔濾波器（包括三維調(diào)節(jié)支架、擴(kuò)束物鏡和針孔）、準(zhǔn)直

透鏡、正交光柵、傅里葉變換透鏡（或雙凸透鏡）、狹縫、小孔光闌、觀察屏（含干板

夾）、中間帶有小孔的分劃板及其支桿、套筒、滑塊等。

5.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1）打開激光器，調(diào)節(jié)使激光束平行于導(dǎo)軌并在觀察屏上做好標(biāo)記（調(diào)節(jié)方法同實(shí)

驗(yàn)一），然后調(diào)節(jié)所有可能用到的器件的高度和角度使它們均與激光束等高或共軸（調(diào)

節(jié)順序同實(shí)驗(yàn)二）；

2）根據(jù)圖2的示意圖自行設(shè)計(jì)并搭建阿貝-波恃實(shí)驗(yàn)的基本光路（暫不加空間濾波

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器），調(diào)整物距和像距使觀察屏上能得到正交光柵的清晰放大像（注意凸透鏡成放大實(shí)

像的條件），記錄成像條件（物距、焦距、像距等）和觀察到的現(xiàn)象;

3）在傅里葉變換透鏡和像平面之間前后移動(dòng)觀察屏，直至觀察到清晰的頻譜點(diǎn)分

布，確定頻譜面位置，記錄該位置和觀察到的現(xiàn)象;

4）在頻譜面位置加入狹縫作為空間濾波器，調(diào)節(jié)狹縫位置和縫寬，使頻譜面上包

含0級(jí)在內(nèi)的列（或行）頻譜點(diǎn)通過，觀察并記錄像平面上圖像的變化，然后將狹

縫的方向轉(zhuǎn)過90。，重復(fù)該過程;

5）將狹縫替換成小孔光闌（若小孔光闌太大，可自制一個(gè)微孔代替），調(diào)節(jié)小孔位

置和直徑，使頻譜面上僅有（）級(jí)斑能通過，觀察并記錄像平面上圖像的變化，然后稍微

增大孔徑，使0級(jí)和±1級(jí)斑都能通過，重復(fù)該過程。

6?思考題

1）在阿貝-波特實(shí)驗(yàn)中，即使木加空間濾波器，像平面上觀察到的正交光柵放大像

其線條邊緣也不是特別清晰，試解釋原因（提示：考慮透鏡孔徑）；

2）假設(shè)物平面上是一個(gè)背景有均勻網(wǎng)格的小鳥織案，則應(yīng)采用何種空間濾波器以

消除網(wǎng)格？濾波后小鳥圖案有何變化？為什么？

3）假設(shè)物平面上是一個(gè)線寬約0.5mm的“十”字圖形，若采用小圓屏作為高通濾

波器僅擋住0級(jí)斑點(diǎn)，像平面上的圖像將有何變化？為什么？

實(shí)驗(yàn)七

馬呂斯定律的驗(yàn)證和偏振光變換實(shí)驗(yàn)

1.引言

光的干涉和衍射現(xiàn)象說(shuō)明光具有波動(dòng)性，而光的偏振和光在各向異性晶體中的雙折

射現(xiàn)象進(jìn)一步證實(shí)了光的橫波性。就偏振性而言，光一般可分為偏振光、自然光和部分

偏振光（可看成“自然光-偏振光”）。偏振光是指光矢量的方向和大小都有規(guī)則變化的

光，根據(jù)其變化規(guī)律的不同又可分為線偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光。普通光源發(fā)出

的光是自然光而非偏振光，但可通過線偏振器從自然光里獲取線偏振光。這些器件用于

將自然光變?yōu)榫€偏振光的稱為起偏器，而用于檢驗(yàn)線偏振光的則稱為檢偏器。入射光經(jīng)

過一對(duì)起偏器和檢偏器后，其透射光強(qiáng)將隨兩器件透光軸夾角的變化而變化，這就是馬

呂斯定律，它是偏振光的一個(gè)基本定律，對(duì)馬呂斯定律的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)可增加學(xué)生對(duì)光的偏

振特性和偏振器件透光軸等相關(guān)知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)，加深學(xué)生對(duì)光的偏振現(xiàn)象的理解。而

19

波片作為偏振光中常用的另一類器件，能夠使入射偏振光的兩個(gè)互相垂直的線偏振分量

之間的相位差發(fā)生變化，從而改變光的偏振態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同偏振光之間的變換，與線偏

振器結(jié)合還可以用于檢驗(yàn)光的偏振態(tài)。

2.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1）觀察光的偏振現(xiàn)象，加深對(duì)光偏振特性的理解；

2）掌握線偏振光的產(chǎn)生及檢驗(yàn)方法，半定量驗(yàn)證馬呂斯定律；

3）利用波片改變光的偏振態(tài)，學(xué)習(xí)對(duì)偏振光進(jìn)行變換和檢驗(yàn)的方法。

3.基本原理

3.1馬呂斯定律及在偏振光檢驗(yàn)中的應(yīng)用

馬呂斯定律告訴我們，當(dāng)從起偏器出射的強(qiáng)度為/o的線偏振光通過檢偏器時(shí)（如圖1

所示），其透射光強(qiáng)/滿足；

2

/=/0COS<9

其中四起偏器透光軸與檢偏器透光軸之間的夾角。因此，轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器時(shí)透射光強(qiáng)

的大小將隨檢偏器透光軸的改變而變化：當(dāng)?0。時(shí)，透射光強(qiáng)度最大；當(dāng)生90。時(shí)，透

射光強(qiáng)度最?。础跋狻睜顟B(tài)）；而當(dāng)0。＜/90。時(shí)，透射光強(qiáng)度介于最大值和最小值

之間。利用該性質(zhì)可檢驗(yàn)入射光是否線偏振光（線偏振光有消光現(xiàn)象），而對(duì)于不是線

偏振光的情形，還可以根據(jù)是否有光強(qiáng)變化將其偏振態(tài)區(qū)分為兩大類，即：若旋轉(zhuǎn)檢偏

器時(shí)光強(qiáng)有強(qiáng)弱變化但沒有消光現(xiàn)象，則入射光可能為橢圓偏振光、部分線偏振光或部

分橢圓偏振光；若旋轉(zhuǎn)檢偏器時(shí)光強(qiáng)完全沒有變化，則入射光可能為自然光、圓偏振光

或部分圓偏振光。此時(shí)可借助1/4波片改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)，再用檢偏器進(jìn)行區(qū)分。

光電接收器

20

圖1.驗(yàn)證馬呂斯定律的裝置示意圖

3.2波片的作用及偏振光的變換和檢驗(yàn)

波片也稱相位延遲器，它能使偏振光的兩個(gè)互相垂直的線偏振分量之間的相位差發(fā)

生變化，從而改變光的偏振態(tài)。如圓偏振光垂直通過一個(gè)1/4波片時(shí)將變成線偏振光，線

偏振光通過一個(gè)快軸或慢軸與該線偏振光的振動(dòng)方向（即產(chǎn)生該線偏振光的起偏器透光

軸方向）成45。角的1/4波片時(shí)將變成圓偏振光，而若上述夾角不剛好為45?；颍═,則將變

成橢圓偏振光，等等。幾種偏振光的產(chǎn)生和它們之巨的變換方法，如表1所示。

表1.偏振光的產(chǎn)生與變換

^換后

變換謫'\線偏振光圓偏振光橢圓偏振光

先通過一個(gè)起偏器，再通先通過一個(gè)起偏器，再通

自然光通過起偏器過一個(gè)快/慢軸與起偏器成過一個(gè)快，慢軸與起偏器不

土45。的矛4波片成±45?；?。的/4波片

通過一快/慢軸與起偏

通過一個(gè)快/慢軸與起

—不成士45?；?。的加4

線偏振光偏錯(cuò)成。的力波片

754波片

先通過44波片變?yōu)榫€

偏振光，再通過快，喂

圓偏振光通過一個(gè)力4波片—

軸與起偏器不成±45。

或0。的"4波片

先通過2/4波片變?yōu)榫€

偏振光，再通過快，慢

橢圓偏振光通過快，慢軸與橢圓的—

長(zhǎng)，短軸一致的右4波片軸與線偏振光成±45。

的波片

這樣，對(duì)于直接用檢偏器無(wú)法完全區(qū)分偏振態(tài)的情形，在檢