光学实验 课程教学大纲一、课程说明（一）课程名称、所属专业、课程性质、学分；课程名称：普通物理光学实验所属专业：物理学、原子核物理等课程性质：必修学 分：4（二）课程简介、目标与任务；光学实验是普通物理实验的最后一个阶段。经过前面两个学期的实验训练（力热实验、电磁学实验），对物理实验的基本原理、方法和手段有了初步的了解以后，本课程期对光学的主要原理、现象、应用以及基本的光学实验思想、方法和仪器等有一定程度的了解，并在此基础上，综合引申提高，为进一步的理论学习、实验训练和科学研究打下坚实的基础。（三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接；原则上选修该实验课程的同学应已经按要求修完物理专业光学课程以及普通物理力学实验、普通物理电磁学实验并取得相应学分。对实验的数据处理，一般的实验方法、原理及仪器有相当程度的掌握。（四）教材与主要参考书。教 材：李健等，基础物理实验，兰州：兰州大学出版社，2012.主要参考书：杨葭荪译，光学原理，北京：科学出版社，1978. 钟锡华，现代光学基础，北京：北京大学出版社，2003. 吕斯骅，段家忯，基础物理实验，北京：北京大学出版社，2002. 朱鹤年，新概念物理测量引论，北京：高等教育出版社，2007.二、课程内容与安排（一）教学方法与学时分配实验课程，讲授与实验操作相接结合，根据学时要求安排若干必修实验题目和选修题目。必修每个实验4学时，选修实验学时视具体内容而定，一般不低于每个实验4学时。（二）内容及基本要求绪论课：光学实验基础知识实验 一：薄透镜主焦距的测定 【实验目的】： 1、掌握薄透镜焦距测定的基本原理和方法，学会在光具座上的各光学元件的共轴调节； 2、掌握透镜的成像性质； 3、了解视差在光学实验中的应用。 【仪器用具】：光学导轨、光具座、白光光源（含滤光片及毛玻璃）、光屏、平面镜、被测透镜等。 【教学要求】：透镜成像规律，自准原理，共轴调节，判断误差、系统误差及其消除；像缺，伪像，视差法及其应用。 【实验内容】： 1、两次成像法调节光具座上各光学元件共轴； 2、自准法、位移法测量正透镜的焦距； 3、视差法、组合法测量负透镜的焦距； 4、成像规律研究。实验 二：分光计的调节与使用 【实验目的】： 1、了解分光计的结构和各部件的使用； 2、掌握分光计的调节要求和调节方法； 3、学会用分光计测量角度。 【仪器用具】：分光计（含平面镜）、钠光灯、三棱镜等。 【教学要求】：光谱仪器的基本结构、分光计的基本组成，分光计的调节要求及其调节原理，视度、聚焦、自准、共轴、视差法等光学实验基本调节方法在分光计调节中的应用，渐近法、降维调节，角度测量方法，投影误差、偏心差及其消除方法。 【实验内容】： 1、用渐近法调节分光计； 2、自准法测量三棱镜的顶角； 3、反射法测量三棱镜的顶角。实验 三：用分光计测量物质的折射率 【实验目的】： 1、学会用最小偏向角法和折射极限法测量物质的折射率； 2、进一步熟练分光计的调节和使用。 【仪器用具】：分光计（含平面镜）、钠光灯、三棱镜、毛玻璃、滴瓶等。 【教学要求】：最小偏向角法，折射极限法，常用折射计的结构及原理。 【实验内容】： 1、用最小偏向角法测量三棱镜折射率； 2、用折射极限法测量三棱镜的折射率； 3、用折射极限法测量蒸馏水的折射率。实验 四：牛顿环 【实验目的】： 1、掌握用牛顿环测定透镜曲率半径的方法； 2、通过实验加深对等厚干涉原理的理解； 【仪器用具】：读数显微镜、钠光灯、牛顿环仪、计算机自动采集系统。 【教学要求】：等厚干涉、牛顿环及其特点、光学检测、半波损、逐差法、读数显微镜的使用、回程差、实验中各种误差来源及消除（减小）方法。 【实验内容】： 1、通过测量牛顿环直径计算透镜曲率半径； 2、透镜凸面偏离球面的检测。实验 五：迈克尔逊干涉仪（一）【实验目的】： 1、了解迈克尔逊干涉仪的结构并掌握其调节方法； 2、观察非定域干涉条纹，测定He-Ne激光波长； 3、观察等倾干涉条纹； 4、观察Na光条纹可见度变化规律，测量Na光D双线波长差。【仪器用具】：迈克尔逊干涉仪、光学导轨及光具座、短焦距透镜、毛玻璃屏、升降台、钠光灯等。【教学要求】：迈克尔逊干涉仪结构及基本调节方法，等倾干涉，波长及光谱精细结构测量方法。 【实验内容】：1、调出并观察非定域干涉条纹；2、测定He-Ne激光波长；3、调出等倾干涉条纹观察条纹随光程差的变化规律；4、测量Na光双线波长差。实验 六：迈克尔逊干涉仪（二）【实验目的】：1、观察等厚干涉条纹、白光干涉条纹；2、学会利用M-干涉仪测定透明物体厚度和气体折射率；3、加深对相干长度和相干时间概念的理解。【仪器用具】：迈克尔逊干涉仪、光学导轨及光具座、短焦距透镜、毛玻璃屏、升降台、白炽灯、钠光灯、盖玻片、气室等。【教学要求】：等厚干涉，定域面，白光干涉，精确测长、气体折射率测量的一般方法，相干长度及其测量方法。【实验内容】：1、调节并观察等厚干涉条纹；2、观察白光干涉条纹；3、测量固体薄片厚度；4、测量空气折射率；5、测量Na光的相干长度。实验 七：衍射光栅【实验目的】：1、了解光栅的分光原理；2、观察光栅光谱的特点；3、测定光栅常数、角色散率和色分辨本领；4、复习分光计的调节和使用。【仪器用具】：分光计（含平面镜）、水银灯、光栅等。【教学要求】：光栅及其类型，光栅常数，光栅光谱，光栅方程，分光本领，角色散、色分辨，瑞利判据，最小偏向角法，波长测量。【实验内容】：1、调节并观察衍射光栅光谱；2、测定光栅常数及角色散本领；3、测定光波波长及色分辨本领；4、观察棱镜光谱，并比较光栅光谱与棱镜光谱的各自特点；5、用最小偏向角法测量光波长。实验 八：全息照相【实验目的】：1、了解全息照相的原理；3、掌握拍摄全息图和在现物波前的方法。【仪器用具】：全息台、光具座、激光光源、定时曝光器、分束镜、反射镜、光屏、透镜、小物体、全息干板等。【教学要求】：全息术的一般原理及其主要应用，离轴全息光路安排，成功拍摄全息图要保证的基本条件，全息照相与普通照相的主要区别。【实验内容】：1、布置光路并拍摄全息图；2、暗室处理（显影、定影）获得全息照片；3、再现原物立体像。实验 九：全息光栅【实验目的】：了解全息光栅的制作原理；掌握扩束、准直的调节方法；学会自制满足一定要求的全息光栅。【仪器用具】：全息台、光具座、激光光源、定时曝光器、分束镜、反射镜、光屏、透镜等。【教学要求】：全息光栅制作原理，光路调节要求，准直、共轴、平行的调节及判断，曝光及冲洗注意事项。【实验内容】：1、安排光路拍摄全息光栅潜像；2、暗室处理（显影、定影、漂白）获得全息光栅；3、在分光计上测量光栅常数并分析偏差原因。实验 十：阿贝成像原理与空间滤波【实验目的】：1、了解阿贝成像原理，傅立叶变换在光学成像系统中的应用；3、加深对光学空间频谱和空间滤波概念的理解。【仪器用具】：光学导轨、光具座、激光光源、减光片、透镜、滤波器、光屏、白光光源、调制板等。【教学要求】： 阿贝成像原理、傅立叶光学、空间滤波、显色滤波。【实验内容】：1、阿贝成像原理实验；2、高频滤波；3、低频滤波；4、调制实验。实验十一：光偏振的基本现象【实验目的】：1、观察光的偏振现象；2、加深对菲涅耳公式的理解；3、了解产生和检验偏振光的基本方法；4、观察双折射现象。【仪器用具】：光学平台、光具座、偏振片、波片、激光光源、光屏等。【教学要求】：光的各种宏观偏振态及其产生、转化和检验，马吕斯定律、布儒斯特定律，产生线偏振光的几种实验方法，常用偏振器件，双折射现象，偏振光的干涉，显色偏振，光测弹性。【实验内容】：验证布儒斯特定律；1、验证菲涅耳公式；2、观察双折射现象；3、观察偏振光的干涉现象；4、产生和检验光的各种偏振状态；5、显色偏振。实验十二：光电效应【实验目的】：1、通过光电管I-U特性曲线的测定，熟悉光电效应的规律；2、了解光的量子性，测定金属的红限频率；3、验证爱因斯坦光电效应，测定普朗克常数。【仪器用具】：光电效应实验系统、水银灯、干涉滤波片、减光片等。【教学要求】：光电效应的基本实验规律，减速电位法测量原理，暗电流、反向饱和电流及阴极氧化的影响，拐点法、交点法，干涉滤光，光电效应实验装置操作注意事项。【实验内容】：1、观测并记录光电管暗电流；2、测量光电管的伏安特性3、处理数据，获得金属红限频率及普朗克常量。实验十三：光通讯与激光窃听【实验目的】：1、了解光传输信号的一般原理及方法;2、掌握激光监听的原理及基本装置。【仪器用具】：光通讯实验系统【教学要求】：光通讯的基本原理、装置，光电转换，激光监听原理，监听光路安排要求。【实验内容】：1、给定光源通讯的对比研究;2、信号传输； 3、安排调试光路获得监听信号；4、研究监听效果与光路各参数之间的关系。实验十四：数字全息【实验目的】：1、了解数字全息术的基本原理；2、掌握一些简单的全息干涉测量方法；3、深入训练光学系统的调整。【仪器用具】：数字全息实验仪【教学要求】： 维形貌测量、物体形变测量、粒子场测试、数字全息显微、防伪、三维图像识别、医学诊断【实验内容】： 透射式数字全息、反射式数字全息、温度场测量、应力场测量、物体微小位移形变测量。实验十五：相衬法【实验目的】：了解相衬法的基本原理、熟悉相衬显微镜的使用。【仪器用具】：相衬显微镜、透明样品等。【教学要求】： 傅立叶光学、滤波、相衬法、相衬显微镜。【实验内容】： 自行设计实验内容。实验十六：光学传递函数与像质评价【实验目的】：1、深入了解光学传递函数的基本理论；2、了解光学传递函数测量的基本原理；3、掌握传递函数的测量和像质评价的基本方法。【仪器用具】：光学传递测量系统【教学要求】：像质评价、光学传递函数、MTF曲线。【实验内容】：自行设计实验内容。实验十七：自组装显微镜与望远镜【实验目的】：1、了解助视仪器的基本结构及原理;2、掌握简单的显微镜与望远镜的组装技术。【仪器用具】：光学平台、光具座、透镜、白光光源、分化板、半透半反镜、平面镜、光屏等。【教学要求】：显微镜望远镜的设计原理，色差、像差，显微镜的分辨本领、望远镜的分辨本领。【实验内容】：1、组装简单的显微镜及望远镜并测量其放大率;2、研究助视仪器成像及放大率与各参数之间的关系。实验十八：光的衍射【实验目的】：1、学习光学平台上的实验光路的安排与调节；2、了解利用计算机自动控制测量光强的原理和方法；3、加深对衍射现象的理解。【仪器用具】：衍射光强记录仪、衍射元件。【教学要求】：衍射、衍射光强分布、光强测量。【实验内容】：1、在光学平台上进行光路的组装和调节；2、