1、目 录 光学实验基础知识 .1 一、光学实验常用仪器 .1 二、光学实验中常用光源 .13 三、光学仪器的正确使用与维护 .15 实验一 脉冲调 Q ND：YAG 激光器 .17 实验二 脉冲 ND：YAG 激光倍频 .23 实验三 共焦球面扫描干涉仪与氦氖激光器光束的模式分析 .27 实验四 阿贝成像原理和空间滤波 .32 实验五 声光调制 .36 实验六 电光调制 .44 实验七 显微镜的组装与调试 .55 实验八 麦克尔逊干涉仪测定空气折射率 .57 实验九 偏振光的产生和检测 .60 实验十 光栅光谱仪 .66 实验十一 掺铒光纤放大器（EDFA）实验 69 实验十二 椭圆偏振仪测量薄
2、膜厚度和折射率 77 实验十三 双光纤 MACH-ZEHNDER 干涉传感实验 .86 实验十四 薄透镜焦距测量实验 91 1 光学实验基础知识 光学是物理学中最古老的一门学科，也是当前学科领域中最活跃的前沿阵地之一，具有 强大的生命力和不可估量的发展前途。它和其它学科一样，也是经过长期的实践，在大量的 实验基础上逐步发展和完善的。虽然它的理论成果、新型光学实验技术的内容十分丰富，但 是经典的实验方法仍是现代物理实验最基本的内容，因此，作为基础的光学实验课，学习的 重点仍应该是学习和掌握光学实验的基本知识、基本方法以及培养基本的实验技能，通过研 究一些基本的光学现象，加深对经典光学理论的理解，
3、提高对实验方法和技术的认识。 一、光学实验常用仪器 光学实验仪器可以扩展和改善视角的观察以弥补视角的局限性。构成光学仪器的主要元 件有透镜、反射镜、棱镜、光栅和光阑等，这些元件按不同方式的组合构成了不同的光学系 统。光学仪器可以粗分为助视仪器（放大镜、显微镜、望远镜） ，投影仪器（放影机、投影 仪、放大机、照相机）和分光仪器（棱镜分光系统、光栅分光系统） 。下面介绍部分常用的 光学仪器，主要介绍光学实验中常用仪器的构造、调节和光学实验中的常用光源。 （一）助视仪器 放大镜和视角放大率 凸透镜作为放大镜是最简单的助视仪器，它可以增大眼睛的观察视角。设原物体长度为 ，放在明视距离处（距离眼睛 25
4、 厘米处） ，眼睛的视角为 ；通过放大镜观察，成像仍AB 0 在明视距离处，此时眼睛的视角为 ，如图 1 所示。 与 之比称为视角放大率 。 M （1）0M 因为 fABAB25,0Acm250BA图 AB“BA 2 所以 。 fABM25/0 （2） （2）式中， 为放大镜焦距， 越短，放大率越高。ff 目镜 图 2 目镜也是放大视角用的仪器。放大镜（放大镜也是最简单的目镜）是用来直接放大实物， 而目镜则是用来放大其它光具组所成的像。一般对目镜的要求是有较高的放大率和较大的视 场角，同时要尽可能校正像差，为此，目镜通常是由两片或更多片的透镜组成。目前应用最 广泛的目镜有高斯目镜和阿贝目镜，如
5、图 2 所示，分别为阿贝目镜和高斯目镜的示意图。图 中的叉丝为测量时的准线，反射镜和小棱镜的作用是改变照明光的入射方向，照亮叉丝。 显微镜 图 3 显微镜由目镜和物镜组成，其光路图如 3 所示。待观察物 置于物镜 的焦平面 之PQ0L0F 外，距离焦平面很近的地方，这样可使物镜所成的实像 ，落在目镜 的焦平面 之内 ee 靠近焦平面处。经目镜放大后在明视距离处形成一放大的虚像 。“ 理论计算可得显微镜的放大率为： （3）00eefsM 式中 是物镜的放大率， 是目镜的放大率， 分别是物镜和目镜的像方焦距， 0MeM,ef 是显微镜光学间隔（ ，现代显微镜均有定值，通常是 17 厘米或 19 厘
6、米 ） ，s 0=-25F0 厘米，为正常人眼的明视距离。由上式可知，显微镜的镜筒越长，物镜和目镜的焦距越短， 3 放大率就越大。一般 取得很短（高倍的只有毫米）而 在几个厘米左右。在镜筒0f ef 长度固定的情况下，如果物镜目镜的焦距给定，则显微镜的放大率也就确定了。通常物镜和 目镜的放大率，是标在镜头上的。 望远镜 望远镜是帮助人眼观望远距离物体，也可作为测量和对准的工具，它也是由物镜和目镜 所组成。其光路图如 4 所示，远处物体 发出的光束经物镜后被会聚于物镜的焦平面 上，PQ0F 成一缩小倒立的实像 ，像的大小决定于物镜焦距及物体与物镜间的距离。当焦平面QP 恰好与目镜的焦平面 重合在
7、一起时，会在无限远处呈一放大的倒立的虚像，用眼睛通0FeF 过目镜观察时，将会看到这一放大且移动的倒立虚像 。若物镜和目镜的像方焦距为正 （两个都是汇聚透镜） ，则为开普勒望远镜；若物镜的像方焦距为正（汇聚透镜） ，目镜的像 方焦距为负（发散透镜） ，则为伽利略望远镜。图 4 为开普勒望远镜的光路图。 由理论计算可得望远镜的放大率为 （4） 0efM 该式表明，物镜的焦距越长、目镜的焦距越短，望远镜的放大率则越大。对开普勒望远 镜 ，放大率 为负值，系统成倒立的像；而对伽利略望远镜 ，()0,0ef )0,0ef 放大率 为正值，系统成正立的像，因实际观察时，物体并不真正位于无穷远，像亦不成M
8、 在无穷远。该式仍近似适用。 （二）常用实验仪器的构造与调节 在光学实验中，常使用的一些基本光学仪器有光具座、测微目镜、读数显微镜及分光仪 等。下面对这几种光学仪器作以简单介绍。 光具座 （）光具座的结构 光具座的主体是一个平直的轨道，有简单的双杆式和通用的平直轨道式两种。轨道的长 度一般为 12 米，上面刻有毫米标尺，还有多个可以在导轨面上移动的滑动支架。一台性 4 能良好的光具座应该是导轨的长度较长，平直度较好，同轴性和滑块支架的平稳性较好。 光学实验室常用的光具座有 型、 型、 型等，它们的结构和调试GJPCXJ 方法基本相同。图 5 显示出 型光具座的结构示意图，它是目前光学实验中比较
9、通用1CXJ 的一种光具座，长 1520 毫米，中心高 200 毫米,精度较高。 （）光具座的调节 将各种光学元件（透镜,面镜等等）组和成特定的光学系统，运用这些光学系统成像时， 要想获得优良的像，必须保持光束的同心结构，即要求该光学系统符合或接近理想光学系统 的条件，这样，物方空间的任一物点，经过该系统成像时，在像方空间必有唯一的共轭像点 存在，而且符合各种理论计算公式。 为此，在使用光具座时，必须进行共轴调节。共轴调节内容包括：所有透镜的主光轴重 合且于光具座的轨道平行，物中心在透镜的主光轴上；物、透镜、屏的平面都应同时垂直于 轨道。这里用两次成像法做以说明，如图 6 所示，当物屏 于像屏
10、 相距 ,且透镜沿QpfD4 主光轴移动时，两次成像位置分别是 、 ，一个是放大的像，一个是缩小的像，若物中1P2 心处于透镜光轴上，大像的中心点 与小像的中心点 重合，若 在 之下（或之右）， 2P12P 则物中心 必在主光轴之上（或之左）。调节时使两次成像中心重合并位于光屏的中心，依 次反复调节，便可调好。 测微目镜 （）测微目镜的构造及读数方法 测微目镜一般作光学精密测量仪器使用，在读数显微镜、调焦望远镜、各种测长仪、测 微准直管上都可装用。测微目镜也可单独使用，主要用来测量由光学系统所成实像的大小。 5 它的测量范围较小，但准确度较高。 下面以实验室常用的 型测微目镜为例，说明它的构造
11、原理和使用方法，15MCU 型测微目镜由目镜光具组、分划板、读数鼓轮和接头等装置组合而成。15MCU ） 型测微目镜的技术指标 测微精度 0.01 毫米 测微鼓轮的分度值 0.01 毫米 测量范围 08 毫米 ） 型测微目镜的外型和构造15MCU 如图 7 和 8 所示。 测微目镜可装配在各种显微镜上和准直管上（或其它类似仪器上）使用。 打开目镜本体匣，可以看到测微目镜的内部结构如图 9 所示。 ）读数方法 毫米刻度的分划尺如图 10 的 a 所示，它被固定在目镜的物方焦面上，在分划板上刻有 竖直双线和十字叉丝，见图 10 的 b，分划尺和分划板之间仅有 0.1 毫米的空隙，因此，若 在目镜中
12、观察，就可看到如图 10 中 c 所示的图案。分划板的框架 1 通过弹簧 4 与测微螺旋 6 的丝杆 5 相连，当测微螺旋（与读数鼓轮相连）6 转动时，丝杆就推动分划板的框架在导轨 3 内移动，这时目镜中的竖直双线和十字叉丝将沿垂直于目镜光轴的平面横向移动。读数鼓 轮每转动一圈，竖线和十字叉丝就移动 1 毫米。由于股轮上的周边叉丝分成 100 小格，因此， 鼓轮每转过一小格，叉丝就移动 0.01 毫米。测微目镜十字叉丝中心移动的距离，可从分划 尺上的数值加上读数鼓轮的读数得到。 （）使用测微目镜时应注意 ）读数鼓轮每转一周，叉丝移动距离等于螺距，由于测微目镜的种类繁多，精度不一， 因此使用时，
13、首先要确定分度值。 ）使用时先调节目镜，使测量准线（叉丝）在视场中清晰可见，再调节物像，使之与 测量准线无视差地对准后,方可进行测量。测量时，必须测量准线的移动方向和被测量的两 点之间连线的方向相平行，否则实测值将不等于待测值。 ）由于分划板的移动是靠测微螺旋丝推动，但螺旋和螺套之间不可能完全密合，存有 间隙。如果螺旋转动方向发生改变，则必须转过这个间隙后，叉丝才能重新跟着螺旋移动， 因此，当测微目镜沿相反方向对准同一测量目标时，两次读数将不同，由此而产生了测量回 程误差。为了防止回程误差，每次测量时，螺旋应沿同一方向旋转，不要中途反向，若旋过 了头，必须退回一圈，再从原方向推进、对准目标、进
14、行重测。 ）旋转测微螺旋时，动作要平稳、缓慢，如已到达一端，则不能再强行旋转，否则会 损坏螺旋。 ）如果测量平面和测微目镜支架的中心面不重合，其间距离在有关计算时，应作相应 的修正。 读数显微镜 读数显微镜是用于精确测量长度的专用显微镜，其形式比较多，物理实验室常用的是 型读数显微镜。BJXD （）主要技术参数 ）测量装置规格 7 物镜 目镜 放大倍 数 焦距 （mm） 放大倍 数 焦距 （mm） 显微镜放大 倍数 工作距 离 （mm） 视场直 径 （mm） 3 3648 30 4748 63 8 198 10 25 80 949 22 ）测量范围： 方向 50 毫米 方向 30 毫米XZ ）
15、最小读数： 方向 0.01 毫米 方向 0.10 毫米 （）仪器结构 型读数显微镜的外形结构如图 11 所示，它是将低倍显微镜安装在精密的螺旋BJXD 测量装置上，转动测微螺旋，显微镜筒能在垂直于光轴的方向上移动，移动的距离可从读数 装置上读出。目镜中装有十字分划板，用来对准测量的目标。 （）调整方法及注意事项 ）测量前应先调节目镜，使测量叉丝在视场中清晰可见。把被测物用压板 10 固定在 工作台上，使被测物表面与镜管 5 的光轴垂直。用小手柄 13 压住支杆 12，粗调工作距离， 使物镜距被测物在 4 厘米内，拧紧大手柄 11 后，再用调焦手轮 17 由近向远进行微调，使清 晰像与测量叉丝无
16、视差地对准后，方可进行测量。 ）测量时，必须使目镜的一根十字叉丝与显微镜的移动方向相垂直。移动显微镜，使 这条叉丝逐次和被测物（像）长度的两端点相重合。若显微镜移动方向与该两点的连线方向 相一致，且显微镜的光轴也垂直于该连线，那么，相应于两次位置的读数之差，为被测两点 8 之间的距离。否则，将使测得值不等待测长度的真实值。 ）由于显微镜的移动也是靠测微螺旋丝杆的推动，因此，读数显微镜和测微目镜一样， 也要防止回程误差，为了减少回程误差，要采用单方向移动测量。 ）使用完毕后，应将仪器归放在原仪器柜中，以免灰尘进入仪器，各种光学零件切勿 随意拆动，以保持仪器的精度。 分光仪 分光仪是一种常用的光学
17、仪器，它实际就是一种精密的测角仪。在几何光学实验中，主 要用来测定棱镜顶角、光束的偏向角等等，而在物理光学中，加上分光元件（棱镜、光栅） 可作为分光仪器，用来观察光谱，测量光谱线的波长等。 例如： 利用光的反射原理测量棱镜的角度；利用光的折射原理测量棱镜的最小偏向角，计算棱 镜玻璃的折射率和色散率；可与光栅配合，作光的衍射实验，测量光波波长和角色散率；若 和偏振片、波片配合，作光的偏振实验等等。 分光仪的型号很多，常用的有 、 两种。FGYJ （）主要技术参数 自准值望远镜 平行光管 刻度盘 载物台 项 目 型 号 物镜 焦距 (mm) 目镜 焦距 (mm) 放大 倍数 物镜 焦距 (mm)
18、狭缝 调节 范围 (mm) 度盘读数 范围 游标 读数 值 最小 读数 值 旋转 角度 升降 范围 (mm) FGY- 01 型 168 24.3 7 168 02 0360 30 15 0360 45 JJY 型 168 24.3 5 168 02 0360 1 30 0360 20 （）分光仪的构造与读数 、 两种型号分光仪的结构、调整方法基本相同。下面以 型分光仪为FGYJ 01FGY 例来说明。 型分光仪由平行光管、自准值望远镜、载物台和光学游标盘（读数装置）等组01 成。其外形结构见图 12 所示。 9 ）底座 底座中心有一竖轴，为仪器的公共轴（主轴） 。 ）平等光管 平等光管的作用
19、是产生一束平行光，它由会聚透 镜和宽度可调的狭缝组成，内部结构图如 13 所示。 当狭缝位于透镜的焦平面时，就能使照射在狭缝上 的光通过该透镜后成为平行光射出。 ）自准值望远镜（阿贝式） 自准值望远镜用于观察。它由阿贝式目镜、物镜、分划板及分划板照明系统构成，内部 结构如图 14 所示。分划板照明系统由分划板边缘处的 全反射小棱镜（表面渡了薄膜）45 和照明光源组成。薄膜上刻画出了一个透光的小十字，照明光源便照亮了此小十字。 13图狭 缝 宽 度 调 节 螺 钉 会 聚 透 镜狭 缝14图物 镜 分 划 板 小 棱 镜5调 焦 螺 母 阿 贝 式 目 镜光 源自 准 直 望 远 镜)(a 分
20、划 板)(b发 光 十 字 10 ）载物台 载物台用于放置三棱镜、光栅等元件，其外形如图 15。载物台分上、下两片圆形铁板， 它们用拉簧连接。上面一块圆板的上部有压住光学零件的压簧片，下部有三个等距设置的螺 钉，把上圆板支撑在下圆板上，用于调节上圆板台面（即载物台表面）的倾斜度。载物台可 以独立地并且可以跟随游标盘一起绕中心轴转动，还可以沿竖直方向作上下升降。 ）光学游标盘及读数原理 光学游标盘用于观察望远镜光轴方位角。它由一个分度盘和沿分度盘边缘对称放置的两 个游标盘及照明光源构成，如图 16 所示。分度盘上均匀地刻有透光的分划线，共分成 360 大格，每大格代表 1 度；每一大格又分成 3
21、 小格，每小格代表 20 分。游标上沿圆弧 13 度， 均匀地分成 20 大格，每一大格又分为 2 小格，共 40 小格，因此每一小格格值为 19 分 30 秒， 当分度盘和游标盘的亮线重叠时，每一对准线条格值为 30 秒，也为游标的分度值。在游标 盘与分度盘之间的缝隙中有一条发光的亮线（有时该亮线两旁还有两条较暗的线） ，该亮线 用于确定游标读数。 分度盘上有两个相隔 180 度的读数窗口，分度盘上的读数以游标盘上的“ ”线所对的0 分度盘上的角度值为准。游标盘的读数取亮线所对应的角度值；有时缝隙中出现两条亮线， 则游标盘的读数可取两条亮线所指两值的平均值；如果出现三条亮线，则以中间亮线的读
22、数 为准。分光仪的计数值最小可读到 15 秒，不必再估读。 型分光仪的读数原理是，它也由一个分度盘和沿分度盘边缘对称（间距 180 度）放JY 置的两个游标构成，无照明系统。分度盘上均匀地刻有分划线，共分 360 大格，即每大格为 16()b图读 数 窗 口 读 数 窗 口 度 盘游 标光 源 光 源16()a图 05101758347A“6B41051025258B2A压 簧 锁 紧 螺 钉平 台 与 度 盘调 节 螺 钉平 台 倾 斜 度 15图 11 1 度，每一大格又分成 2 小格，每小格 30 分。游标盘上沿圆弧共划分为 6 大格，每大格又 分成 5 小格，共 30 小格，每一小格值
23、为 29 分，当分度盘和游标盘的刻度线重叠时，每一对 准线条格值为 1 分，为 型分光仪游标的分度值。JY （）分光仪的调整 分光仪在用于测量前必须进行严格的调整，否则将会引入很大的系统误差。一架已调整 好的分光仪应具备下列三个条件：望远镜聚集于无限远；望远镜和平行光管的光轴与分 光仪的主轴相互垂直；平行光管射出的光是平行光。具体调节步骤如下 ）目测粗调 目测粗调就是凭调试者的直观感觉进行调整。先松开望远镜和平行光管锁紧螺钉 3 和 18。调节平行光管倾斜度调节螺钉 19 与望远镜倾斜度调节 4， 使两者目测呈水平。再调节载物台倾斜度调节螺钉 23，使载物台呈水平，或者使载物台上 层圆盘 24
24、 和下层圆盘 25 之间有 3 毫米左右的等间隔，且两者平行。 ）调节望远镜聚集于无限远处（用自准值法） 目镜调节 调节望远镜调焦螺母 5，使在目镜视场中看清分划板上的双十字准线及下部小棱镜上的 “+”字，见图 14（ b）所示。 按图 17 所示的位置将三棱镜放在载物台上，三棱镜的三条边对着平台的三个支承螺钉 和 。将望远镜对准三棱镜的一个光学平面（如 面） ，由于望远镜中光源已照亮21a和 3 AB 了目镜中的 45 度棱镜上的“ ”字，所以该“ ”字发出的光从望远镜物镜中射出，到达 三棱镜的光学表面时，只要三棱镜的 面与望远镜光轴垂直，则反射后的反射光就会重新AB 回到望远镜中，那么在望
25、远镜的目镜视场中除了看到原来棱镜上的“ ”像外，还能看到经 棱镜表面反射回来的“ ”像。若看不到该像，可将望远镜绕主轴左右慢慢旋转仔细寻找这 像；如果仔细的搜寻后仍找不到十字像，这表明反射光线根本没进入望远镜，此时此刻需要 重新对目测粗调，或沿望远镜筒外壁观察三棱镜表面，在望远镜外寻找反射的十字像，以判 ABC1a23望 远 镜三 棱 镜17图 12 断反射光的方位，再调整望远镜倾角（螺钉 4）及平台倾角（螺钉 23） ，使反射光线进入望 远镜。 转动载物台， 使望远镜对准三棱镜的另一光学平面（如 面） ，这时也应在目镜视场中看到反射回来的AC “ ”字，如图 18 所示，否则再倾角调整望远镜
26、倾角和平台倾角。 望远镜聚焦与无限远处 调节物镜，在望远镜中看到“ ”后，调节望远镜调焦螺钉 6，使小十字像清晰且与双 十字准线间无视差，此时望远镜已聚焦在无限远处。 ）调整望远镜的光轴与分光仪主轴垂直 望远镜光轴与分光仪光轴垂直才能够确保分度盘上转过的角度代表望远镜光轴转过的角度。 望远镜的光轴与分光仪主轴垂直的标志是望远镜旋转平面应与分度盘平面平行、载物台平面 与分光仪光轴垂直。因此调节时要根据在目镜中观察到的现象，同时调节望远镜倾角和载物 台平面的倾角，一般采用二分之一逐次逼近法来调整，如图 19 所示。经过上述的调节，在 目镜视场中已可看到三棱镜的两个光学平面反射回来的小“ ”字像都在
27、准线 上，但一mn 般开始时该像并不在线 上。例如由三棱镜 面反射回来的十字像一般在 线下方，距mnAB 线 的距离，现在分别调节望远镜的倾角螺钉 4，使十字像向 线靠拢一半如图mnS n 所示，再调节载物平台倾斜度调节螺钉 23（调 所对的螺钉 1）使十字像落到 线19()b an 上，再转动平台，使棱镜的另一个面 对准望远镜，这时 面反射回来的十字像又不在CC 线上了，而可能又距 线 ，可能在 线上方，也可能在下方，这时再调节望远镜的nmnsn 倾角螺钉 4，使十字像向 线靠拢一半，即是它距离 线为 s/2，再调节载物平台的倾m 斜角螺钉 23（调 面所对的螺钉 2） ，使十字像回到 线上
28、。然后再转动平台，使棱镜ACan 面重新对准望远镜，原来已把 面反射回来的十字像调到 线上，现在可能又偏离ABAB19图 mns)(a2s)(bnm)(c18图mnnm)(a)(b)(c 13 线，因此再调节望远镜的倾斜螺钉 4，使十字像向 线靠拢一半，再调平台倾斜度螺钉mn mn 23，使十字像再度与 线重合。然后再让棱镜 面对着望远镜，如果十字像又偏离 线，mnACmn 则再按上述方法调节，使十字像再回到 线，这样把 、 面轮流对准望远镜，反复调nB 节，使这两个面反射回来的十字像都在 线上，才表明调整完毕。注意，调整完毕后，望 远镜与平台的倾斜调节螺钉不可再作任何调整，否则，已调整好的垂
29、直状态将被破坏，必须 重新调节。上述调整完成后，我们转动望远镜可以看到小十字像始终在 线上移动，如果mn 转动望远镜，使十字像移到 线中央竖线处，则表明望远镜光轴与棱镜的反射面垂直。mn ）调整平行光管 点亮光源预热。移去载物台上的三棱镜，将已调好的望远镜对准平行光管，用光源照 亮平行光管的狭缝，旋动狭缝调节螺钉 16 使狭缝宽度适中（一般为 0.51 毫米） ，调节平 行光管的倾斜度螺钉 19 并旋转望远镜使它对准狭缝，在望远镜中看到窄的像，松开螺钉 15，前后移动狭缝，使在望远镜中清晰的看到狭缝的像且无视差。 调整平行光管的光轴与分光仪的主轴垂直 转动平行光管的狭缝，使狭缝呈水平， 调节平
30、行光管倾角螺钉 19，使狭缝像与中 央水平准线重合，如图 20 的 a 所示。转 动望远镜狭缝像于中央竖直准线重合，再 调节平行光管倾斜度螺钉 19，使处于竖直 位置的狭缝像被中央水平准线平分如图 20 的 b 所示。如此反复调几次，使狭缝呈水平时， 狭缝像于中央水平准线重合；狭缝呈竖直时，狭缝的像位于中央竖直准线处，被中央水平准 线平分，这样才表明平行光管的光轴与分光仪的主轴垂直。 完成上述调节后，分光仪才算调好。 二、光学实验中常用光源 能够发光的物体统称为光源。实验室中常用的是将电能转换为光能的光源电光源。 常见的有热辐射光源和气体放电光源及激光光源三类。 （一）热辐射光源 常用的热辐射
31、光源是白炽灯。白炽灯有下列几种 普通灯泡。作白色光源，应按仪器要求和灯泡上指定的电压使用，如光具座、分光 仪、读数显微镜等。 汽车灯泡。因其灯丝线度小，亮度高，常用作点光源或扩束光源。亦应按电压值使 mn狭 缝 像 n)(a)(b狭 缝 像20图 14 用。 标准灯泡。常用有碘钨灯和溴钨灯。是在灯泡内加入碘或溴元素制成。碘或溴原子 在灯泡内与经蒸发而沉积在泡壳上的钨化合，生成易挥发的碘化钨或溴化钨。这种卤化物扩 散到灯丝附近时，因温度高分解，分解出来的钨重新沉积在钨丝上，形成卤钨循环。因此碘 钨灯或溴钨灯寿命比普通灯长得多，发光效率高，光色也较好。 （二）气体放电光源 钠灯和汞灯 实验室常用的
32、钠灯和汞灯（又称水银灯）作为单色光源，它们的工作原理都是以金属 或 蒸气在强电场中发生的游离放电现象为基础的弧光放电灯。aNgH 在220伏额定电压下，当钠灯灯管壁温度升至260摄氏度时，管内钠蒸气压约为310 -3托， 发出波长为589.0纳米和589.6纳米的两中单色黄光最强，可达 ，而其它几种波长818.0%85 和819.1纳米等光仅有 。 所以，在一般应用时取 589.0纳米和589.6纳米的平均值589.3%15 纳米作为钠光灯的波长值。 汞灯可按其气压的高低，分为低压汞灯、高压汞灯和超高压汞灯。低压汞灯最为常用， 其电源电压与管端工作电压分别为220伏和20伏，正常点燃时发出青紫
33、色光，其中主要包括 七种可见的单色光，它们的波长分别是612.35纳米（红）、579.07纳米和576.96纳米（黄）、 546.07纳米（绿）、491.60纳米（蓝绿）、435.84纳米（蓝紫）、404.66纳米（紫）。 使用钠灯和汞灯时，灯管必须与一定规格的镇流器（限流器）串联后才能接到电源上去， 以稳定工作电流。钠灯和汞灯点燃后一般要预热34分钟才能正常工作，熄灭后也需冷却 34分钟后,方可重新开启。 氢放电管（氢灯） 它是一种高压气体放电光源，它的两个玻璃管中间用弯曲的毛细管连通，管内充器气。 在管子两端加上高电压后，气体放电发出粉红色的光。氢灯工作电流约为115毫安，起辉电 压约为8
34、000伏左右，当200伏交流电输入调压变压器后，调压变压器输出的可变电压接到氢 灯变压器的输入端，再由氢灯变压器输出端向氢灯供电。 在可见光范围内，氢灯发射的原子光谱线主要有三条，其波长分别为656.28纳米（红）、 486.13纳米（青）、434.05纳米（蓝紫）。 （三）激光光源 激光是20世纪60年代诞生的新光源。激光器的发出原理是受激发射而发光。它具有发光 强度大、方向新性好、单色性强和相干性好等优点。激光器的种类很多，如氦氖激光器、氦 镉激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器、红宝石激光器等。 15 实验室中常用的激光器是氦氖（ ）激光器。它由激光工作的氦氖混合气体、激eNH 励装置和
35、光学谐振腔三部分组成。氦氖激光器发出的光波波长为632.8纳米，输出功率在几 毫瓦到十几毫瓦之间，多数氦氖激光管的管长为200300毫米，两端所加高压是由倍压整流 或开关电源产生，电压高达15008000 伏，操作时应严防触及，以免造成触电事故。由于 激光束输出的能量集中，强度较高，使用时应注意切勿迎着激光束直接用眼睛观看。 目前，气体放电灯的供电电源广泛采用电子整流器，这种整流器内部由开关电源电路组 成，具有耗电小、使用方便等优点。 光学实验中，常把光束扩大或产生点光源以满足具体的实验要求，图 21、22 表示两种 扩束的方法，它们分别提供球面光波和平面光波。 三、光学仪器的正确使用与维护
36、一个实验工作者，不但要爱护自己的眼睛，还要十分爱惜实验室的各种仪器。实践经验 证明，只有认真注意保养和正确地使用仪器，才能使测量得到符合实际的结果，同时这也是 培养良好实验素质的重要方面。由于光学仪器一般比较精密，光学元件表面加工（磨平、抛 光）也比较精细，有的还镀有膜层，且光学元件有大都是由透明、易碎的玻璃材料制成，使 用时一定要十分小心，不能粗心大意。如果使用和维护不当，很容易造成不必要的损坏。 光学仪器常见损坏现象 （）破损 发生磕碰，跌落，震动或挤压等情况，均会造成光学元件的破损，以致光学元件的部分 或全部无法使用。 （）磨损 由于用手和其它粗糙的东西擦拭光学元件的表面，致使光学表面（
37、光线经过的表面）留 激 光 源 F2L1图图 F激 光 器 16 下擦不掉的划痕，结果严重地影响了光学仪器的透光能力和成像质量，甚至无法进行观察和 测量。 （）污损 当拿取光学元件不合规范，手上的油污，汗或其它不洁液体沉淀在元件的表面上时，会 使光学仪器表面留下污迹斑痕，对于镀膜的表面，问题将更会严重，若不及时进行清除，将 降低光学仪器的透光性能和成像质量。 ）发霉生锈 对仪器保管不善，光学元件长期在空气潮湿，温度变化较大的环境下使用，因粘污霉菌 所致，光学仪器的金属机械部分也会产生锈斑，使光学仪器失去原来的光洁度，影响仪器的 精度，寿命和美观。 ）腐蚀，脱胶 光学元件表面因受到酸、碱等化学物
38、品的作用时，会发生腐蚀现象。如有苯、乙醚等试 剂流到光学元件之间或光学元件与金属的胶合部分，就会发生脱胶现象。 使用和维护光学仪器的注意事项 （）在使用仪器前必须认真阅读仪器使用说明书，详细了解所使用的光学仪器的结构、 工作原理、使用方法和注意事项，切忌盲目动手，抱差试试看的心理。 （）使用和搬动光学仪器时，应轻拿轻放，谨慎小心，避免受震、碰撞，更要避免 跌落地面。光学元件使用完毕，不应随便乱放，要做到物归原处。 （）仪器应放在干燥、空气流通的实验室内，一般要求保持空气相对湿度为 ，%706 室温变化不能太快和太大。也不应让含有酸性或碱性的气体侵入。 （）保护好光学元件的光学表面，绝对禁止用手
39、触入，只能用手接触经过磨砂的“毛 面”，如透镜的侧边，棱镜的上下底面等。若发现光学表面有灰尘，可用毛笔、镜头纸轻轻 擦去。也可用清洁的空气球吹去；如果光学表面有脏物或油污，则应向教师说明，不要私自 处理；对于没有镀膜的表面，可在教师的指导下，用干净的脱脂棉花蘸上清洁的溶剂（酒精、 乙醚等），仔细地将污渍擦去，不要让溶剂流到元件胶合处，以免脱胶；对于镀有膜层的光 学元件，则应由指导教师作专门的技术处理。 （）对于光学仪器中机械部分应注意添加润滑剂，以保持各转动部分灵活自如，平稳 连续，并注意防锈，以保持仪器外貌光洁美观。 （）仪器长期不使用时，应将仪器放入带有干燥剂（硅胶）的木箱内，防止光学元件
40、 受潮、发生霉变，并做好定期检查，发现问题及时处理。 17 实验一 脉冲调 Q Nd：YAG 激光器 一、实验目的 1.掌握脉冲调 Q Nd：YAG 激光器的工作原理； 2.学习脉冲调 Q Nd：YAG 激光器的装调； 3.掌握常用脉冲调 Q Nd：YAG 激光器的调整和检测仪器的使用方法； 4.掌握固体激光器中电光调 Q 技术的基本原理； 5.掌握调 Q 激光器输出能量、脉冲宽度等主要指标的测量方法； 6.了解影响电光调 Q 效果的因素，并掌握调试技术。 二、实验原理 1. Nd:YAG 激光器的工作原理和结构 固体激光器主要由激光工作物质、激励泵源、聚光腔和光学谐振腔组成。常用的固体激 光
41、工作物质有红宝石晶体、掺钕钇铝石榴石晶体（Nd：YAG） 、掺钕玻璃等。本实验中激光工 作物质为 Nd：YAG 棒，它的激活离子是 Nd：YAG 中的三价钕离子，激光输出的波长为 1064nm。 图 1-1 Nd:YAG 中 Nd3+的有关能级 Nd：YAG 中钕离子产生受激辐射的能级如图 11 所示。用具有连续光谱的氙灯或氪灯照 射 Nd:YAG 晶体，Nd 3+离子就从基态 E1跃迁至激发态 E4的一系列能级，激发态 E4中最低的两 个能级为 4F5/2和 4F7/2，相应于中心波长为 0.81m 和 0.75m 的两个光谱吸收带。由于 E4 18 的寿命仅约为 1ns，所以受激的 Nd3
42、+离子绝大部分都经过无辐射跃迁转移到了 E3态。E 3态是 一个亚稳态，寿命长达 250-500s，很容易获得离子数积累。E 2态的寿命为 50ns，即使有 离子在 E2，也会很快地驰豫到 E1。因此，相对 E3态而言，E 2态上几乎没有粒子。这样，在 光泵激励下，就在 E2和 E3之间造成了粒子数反转。正是 E3E 2的感应辐射在激光谐振腔中 得到增益而形成了激光，其波长为 1.064m。只要泵浦光存在，Nd 3+离子的能态就总是处在 E1E 4E 3E 2E 1的循环之中，这是一个典型的四能级系统。 图 1-2 为典型的 Nd:YAG 激光器结构示意图。通常 Nd:YAG 晶体被加工成 6
43、mm、长 80mm 左右的棒状，两端磨成光学平面，平面的法线与棒轴有一个小夹角，面上镀有增透膜。棒的 侧面全部“打毛” ，以防止寄生振荡。激发泵浦用的氙灯或氪灯做成和 YAG 棒长度相近的直 管型，以便于棒达到最佳的配合。为了有效的利用氙灯的光能，把棒和灯放在一个内壁镀金 的空心椭圆柱面反光镜中，它们各占据椭圆柱的一根焦线。图 1-3 表示了这一结构的横截面。 不难想象氙灯发出的光通过椭圆柱面镜的反射，原则上百分之百地到达 YAG 棒上。 图 1-2 Nd:YAG 激光器结构示意图 图 1-3 椭圆柱面反光镜截面图 在这类激光器中，加到氙灯上的电能只有 1%左右转变成激光能量，其余都变成了热能
44、， 所以灯和棒都需要散热和冷却。为此，把反光镜内部的空间加以密封，送入流动的水，以带 走多余的热能。水中还要溶入适量的重铬酸钾，以吸收氙灯光谱中的紫外成分，或在 YAG 棒 的周围套上滤紫外玻璃管，防止 YAG 棒因紫外光的照射而逐渐退化。 为了形成激光振荡，把 YAG 棒置于一定的谐振腔构型中。一般采用平凹稳定腔或虚共焦 19 非稳定腔。由于 Nd:YAG 的单程激光增益很高，作为激光输出口的前腔镜 M2可设计成具有百 分之几十的透过率，甚至可以是一块“白片” ，后腔镜 M1则是全反射镜。 如果泵浦光源是连续工作的（在这种情况下，一般采用连续工作的氪灯） ，则它可以不 间断的对 Nd3+离子
45、的 E3和 E4能级提供粒子数反转，从而得到连续的激光输出；如果采用脉 冲工作的泵浦光源（一般采用脉冲氙灯） ，就可以得到脉冲激光输出。由于在阈值以上的泵 浦时间内都有激光产生，因而激光脉冲的持续期长而峰值功率低，不适合大多数的实际使用。 为了得到脉宽窄、峰值功率高的激光脉冲，就必须采用“调 Q”的方法。 “调 Q”方法的基本原理是把上述宽脉冲的能量压缩在极短的时间内，从而提高其峰值 功率，即按一定的方式改变激光谐振腔的品质因素（Q 值） 。通常，在谐振腔内置入一个光 开关，从氙灯引燃到其瞬时光强达到极大的期间这个光开关是关闭的。因此对光的传播而言， 腔内有很大的损耗（低 Q 值） ，此时的谐
46、振腔不能产生激光振荡，或激光振荡的阈值非常高。 与此同时，YAG 棒中的能级粒子数反转却不断的增大，当氙灯的光强达到极大值时，粒子数 反转也达到了极大。如果这时打开光开关，使腔处于低损耗（高 Q 值）状态，腔的振荡阈值 迅速下降，激发态上的 Nd3+离子便会以极快的速度在很短的时间内跃迁回基态，同时发射出 相应频率的光子。光学谐振腔保证了光场的相干增强，最终形成一个持续期极短、峰值功率 极高的激光脉冲。作为一个对比，用不调 Q 的脉冲激光器产生的激光脉冲，其脉宽约为 100s，而调 Q 激光器产生的激光脉冲，脉宽仅为 10ns 左右。如果脉冲的总能量为 1J，那 么调 Q 脉冲的峰值功率便可达
47、到 100MW。 调 Q 的方法有多种，常用的是声光调 Q 和电光调 Q。本实验讨论电光调 Q。 2. 电光调 Q 原理 一般不加调 Q 技术的固体激光器输出的激光脉冲是由一系列强度不等尖峰脉冲序列组成 的。这种输出特性称为激光的弛豫振荡，脉冲的峰值功率约为几十千瓦量级，总的脉冲宽度 为毫秒量级。为了提高固体激光器输出激光脉冲的峰值功率，需要采用调 Q 技术。采用此技 术脉冲输出峰值功率可达几十兆瓦以上。目前电光调 Q 技术是较常用的调 Q 技术。 由晶体光学可知，KD *P 晶体在 Z 轴方向的电场作用下三个感应主折射率为： （1-1）Enx63021 （1-2）y （1-3）ez 式中 n
48、0为 O 光折射率， ne为 E 光折射率， 63为光电系数， E 为 z 方向电场强度，沿 z 方向 入射的线偏光进入长度为 e 晶体后，沿新主轴 x、 y方向分解相互垂直的偏振分量，并 20 产生相位差： （1-4） ZXyx VnlEnln630630 22)(2 式中 VZ是沿 z 方向加在晶体上的电压，当通过晶体的光波波长确定后，相位差 只取决于外加电压 VZ。当位相差为 弧度时所需要的电压称为“半波电压” ，用 V/2 表示；当相位差为 /2 弧度时所需要的电压称为“四分之一波电压”用 V/4 表示，即： (1-5)6304/nV 对于 KD*P 晶体：n 0=1.51 r63=23.610-12m/V T1 小孔光栏 He-Ne T2 M1 KD* P Nd：YAG M 2 图 1-4 电光 Q 开关 Nd：YAG 激光器示图 电光调 Q Nd：YAG 激光器如图 1-4 所示，由反射镜 M1和 M2构成激光谐振腔，其中 M2为 部分反射镜；R 为 Nd：YAG 棒；KD *P 为磷酸二氘钾电光晶体，由于 KD*P 晶体易潮解，因此 密封在晶体盒内。盒的两端用布儒特斯窗密封，其作用是减少反射损耗，提高激光的线偏振 度。 He-Ne 激光器和小孔光栏用于调
