光学是物理学中一门古老的经典学科，近几十年来又有了突飞猛进的发展。经典的光学理论和实验方法在促进科学技术进步方面发挥了重要作用；新的研究成果和新的实验技术不断促进光学学科自身的进展，也为其他许多科技领域的发展，如天文、化学、生物、医学等提供了重要的实验手段。光学实验技术在现代科技中发挥着越来越重要的作用。在基础物理实验中，学生通过研究一些最基本的光学现象，同时接触一些新的概念和实验技术，学习和掌握光学实验的基本知识和基本方法，培养基本的光学实验技能。在光学实验中使用的仪器比较精密，光学仪器的调节也比较复杂，只有在了解了仪器结构性能基础上建立清晰的物理图像，才能选择有效而准确的调节方法，判断仪器是否处于正常的工作状态。在光学实验中，理论联系实际的科学作风显得特别重要，如果没有很好地掌握光学理论，要做好光学实验几乎是不可能的。在光学实验过程中，仪器的调节和检验，实验现象的观察、分析等都离不开理论的指导。为了做好光学实验，要在实验前充分做好预习，实验时多动手、多思考，实验后认真总结，只有这样才能提高科学实验的素养、培养实验技能、养成理论联系实际的科学作风。１使用光学仪器注意事项具备良好实验素养的科技工作者，在光学实验中都会十分爱惜各种仪器。而学生在实验中加强爱护仪器的意识也是培养良好实验素养的重要方面。光学仪器一般都比较精密，光学元件都是用光学玻璃用多项技术加工而成，其光学表面加工尤其精细，有的还镀有膜层，因此使用时要特别小心。如使用维护不当很容易造成光学元件破损和光学表面的污损。使用和维护光学仪器时应注意以下方面。（１）在使用仪器前必须认真阅读仪器使用说明书，详细了解仪器的结构、工作原理，调节光学仪器时要耐心细致，切忌盲目动手。使用和搬动光学仪器时，应轻拿轻放，避免受震磕碰。光学元件使用完毕，应当放回光学元件盒内。（２）保护好光学元件的光学表面，不能用手触及光学表面，以免印上汗渍和指纹。对于光学表面上附着的灰尘可用脱脂棉球或专用软毛刷等清除。如发现汗渍、指纹污损可用实验室准备的擦镜纸擦拭干净，有镀膜的光学表面上的污迹常用脱脂棉球蘸少量乙醇和乙醚混合液转动擦拭多遍才行。对于镀膜光学表面的污迹和光学表面起雾等现象及时送实验室专门处理，学生不要自行处理。（３）光学仪器的机械部分应及时添加润滑剂，以保持各转动部件转动自如、防止生锈。仪器长期不使用时，应将仪器放入带有干燥剂的木箱内。（４）使用激光光源时切不可直视激光束，以免灼伤眼睛。２光学实验的观测方法１）用眼睛直接观察在光学实验中常通过眼睛直接对光学实验现象进行观察。用眼睛直接进行观测具有简单灵敏，同时观察到的图像具有立体感和色彩等特点。这种用眼睛直接观察的方法，常称为主观观察方法。人的眼睛可以说是一个相当完善的天然光学仪器，从结构上说它类似于一架照相机。人眼能感觉的亮度范围很宽，随着亮度的改变眼睛中瞳孔大小可以自动调节。人眼分辨物体细节的能力称为人眼的分辨力。在正常照度下，人眼黄斑区的最小分辨角约为１′。人眼的视觉对于不同波长的光的灵敏度是不同的，它对绿光的感觉灵敏度最高。人眼还是一个变焦距系统，它通过改变水晶体两曲面的曲率半径来改变焦距，约有２０％的变化范围。２）用光电探测器进行客观测量除了用人眼直接观察外，还常用光电探测器来进行客观测量，对超出可见光范围的光学现象或对光强测量需要较高精度要求时就必须采用光电探测器进行测量，以弥补人眼的局限性。常用的光探测器有光电管、光敏电阻和光电池等。光电管是利用光电效应原理制成的一光电发射二极管。它有一个阴极和一个阳极，装在抽真空并充有惰性气体的玻璃管中。当满足一定条件的光照射到涂有适当光电发射材料的光阴极时，就会有电子从阴极发出，在二极间的电压作用下产生光电流。一般情况下光电流的大小与光通量成正比。光敏电阻是用硫化镉、硒化镉等半导体材料制成的光导管。当有光照射到光导管时，并没有光电子发射，但半导体材料内电子的能量状态发生变化，导致电导率增加（即电阻变小）。照射的光通量越大，电阻就变得越小。这样就可利用光电管电阻的变化来测量光通量大小。光电池是利用半导体材料的光生伏打效应制成的一种光探测器，由于光电池有不需要加电源、产生的光电流与入射光通量有很好的线性关系等优点，常在大学物理实验中使用。硅光电池结构如图２．４—１所示。利用硅片制成ＰＮ结，在Ｐ型层上贴一栅形电极，Ｎ型层上镀背电极作为负极。电池表面有一层增透膜，以减少光的反射。由于多数载流子的扩散，在Ｎ型与Ｐ型层间形成阻挡层，有一由Ｎ型层指向Ｐ型层的电场阻止多数载流子的扩散，但是这个电场却能帮助少数载流子通过。当有光照射时，半导体内产生正负电子对，这样Ｐ型层中的电子扩散到ＰＮ结附近被电场拉向Ｎ型层，Ｎ型层中的空穴扩散到ＰＮ结附近被阻挡层拉向Ｐ区，因此正负电极间产生电流；如停止光照，则少数载流子没有来源，电流就会停止。硅光电池的光谱灵敏度最大值在可见光红光附近（８００ｎｍ），截止波长为１１００ｎｍ。图２．４—２表示硅光电池灵敏度的相对值。_http://atlas.tju.edu.cn/webclass/physics/syjx/jxnr/cha2/c4/1.JPG__图２．４—１硅光电池构造__http://atlas.tju.edu.cn/webclass/physics/syjx/jxnr/cha2/c4/2.JPG__图２．４—２硅光电池的光谱灵敏度_使用时注意，硅光电池质脆，不可用力按压。不要拉动电极引线，以免脱落。电池表面勿用手摸。如需清理表面，可用软毛刷或酒精棉，防止损伤增透膜。３光学实验常用仪器的结构与调节１）光具座与光路调节光具座是一种多功能的通用光学仪器。用于物理实验的光具座由导轨、滑动座（光具凳）、光源、可调狭缝、像屏和各种夹持器组成（图２．４—３?），按实验需要另配光学元件，如透镜、棱镜、偏振片等组成光学系统。常用的导轨长度为１ｍ～２ｍ，导轨上有米尺，滑动座上有定位线，便于确定光学元件的位置。光具座的同轴等高调节步骤如下。无论是几何光学实验还是物理光学实验，在光具座上经常需要进行与共轴球面系统相关的光路调节。一个透镜的两个折射球面的曲率中心处在同一直线（即光轴）上，就成为一个共轴球面系统。实验光具组常由一个或多个共轴球面系统与其他器件组合而成。为了获得良好质量的像，各透镜的主光轴应处于同一直线上，并使物位于主光轴附近；又因物距、像距等长度量都是沿主光轴确定的，为了便于调节和准确测量，必须使透镜的主光轴平行于带标尺的导轨。达到上述要求的调节叫做“等高同轴”调节。具体操作分两步进行。_http://atlas.tju.edu.cn/webclass/physics/syjx/jxnr/cha2/c4/3.JPG__图２．４—３光具座__１、２—不同高度的支座；３—弯头架；４、５—不同宽度的光具凳；６—垂直微调支座；７—横向微调组件；８—像屏；９—测微目镜架；１０—可调狭缝；１１—可转圆盘；１２—偏振片圈；１３、１４—大小弹簧夹片屏；１５、１６—透镜夹；１７—激光管架；１８—光源_（１）粗调，即先将透镜等元器件向光源靠拢，凭目视初步决定它们的高低和方位（要求不高时，在形成光路过程中再加以适当修正，即可进行观测）。（２）细调，即在粗调基础上，按照成像规律或借助其他仪器作细致调节。如两次成像法（贝塞尔法或共轭法）测凸透镜焦距的实验光路，常用于光具组的共轴调节。当透镜移动到两个适当位置，使正立箭头在接收屏上分别成大小两个清晰的倒立实像时，若此二像的尾端在屏坐标的同一位置，它们就与物箭头的尾端同在平行于导轨的主光轴上（轴上物点成像不离轴）。以此为基准，可将物方某点调到主光轴上，或对另一透镜作共轴调节。２）测微目镜测微目镜是带测微装置的目镜，可作为测微显微镜和测微望远镜等仪器的部件，在光学实验中有时也作为一个测长仪器独立使用（例如测量非定域干涉条纹的间距）。图２．４—４是一种常见的丝杠式测微目镜的结构剖面图。鼓轮转动时通过传动螺旋推动叉丝玻片移动；鼓轮反转时，叉丝玻片因受弹簧恢复力作用而反向移动。有１００个分格的鼓轮每转一周，叉丝移动１ｍｍ，所以鼓轮上的最小刻度为１／１００ｍｍ。图２．４—５表示通过目镜看到的固定分划板上的毫米尺、可移动分划板上的叉丝与竖丝。_http://atlas.tju.edu.cn/webclass/physics/syjx/jxnr/cha2/c4/4.JPG__图２．４—４测微目镜__１—复合目镜；２—固定的毫米刻度玻片；３—可动的叉丝玻片；４—传动螺旋；５—鼓轮；６—防尘玻璃__http://atlas.tju.edu.cn/webclass/physics/syjx/jxnr/cha2/c4/5.jpg__图２．４—５测微目镜视场内的标尺和叉丝_测微目镜的结构很精密，使用时应注意：虽然分划板刻尺是０～８ｍｍ，但一般测量应尽量在１ｍｍ～７ｍｍ范围内进行，竖丝或叉丝交点不许越出毫米尺刻线之外，这是为保护测微装置的准确度所必须遵守的规则。３）移测显微镜移测显微镜是利用螺旋测微器控制镜筒（或工作台）移动的一种测量显微镜。此外，也有移动分划板进行测量的机型。显微镜由物镜、分划板和目镜组成光学显微系统。位于物镜焦点前的物体经物镜成放大倒立实像于目镜焦点附近并与分划板的刻线在同一平面上。目镜的作用如同放大镜，人眼通过它观察放大后的虚像。为精确测量小目标，有的移测显微镜配备测微目镜，取代普通目镜。_http://atlas.tju.edu.cn/webclass/physics/syjx/jxnr/cha2/c4/6.jpg__图２．４—６移测显微镜__１—目镜；２—物镜；３—底座；４—测微鼓轮；５—调焦手轮_图２．４—６中的镜筒移动式移测显微镜可分为测量架和底座两大部分。在测量架上装有显微镜筒和螺旋测微装置。显微镜的目镜用锁紧圈和锁紧螺钉固紧于镜筒内。物镜用螺纹与镜筒连接。整体的镜筒可用调焦手轮对物调焦。旋转测微鼓轮，镜筒能够沿导轨横向移动，测微鼓轮每旋转一周，显微镜筒移动１ｍｍ，镜筒的移动量从附在导轨上的５０ｍｍ直尺上读出整毫米数，小数部分从测微鼓轮上读。测微鼓轮圆周均分为１００个刻度，所以测微鼓轮每转一格，显微镜移动０.０１ｍｍ。测量架的横杆插入立柱的十字孔中，立柱可在底座内转动和升降，用旋手固紧。为了保证应有的测量精度，移测显微镜最好在室温（２０±３）℃条件下使用。使用前先调整目镜，对分划板（叉丝）聚焦清晰后，再转动调焦手轮，同时从目镜观察，使被观测物成像清晰，无视差。为了测量准确，必须使待测长度与显微镜筒移动方向平行。还要注意，应使镜筒单向移动到起止点读数，以避免由于螺旋空回产生的误差。４）光学测角计光学测角计原称分光计，简称测角计，主要用于精确测量平行光束的偏转角度，借助它并利用折射、衍射等物理现象完成偏振角、折射率，光波波长等物理量的测量，其用途十分广泛。Ⅰ）测角计的结构测角计由准直管、载物台、望远镜、读数装置和底座组成。此外常附一块调节用的光学平行平板。图２．４—７是ＪＪＹ型测角计的外貌，其主要部件分别简介如下。_http://atlas.tju.edu.cn/webclass/physics/syjx/jxnr/cha2/c4/7.jpg__图２．４—７光学测角计__１—狭缝装置；２—狭缝装置锁紧螺钉；３—准直管；４—游标盘止动架；５—载物台；６—载物台调平螺钉（３个）；７—载物台锁紧螺钉；８—望远镜；９—目镜锁紧螺钉；１０—阿贝式自准直目镜；１１—目镜调节手轮；１２—望远镜光轴高低调节螺钉；１３—望远镜光轴水平调节螺钉；１４—支臂；１５—望远镜微调螺钉；１６—转座与度盘止动螺钉；１７—望远镜止动螺钉；１８—底座；１９—度盘；２０—游标盘；２１—立柱；２２—游标盘微调螺钉；２３—游标盘止动螺钉；２４—准直管光轴水平调节螺钉；２５—准直管光轴高低调节螺钉；２６—狭缝宽度调节手轮_（１）准直管。它的一端是狭缝，另一端是准直物镜。当被照明的狭缝位于物镜焦平面上时，通过镜筒出射的光成为平行光束。如图所示，它装在底座的立柱上，螺钉２４和２５能调节其光轴的方位。狭缝可沿光轴移动和转动，缝宽可在０.０２ｍｍ～２ｍｍ内调节。（２）载物台。是一个放置光学元件用的圆形平台，通过台下的连接套筒装在仪器的中心转轴上，能以该轴为中心转动。把螺钉７、制动架４和游标盘止动螺钉２３锁紧，借助立柱上的调节螺钉２２也能使载物台微动，为固定台面高度，锁紧螺钉７即可。台下有３个调平螺钉，可用于调节光学元件的方位，从准直管出射的平行光束因所用元件的反射、折射或衍射而改变方向。（３）望远镜（阿贝自准直式）。用于确定平行光束方向，由支臂１４支持。支臂与转座固定连接套在度盘上。松开螺钉１６，转座与度盘皆可单独转动；旋紧这个螺钉，转座与度盘即可一起转动。旋紧制动架和底座上的止动螺钉１７时，利用螺钉１５能够微调望远镜方位。调节望远镜光轴的另外两个螺钉是１２和１３。目镜１０可用手轮１１调焦，松开螺钉９，目镜筒又可前后移动。自准直望远镜的结构如图２．４—８所示。它由目镜、全反射棱镜、叉丝分划板和物镜等组成。目镜、全反射镜和叉丝分划板以及物镜分别装在可以前后移动的３个套筒中。分划板上刻有双十字叉丝和透光小“十”字刻线，并且上叉丝与小“十”字透光刻线对称于中心叉丝，如图２．４—９（ａ）所示，全反射棱镜的一个直角边紧贴在小“十”字刻线上。开启照明灯，光线经全反射棱镜透过“十”字刻线。当分划板在物镜的焦平面上时，经物镜出射的光即成一束平行光。如有一平面反射镜将这束平行光反射回来，再经物镜成像于分划板上。于是从目镜中可以同时看清叉丝和小“十”字刻线的反射像，并且无视差，见图２．４—９（ｂ）。如果望远镜光轴垂直于平面反射镜，那么小“十”字反射像将与上叉丝重合，见图２．４—９（ｃ）。_http://atlas.tju.edu.cn/webclass/physics/syjx/jxnr/cha2/c4/8.JPG__图２．４—８自准直望远镜__http://atlas.tju.edu.cn/webclass/physics/syjx/jxnr/cha2/c4/9.JPG__图２．４—９叉丝分划板和反射“十”字像__１—上叉丝；２—中心叉丝；３—透光“十”字刻线；４—绿色背景；５—“十”字刻线的反射像（绿色）_（４）读数装置。度盘１９和游标盘２０套在仪器底座的中心轴上。度盘下有轴承，盘面的圆周被刻线分成７２０等分，每格值３０′。在游标盘直径两端有两个游标读数装置。利用游标能够把角度读准到１′。Ⅱ）测角计的调节测角计调节的基本要求是：望远镜调焦至无穷远，其光轴垂直于仪器主轴；从准直管出射光为平行光束，其光轴也垂直于仪器主轴，在此基础上，针对不同器件（棱镜、光栅等）的观测要求，调节载物台。（１）粗调。首先从仪器外部观察，调节螺钉１３、１２，使望远镜居支架中央，并使其光轴大致与主轴垂直；调节载物平台下方的３个螺钉使平台大致与主轴垂直。然后点亮目镜小灯，按图２．４—８右方所示在载物台上放置平行平面镜，进而调节镜面与仪器主轴的平行，并用望远镜寻找绿色反射像，若经一镜面反射找不到反射像，可据判断适当调节螺丝ｂ、ｃ和望远镜的倾斜度，直到平面镜转动１８０°前后反射像都能够进入望远镜视场。这些粗调对于仪器进一步顺利调节非常重要。（２）望远镜的自准调焦。调目镜，使分划线聚焦清晰。通过全反射小棱镜上的透明十字的光，从望远镜射出，经平行平面镜反射进入望远镜后，需前后移动调焦套筒，得到亮十字的清晰像，即把分划板调到物镜的焦平面上，并消除视差。然后把载物台及平面镜转动１８０°，比较被前后二镜面反射的亮十字像，先使最靠近视场上下边缘的亮十字与分划板上方的十字线重合，为此分别利用平台和镜筒的调平螺钉各调节亮十字行程的一半，再把载物台回转１８０°，对另一镜面反射的亮十字作同样的“各半调节”。如此反复调节，直到被平行平面镜两面反射的亮十字都能够与分划板上方的十字线重合，即可完成望远镜光轴与仪器主轴垂直并聚焦在无穷远的调节。为了检查分划板的方位，可以慢转载物台，看视场内亮十字的横线是否始终沿着分划板的水平线平行移动，若有些偏离，须谨慎地转动目镜筒，校正分划板方位后再加以固定。（３）准直管的调节。关闭目镜照明灯，取下平面镜，使准直管正对光源，在用望远镜观察狭缝像的同时，调节狭缝至准直物镜的距离，使狭缝像清晰、铅直，能够与竖直分划线无视差地重合。最后调节准直管的倾斜度，当望远镜视场中狭缝的像高被分划板中心水平线等分时，即表明准直管的光轴已经垂直于仪器主轴并能出射平行光。Ⅲ）测角计的简易调节这里的简易调节是指实验室事先把测角计的准直管调好，即狭缝限位在准直物镜的焦平面上，准直管光轴已经垂直于测角计的主轴。学生使用测角计前，只需以此为基准，完成以下调节步骤。（１）望远镜对无限远处的实物调焦。先用目镜对分划板调焦，然后伸缩目镜套筒，对相当于无限远处的狭缝调焦，获得清晰的狭缝像，并使狭缝与分划板的竖直分划线重合时无视差。（２）望远镜光轴垂直于测角计主轴。利用望远镜轴线调节螺丝，使分划板的中心水平线平分狭缝的长度即可。经过上述调节的测角计，如同经过常规调节的测角计一样，仍需按所用光学器件（如棱镜）观测原理的要求调节载物台。５）常用光源Ⅰ）白炽灯白炽灯是以热辐射形式发射光能的电光源。它以高熔点的钨丝为发光体，通电后温度约２５００Ｋ达到白炽发光。玻璃泡内抽成真空，充进惰性气体，以减少钨的蒸发。白炽灯的光谱是连续光谱。白炽灯可做白光光源和一般照明用。使用低压灯泡特别注意是否与电源电压相适应，避免误接电压较高的电插座造成损坏事故。Ⅱ）汞灯汞灯是一种气体放电光源。常用的低压汞灯，其玻璃管胆内的汞蒸气压很低（约几十到几百帕之间），发光效率不高，是小强度的弧光放电光源，可用它产生汞元素的特征光谱线。ＧＰ２０型低压汞灯的电源电压为２２０Ｖ，工作电压２０Ｖ，工作电流１.３Ａ。高压汞灯也是常用光源，它的管胆内汞蒸气压较高（有几个大气压），发光效率也较高，是中高强度的弧光放电灯。该灯用于需要较强光源的实验，加上适当的滤光片可以得到一定波长（例如５４６.１ｎｍ）单色光。ＧＧＱ５０型仪器高压汞灯额定电压２２０Ｖ，功率５０Ｗ，工作电压（９５±１５）Ｖ，工作电流０.６２Ａ，稳定时间１０ｍｉｎ。汞灯的各光谱线波长分别为５７９.０７ｎｍ、５７６.９６ｎｍ、５４６.０７ｎｍ、４９１.６０ｎｍ、４３５.８３ｎｍ、４０７.７８ｎｍ、４０４.６６ｎｍ。汞灯工作时必须串接适当的镇流器，否则会烧断灯丝。为了保护眼睛，不要直接注视强光源。正常工作的灯泡如遇临时断电或电压有较大波动而熄灭，须等待灯泡逐步冷却，汞蒸气降到适当压强之后才可以重新发光。Ⅲ）钠灯钠光谱在可见光范围内有５８９.５９ｎｍ和５８８.９９ｎｍ两条波长很接近的特强光谱线，实验室通常取其平均值，以５８９.３ｎｍ（Ｄ线）的波长直接当近似单色光使用。此时其他的弱谱线实际上被忽略。低压钠灯与低压汞灯的工作原理相类似。充有金属钠和辅助气体氖的玻璃泡是用抗钠玻璃吹制的，通电后先是氖放电呈现红光，待钠滴受热蒸发产生低压蒸气，很快取代氖气放电，经过几分钟以后发光稳定，射出强烈黄光。ＧＰ２０Ｎａ低压钠灯与ＧＰ２０Ｈｇ低压汞灯使用同一规格的镇流器。Ⅳ）光谱管（辉光放电管）这是一种主要用于光谱实验的光源，大多在两个装有金属电极的玻璃泡之间连接一段细玻璃管，内充极纯的气体。两极间加高电压，管内气体因辉光放电发出具有该种气体特征光谱成分的光辐射。它发光稳定，谱线宽度小，可用于光谱分析实验作波长标准参考。使用时把霓虹灯变压器的输出端接在放电管的两个电极上。因各元素光谱管起辉电压不同，所以在霓虹灯变压器的输入端接一个调压器，调节电压到管子稳定发光为止。光谱管只能配接霓虹灯变压器或专用的漏磁变压器，不可接普通变压器，否则会被烧毁。６）滤光片滤光片是能够从白光或其他复色光分选出一定的波长范围或某一准单色辐射成分（光谱线）的光学元件。各种滤光片可以按所利用的不同物理现象分类，其中以选择吸收和多光束干涉两种类型最为常见。Ⅰ）吸收滤光片这是利用化合物基体本身对辐射具有的选择吸收作用制成的滤光片。常用的材料是无机盐做成的有色玻璃或者有机物质做成的明胶和塑料。滤光片的一个重要参数是透射率。若Φ0是入射光通量，Φ是经过滤光片的透射光通量，则透射率Ｔ＝Φ／Φ0有色玻璃滤光片使用广泛，优点是稳定、均匀、有良好的光学质量，但其通带较宽（很少低于３０ｎｍ）。有机物质滤光片制作容易，便于切割，而机械强度和热稳定性较差。选用两片（或３片）不同型号的有色玻璃组合起来，可以获得较窄的通带。Ⅱ）干涉滤光片干涉滤光片的显著优点是既有窄通带，同时又有较高透射率。常见的透射干涉滤光片利用多光束干涉原理制成。例如，一种最简单的结构是：在一块平面玻璃板上先镀一层反射率较高的金属膜，然后镀一层介质膜，在这层膜上再镀一层金属反射膜，最后盖封一块平面玻璃板。使光束垂直通过滤光片，则直接透过的光束与经金属膜两次反射后再透过的光束之间的光程差δ＝２ｎｄ其中：ｎ为介质膜的折射率；ｄ为膜的厚度。如果选择光程ｎｄ，对某一波长为λ的光束来说δ＝ｍλ（ｍ＝１，２，３…）则http://atlas.tju.edu.cn/webclass/physics/syjx/jxnr/cha2/c4/gs1.gif于是，该波长的透射光都是干涉加强的，其他接近此波长的透射光急剧减弱。例如，当忽略折射率随波长的变化时，设ｎｄ＝5.46×10-5ｃｍ，则在可见光范围的透射光峰值波长为５４６ｎｍ。这就是能够滤出汞光谱绿线的干涉滤光片。如果以多层介质膜取代上述金属膜，即可获得高透射率的窄带滤光片。选择普通吸收滤光片做干涉滤光片的基板（保护板）还可以控制透射光的截止区域。干涉滤光片的主要光学性能由中心波长λ0、通带半宽度Δλ和峰值透射率决定。