§3 光学实验基本知识

一、光学仪器的分类

光学实验中常用的仪器大致有以下几种：

（1）以几何光学的反射、折射定律为主而设计的光学仪器，如望远镜、显微镜、照相机和幻灯机等。

（2）以干涉、衍射、色散、偏振以及发光机制等物理光学的基本原理而制成的光学精密测量仪器，如分光计、迈克尔逊干涉仪、棱镜摄谱仪和光栅摄谱仪等。

（3）各种进行光度学测量的光电接收器和常用光源，如光电池、光电管、钠光灯、汞灯和激光器等。

二、光学仪器的使用、维护规则

光学仪器一般由两部分组成：光学系统部分和机械部分。由于光学仪器一般为精密测量仪器，因而机械部分装配极为精密。光学系统部分装有光学元件，由光学玻璃组成仪器的核心部分，光学实验的光路要通过光学元件。光学元件的表面质量直接影响观察和成像质量，因而其表面应严加保护，避免破损、磨损、玷污及化学腐蚀等。在进行光学实验时，必须严格遵守以下操作规则：

（1）爱护光学表面。“光学表面”是指光学元件中光线透射、反射、折射等的表面，一般经过精细抛光或镀有薄膜。为便于区别，一般非光学表面被磨成毛面。使用中应做到：

①切勿用手触摸光学表面，拿取时只能触及毛面，如透镜的侧面，棱镜的上、下底面等。

②注意保持光学表面的清洁，不要对着光学元件说话、打喷嚏、咳嗽，使用完毕，应加罩隔离，以免玷污灰尘。

③如果光学表面有玷污，切忌用手帕、衣服等擦拭，应先了解表面是否镀有薄膜，若无薄膜，可在老师指导下，用洁净的擦镜纸轻轻拂拭或用清洁干燥的专用毛笔轻轻弹刷，也可用橡皮球吹拂表面，勿使其碰坏光学表面。

（2）光学装配极为精密，拆卸后难以复原，使用中严禁私自拆卸。各种旋钮不可随意乱拨，以免造成严重磨损。

（3）进入暗室操作时，首先应熟悉各种仪器用具摆放的位置。在黑暗环境下摸索仪器和用具，应养成手贴桌面、动作轻缓的习惯，以免撞倒或带落仪器及光学元件。

（4）暂时不用的元件，应放回原处，不得随便乱放。仪器用毕，应放回箱内或加罩隔离。

（5）保护光源。各种光源均有各自所需的额定电源电压值，应事先了解，正确使用，不可以随便乱插，以免导致损坏；各种光源均有一定的使用寿命，且每燃、灭一次，对寿命有很大影响，因此使用时，不要过早点燃，使用中抓紧时间操作，用毕立即熄灭。

三、光学实验常用的光学仪器

光学仪器多种多样，除了在各个实验中介绍所用的仪器外，这里着重介绍几种光学实验中经常使用的仪器。

（一）望远镜

望远镜用来观察远距离的物体，除了单独使用外，有些仪器（如分光计、迈克尔逊干涉仪等）上装有望远镜部件，因而学会正确使用望远镜，将有助于观察其他仪器的调节。

望远镜一般包括三个部分：物镜、叉丝（或分划板）、目镜。物镜的焦距较长，远方的物体经过物镜在其焦平面附近形成个倒立的缩小实像（中间像）。目镜的焦距较短，其作用是将中间像放大形成放大的虚像，以便于观察。物镜与目镜一般由几片透镜组合而成。在物镜成像的平面上还装有两根互相垂直的细丝，称叉丝（有的装分划板），利用它可以判断像的位置。为了适应不同的光束和不同的观察者，此三部分分别装在三个筒中以便于调节。

实验中常用的望远镜为开普勒望远镜，其特点是物镜和目镜均由会聚透镜构成，其放大倍率为

式中，fo为物镜焦距，fe为目镜焦距。此式表明，目镜的焦距越短，则望远镜的放大倍率越大。对于开普勒望远镜，fo、fe均为正值，放大率M为负值，系统成倒立的像。图1.4.11所示为开普勒望远镜的光路图。

望远镜具体调节方法如下：

（二）显微镜

（1）调节目镜筒，改变目镜到叉丝的距离，使眼睛通过目镜时，可清晰地看到叉丝。

（2）将望远镜对准被观察物体，调节物镜，使眼睛能清晰地看到物体，并无视差存在。注意：在调节物镜时，不要再改变目镜。

显微镜用来观察近处的微小物体，其构造主要有物镜和目镜两部分，有的显微镜（如读数显微镜）还装有叉丝，其特点是物镜的焦距很短，物体经过物镜成一倒立的放大实像（中间像），目镜将中间像再次放大虚像，其光路图如图1.4.12所示。

根据理论计算可得，显微镜的放大率为

M=Mo×Me

式中，Mo为物镜的放大率，Me为目镜的放大率。

读数显微镜的调节方法如下：

（1）改变目镜与叉丝的距离，从目镜中清晰地看见叉丝。

（2）改变物体与显微镜物镜之间的距离，使物体通过物镜所成的像恰好位于目镜中，从目镜中能同时看清叉丝和被测物体的像。

由于显微镜的物镜焦距很短，因此在调节时应先将镜筒下降到物镜将要接触被观察物体时为止，然后用眼睛在目镜中观察并由自下而上缓慢提高镜筒，直到看清晰物像。按此方法调节，可避免镜筒过分向下挤压待测物体而造成物镜或待测物体破损。

（三）测微目镜

测微目镜可用来测量微小距离，其结构如图1.4.13所示。

旋动测微鼓轮，通过传动丝杆可推动活动分划板左右移动。测微鼓轮刻有100分格，每转一圈，在主轴上转动一格为1mm。在主轴上刻有10mm。其读数方法与螺旋测微器相似，毫米以上的读数在主轴上读出，毫米以下的读数在测微鼓轮上读出。使用时，先调节目镜，看清叉丝，然后转动测微鼓轮，推动分划板，使叉丝与被测物的像重合。测其两端，读出数值，其差值即被测物的尺寸。

四、光学仪器的调节

光学仪器的调节一般比其他仪器复杂一些，随时运用学过的理论指导操作，加强观察分析。光学仪器的调节时，应注意以下几点。

（一）像的亮度

光经过介质（玻璃、空气、液体）时，由于反射、吸收、散射，光能量受损失，而使光强减弱或成像模糊。可以从以下几方面调整：

（1）增加光源亮度，改进聚光情况，尽量减少像差。

（2）降低背景亮度，尽可能消除杂散光的影响。

（3）提高光源的电源电压，尽量增强光源发光的强度。

如果对被观察物体的光照过强或不均匀，则其所在的像的亮度亦不理想，也会产生不好的效果，为使亮度适中，必须注意用光。

（二）视差

在调节光学仪器或各种光路过程中，常需判断两个像的位置或比较像和物（如叉丝）的位置是否重合，这时如果用眼睛直接观察，往往不可靠，可利用无视差的方法进行判断。如有视差存在，将眼睛左右（上下）移动时，物、像之间将存在相对位移。这时必须反复调节，直至消除视差，使两像或物像完全重合。对于望远镜，消除视差的方法是改变物镜与叉丝（包括目镜）之间的距离，而对于显微镜，则改变显微镜相对于被观察物体的距离。

（三）调焦

实验中往往发现成像平面进退一段距离时，像的清晰度不出现显著的变化，因而不易判断像的准确位置，这时可将成像平面（或透镜）进退几次，找出像开始出现模糊的两个临界位置，取其中点，多调节几次，即能得到准确的结果。

（四）光学系统各部件的共轴性

由于对多个透镜元件组成的光路，应使各光学元件的主光轴重合，否则将严重影响成像质量。使用同轴等高的调节方法可达到此要求。

（五）注意

使用显微镜时，应注意使鼓轮沿一个方向缓慢转动，中途不能进进退退，以避免空程带来的误差。

轻拿轻放仪器，使用前必须先了解仪器的结构、正确使用方法和操作要求。操作时动作要轻，缓慢动可动零件部位，切忌用力过大，速度过快。对于狭缝等精密零件，要注意保护刀口。

除实验室规定外，不允许任何溶液接触光学表面。

五、实验室常用的光源

（一）白炽灯

白炽灯是具有热辐射连续光谱的复色光源。根据不同的使用要求，白炽灯又分为普通灯泡和汽车灯泡等。它们有各自所需的额定电压和功率，应按规定使用。

（二）汞灯

汞灯也称水银灯，是一种利用汞蒸气放电发光的气体放电光源。汞灯点燃稳定后，发出绿白色光。在可见光范围内的光谱成分是几条分离的谱线。按其工作时汞蒸气压的高低，可将汞灯分为低压、高压和超高压三种。汞灯点燃后，一般需经5～15min后，发光才能稳定。汞灯点燃后，如遇突然断电，灯管温度仍然很高，如果立即接通电源往往不能重新点燃。必须等灯管温度下降，汞蒸气压降低到一定程度后，才能再度点燃，一般约需等10min。

汞灯除发出可见光外，还辐射较强的紫外线。为防止眼睛受伤，必须注意：不要用眼睛直接注视点燃的汞灯。

（三）钠光灯

钠光灯也是一种气体放电光源。在可见光范围内，钠光灯发出两条波长非常接近的强谱线，通常取它们的中心近似值589.3nm作为黄光的标准参考波长。它是实验室内常用的单色光源。

钠光灯与汞灯类似，使用时在线路中必须串入一个符合管要求的扼流圈。

（四）激光器

实验室中最常用的是氦-氖激光器，是气体激光器的一种，激光波长为632.8nm。激光电源为高压电源，所需管压降为几千伏。为了保护放电的稳定性，必须串入镇流电阻。一般电源输出电压3～4kV。其最佳工作电流根据管长而定，使用时电流太大或太小都会影响光功率。

高压电源的电路中，一般都有大电容，所以切断电源后，必须输出端短接放电，否则高压会维持相当长一段时间，有造成触电的危险。接线时，注意判定管子的正负极，不要接错。使用时，不要用眼睛直接注视未经扩束的激光束，以免损伤眼睛。