激光光学演示仪

25017激光光学演示仪 使用说明 高中物理教学仪器

一、原理和结构

激光光学演示仪的原理十分简单，如图a所示，从氦氖激光器1射出的水平激光束，经平面镜2反射后折转90°垂直向上，再经扩束器3扩束，成为一扇形光束，扇形光束经介质膜分束器（简称：分束器）中的介质膜分光镜反射后，又称水平方向，扇形光束与演示屏5垂直相交，从而在演示屏上显示出光束的径迹。在光路上放置各种光学零件后，就可以做各种光学实验。

如图b所示，演示仪主要由激光器1、扩束器3、分束器4、演示屏5、移动尺7和其他附件组成。

激光管和电源都安装在底座里，扩速器和移动尺装在底座上，分束器装在演示屏的左侧。在演示屏中间还有一只度盘6，它可以转动，中间有一只圆孔，用来插放各种光学组件。

激光器电气原理图如图c所示

二、仪器的使用和调节

使用仪器时，首先接上交流220V电源，然后顺时针方向旋转开关导第I档，在正常情况下，激光管1便会发射出红色（波长633nm)激光束。若由于外界电压过低，激光管不能启辉，可转动开关到第II档，第II档不行，可用III档。

做实验时，应该对扩束器、分束器进行调节，以使在演示屏上能显示出最清晰、明亮的光线径迹。

扩束器可在座内前后移动，以使扩束后的光束基本上落在分光镜上，并在演示屏上需要的部位得到最明亮的光线径迹，如果不需要扩束，只需要扩束器稍稍退出。

分束器是用来将光线分束的装置。根据需要可将光线分成二束、三熟、四束或五束。

（I型随机只附三面介质膜分光镜。II、III型附五面），这时就要分别使用二面、三面，四面或五面介质膜分光镜。为了使分束后的各条光线亮度均匀，各面介质膜分光镜的反射率是不一样的。因此，各分光镜都偏上了号。不分束时，用1#分光镜；分两束时，用1#、2#分光镜，如此等等。1#分光镜应装在最上面，2#、3#顺次向下安装。若要折下分光镜（图b），只需旋松滚花螺母上的固紧螺丝，取下滚花螺母，再拧松分光镜古今螺钉4-2，然后向前拔出分光镜即可。注意千万不要用手去拿分光镜的镜面，以免污染和损坏膜层。分光镜可以绕水平轴线转动，因此可在演示屏上得到各种不同的光线径迹，也可以根据需要使分束后的光线成为平行光线，会聚光线与发散光线。要转动分光镜，先要拧松固紧螺钉4-2，转动分光镜到需要位置，然后再拧紧固紧螺钉。

整个分束器座可绕两顶尖螺钉4-1、4-4的轴线转动，以调节分光镜和演示屏之间的倾角，从而可调节演示屏上光线的长度和亮度。调节时，只需转动分束器座上的调节螺钉（在分束器后面，图b中未画出）即可。

整个分束器可沿演示屏上槽作上下移动以适应各种需要。转动分束器的上、下两顶尖螺钉还可使分束器座作上下微调。微调前，先要将上、下顶尖螺丝上的锁紧螺母松开，退出（如仪器要作长途运输，则需将锁紧螺母锁紧，以免上下顶尖螺丝因震动而跌落。）然后转动上下两只顶尖螺钉，一只退、一只进。注意，不要将螺钉顶得过紧，以免损坏零件。

许多光学组件都可插入度盘中间的园孔中，组件可相对于度盘转动（但注意不要擦伤油漆），以固定在适当位置，度盘连同光学组件还可一起转动。

三、仪器保养

1、仪器必须用220V、50HZ交流电源。

2、切勿用手接触分束器分光镜的镜面和其他零件镀膜面，以免损坏膜层。还应避免灰尘沾染。

3、注意保护雁石坪和度盘的油漆，勿使擦伤、剥落。

4、仪器使用后，各光学零件，组件要用酒精乙醚混合液揩洗干净（镀膜面要尽少擦，最好不擦），并放在干燥处，最好放在干燥缸中。

5、所有衍射片应放在干燥缸中。

6、仪器使用完毕后，将扩束器上的护罩按到，将园孔盖住，以防灰尘落到平面镜上。

7、若更换激光管，应先打开仪器底座上盖，松开激光管夹持架。激光管不可夹得太紧。检修激光电路，应打开仪器底座下盖。

四、实验项目及方法

1、光的直线传播定律

用具：平面镜

步骤：

（1）开启激光器。

（2）调整分束器，只用1#分光镜。

（3）按图1把平面镜转轴插入盘孔中，成水平状。可见光在同一种均匀媒质中沿直线传播。

2、光的独立传播定律

用具：主机

步骤：

（1）按图2调整分束器，使两条光线相交于一点。

（2）在交点之间，用一不透光纸片挡住任意一条光线，则另一条光线的传播不因第一条光线的存在与否而受影响。

3、光的反射定律

用具：平面镜

步骤：

（1）将平面镜转轴插入度盘孔中，并垂直0-0线。

（2）调整分束器，只用一条光线，并使它沿度盘半径向入射。

（3）转动度盘，使入射光线以不同的入射角射向平面镜，读出反射角。分析对应的入射角和反射角之间的关系。

4、透镜扩束

用具：正透镜或负透镜

步骤：

（1）把双凸透镜或平凹透镜插在演示屏中间的插孔内。

（2）开启激光器，调整1#分光镜，使激光束垂直地投射在正透镜或负透镜上，获得锥形光束。（这时不用扩束器）。

5、柱面透镜扩束

用具：主机

步骤：

（1）开启激光器

（2）把扩束器放入光路中，获得扇形光束。

6、分束器分光

用具：主机

（1）开启激光器。

（2）调节分光器分光镜，可得各种光线-平行光线、会聚光线、发散光线或任意方向光线。

7、光栅分光

用具：双凸透镜、1#光刻衍射片

步骤：

（1）把双凸透镜1插在演示屏中间的插孔内，1#光刻片2插在移动尺上，白纸屏3放在适当的位置。（可用白色光滑的墙壁代替）

（2）用1#分光镜，使未经扩束器扩束的激光束照射在双凸透镜中间。

（3）调节移动尺，使经过双凸透镜扩束后的光束射在光栅上，在屏上产生又窄又亮的衍射条纹。如果照射的光由波长不同的成份组成，则每一波长都将产生和它对应的衍射条纹，起到发光作用。

（4）也可用未经扩束器扩束的激光直接照射在光栅上，只是因光栅被照范围较小，所以衍射条纹也较短。

8、光在两种介质上的定向反射

用具：平面镜

步骤：

（1）按图8将平面镜转轴插入盘孔中。

（2）调整分束器，产生平行光线，投射在平面镜上。光束产生定向反射。

9、平面镜对会聚光线成实像

用具：平面镜

步骤：

（1）调整分束器，产生聚光线，其交点为S。

（2）按图9将平面镜转轴插入度盘孔中。会聚光线反射，得S点的像S。

10、平面镜对发散光线成虚像。

用具：平面镜

步骤：

（1）按图10调整分束器，产生发散光线，投射在平面镜上，反射后可得虚交点S，实物成虚像。

11、平面镜转角和反射光线转角关系的测量：

用具：平面镜

步骤：

（1）同实验1步骤1.

（2）调整分束器，只用一条光线，使它沿度盘半径方向射到平面镜上，记录反射光线与入射光线的夹角Q1。。

（3）转动度盘，记录度盘转角α，再记录此时反射光线与入射光线的夹角Q2，验证α和（Q2－Q1）之间的关系。

12、双平面镜成像特性测定

用具：双平面镜

步骤：

（1）将双平面镜转轴插入度盘孔中。

（2）按图12调整分束器，使光线投射在双平面镜上，当度盘转动时，出射光线保持不懂。测出β和α角之间的关系。

13、光的漫反射

步骤：

（1）将漫反射镜转轴插入度盘孔中。

（2）调整分束器使产生一束平行光线，投射在漫反射镜上，观察反射光线的方向。

14、光的折射现象折射定律和光的可逆性测定

用具：半园柱透镜

步骤：

（1）将半园柱透镜转轴插入度盘孔中，底面垂直0-0线。

（2）调整分束器，使一条光线水平地通过度盘孔中心，转动度盘到图14a所示位置，记录入射角和折射角大小，即可求出半园柱透镜材料相对于空气的折射率。

（3）注意入射角i1的折射角r1的大小，然后转动度盘到图14b所示位置，此时在界面上也发生折射现象，若入射角i2等于前一种情况下的折射角r1,则此时的折射角r2恰好等于前一种情况的入射角i1，这正说明光的可逆性。

15、光的掠射、全反射现像及临界角的测定。

用具：半园柱透镜

步骤：

（1）调整分束器，使一条光线和0-0线重合。

（2）将半园柱透镜转轴插入度盘孔中，并使底面垂直0-0线。园柱面向着光线入射方向，如图15所示。

（3）转动度盘，开始入射角较小时，可看到界面反射光线亮度弱，折射光线强；随着度盘转动，入射角增大，反射角和折射角也增大，反射光线亮度渐渐增大，折射光线渐渐减弱。

（4）当折射角恰好为90°时，光线发生掠射，记下此时入射角i0的值，即为玻璃对空气界面的临界角，可以验证：

（5）当入射角大于临界角i0时，界面没有折射光线，而全部被反射，即发生全反射现象。

16、光的全反射现象的应用

用具：直角棱镜

步骤：

（1）按图１６（ａ）放置直角棱镜，用二条光线，可见光线偏折90°。

（2）按图１６（ｂ）放置直角棱镜，用一条光线，偏转180°。

17、潜望镜原理的演示

用具：潜望镜

步骤：

（1）用二条光线，并按图17放置潜望镜，即显示潜望镜光路。

18、棱镜最小偏向角及其材料折射率n的测定。

用具：等边棱角

步骤：

（1）把等边棱角镜转轴插入度盘孔内，使顶角α的平分线与0-0线重合。

（2）调整分束器，使光线沿度盘半径方向射向棱镜。

（3）转动度盘，出射光线方向发生变化，但在某一位置上，度盘虽转动，出射光线基本不动，此时入射光线和出射光线的夹角为最小偏向角δ0，量出δ0。此时在棱角内部光线平行底边。

（4）根据下式可求出棱镜材料折射率

19、光通过平行平板时平行位移量测定

用具：平行平板

步骤：

（1）把平行平板转轴插入度盘孔中，再使光线好射向平行平板。

（2）转动度盘使光线对平行平板的入射角尽量大。观察出射光线和入射光线，它们互相平行，但有一定位移量Δ1.并用量具测量。

20、光导纤维原理

用具：螺形玻璃棒

步骤：

（1）开启激光器，移出扩束器。

（2）将螺形玻璃棒放在移动尺上，上面用插片座固定，使玻璃棒轴线基本上与激光束平行。

（3）调整分束器和移动尺，用分束器中1#分光镜，把激光束射入螺形玻璃棒的一端。因光在其内部全反射在另一端射出，从而照亮在其附近的屏幕。

21、凹镜的会聚作用、焦点、焦距的测定

用具：凹镜

步骤：

（1）凹镜对称地置0-0线上。

（2）调整分束器使产生一束与主轴平行的平行光线，经凹镜反射后聚焦于焦点F（见图21），测出其焦距f，验证凹镜半径R和f的关系。

22、通过凹镜球心Cde光线反射后按原路返回

用具：凹镜

步骤：

（1）艾敬对称地置于0-0线上。

（2）吊证分束器，三条光线分别通过凹镜球心c（图22）观察反射光线。

23、物体到凹镜距离大于二倍焦距时所成的像

用具：凹镜

步骤：

（1）凹镜对称地置于0-0线上。

（2）调整分束器，使上光线通过球心c，中光线平行主轴，下光线和0-0线重合（主轴），得物体AB的像A’B’（图23）

24、物体到凹镜距离大于一倍焦距小于两倍焦距时所成的像

用具：凹镜

步骤：

（1）凹镜对称地置于0-0线上。

（2）调整分束器，使上光线平行0-0线，中光线和0-0线重合（主轴），下光线通过凹镜球心，得物体A、B的像A’B’。

25、物体位在凹镜的焦平面上，其像在无穷远

用具：凹镜

步骤：

（1）凹镜对称地置于0-0线上。

（2）按图25调整上光线、中光线和下光线，物体AB在凹镜焦平面上，其像即在无穷远。

26、物体位在凹镜焦点以内时所成的像

用具：凹镜

步骤：

（1）凹镜对称地置于0-0线上。

（2）图26所示，调整分束器，中光线作为凹镜主轴，上光线平行其主轴，下光线通过凹镜球心c，AB为实物，A’B’是AB的虚像。

27、凸镜的发散作用及虚焦点的测定

用具：凸镜

步骤：

（1）凸镜对称地置于0-0线上。

（2）按图27调整分束器，产生三条平行光线，经凸镜反射呈发散状，其延长线交于一点——虚焦点F。

28、经过凸镜球心的光线，按原路返回

用具：凸镜

步骤：

（1）凸镜对称地置于0-0线上。

（2）按图28调整分束器，使上、中、下光线通过凸镜球心c，此时反射光线按入射光线方向原路反射回来。

29、凸镜成像

用具：凸镜

步骤：

（1）按图29，放置凸镜。

（2）调整分束器，使上光线通过凸镜球心c，中光线平行主轴，且在镜前和上光线交于一点B，下光线通过主轴。AB为实物，A’B’是AB的虚像。

30、通过透镜节点的光线方向不变。

用具：双凸透镜

步骤：

（1）将双凸透镜对称地放于0-0线上。

（2）按图30调整分束器，使中光线和主轴重合，上下光线通过透镜节点，可见光线经节点后，按原来方向前进。

31、正透镜物方焦点的演示

用具：双凸透镜

步骤：

（1）将双凸透镜对称地放于0-0线上。

（2）调整分束器，使中光线通过主轴，并使三条光线经过透镜后平行主轴，此时该三条光线在镜前的交点即为物方焦点F。

32、正透镜的会聚作用、像方焦点F’,焦平面，焦距f的测定

用具：双凸透镜

步骤：

（1）按图32放置双凸透镜。

（2）选用上、中、下光线，且均平行主轴。经透镜折射交于一点，即为像方焦点F’。过该像方焦点F’垂直于主轴平面即为像方焦平面，并测出焦距f。

33、照相机成像原理

用具：双凸透镜

步骤：

（1）按图33放置双凸透镜

（2）选用上光线通过节点，中光线平行主轴，下光线通过主轴，使上、中光线的交点B到双凸透镜距离大于二倍焦距。AB为物，A’B’为像。

34、转像系统成像原理

用具：双凸透镜

步骤：

（1）按图34放置双凸透镜。

（2）选用上光线通过双凸透镜节点，中光线平行主轴，下光线和主轴重合，使上、中光线的交点B。AB为物，它到正透镜距离等于二倍焦距。A’B’为像。

35、投影放映系统成像原理

用具：双凸透镜

步骤：

（1）按图35放置双凸透镜。

（2）选用上、中、下三条光线，上、中二光线交点为B，AB为物，它到透镜距离小于二倍焦距，大于一倍焦距。其像为A’B’。

36、平行光源原理

用具：双凸透镜

步骤：

（1）按图36放置双凸透镜。

（2）选用上、中光线并通过双凸透镜的物方焦平面的上一点B，下光线和主轴重合，AB为物体，其像在透镜像方无穷远。

37、放大镜成像原理

用具：双凸透镜

步骤：

（1）按图37放置双凸透镜。

（2）选取上光线，中光线和下光线。上光线、中光线的交点B位在透镜的焦距之内，经双凸透镜成放大正立，虚像A’B’。

38、虚物位于正透镜的像方焦点F’之内的成像特征。

用具：双凸透镜

步骤：

（1）按图38放置双凸透镜。

（2）选用上、中、下光线。并使上光线平行主轴，中光线和透镜主轴重合，用3#反光镜移至位于分束器下的分束器接长架上，使下光线经过透镜节点，构成虚物AB，且位于像方焦点F’之内，得缩小、正立、实像A’B’.

39、虚物位于正透镜的像方焦平面上时的成像特征

用具：双凸透镜

步骤：

（1）按图39放置双凸透镜。

（2）选用上、中、下光线。上光线平行主轴，中光线和主轴重合，用3#反光镜移至位于分束器下的分束器按长架上，使下光线通过透镜节点，构成虚物AB于像方焦平面上，可见，像A’B’位于二分之一像方焦距处。

40、虚物位于正透镜二倍像方焦距处时的成像特征

用具：双凸透镜

步骤：

（1）按图40放置双凸透镜。

（2）选用上、中、下光线。虚物AB位于二倍像方焦距处时，缩小、正立、实像A’B’成在像方焦点F’之内。

41、虚物位于正透镜二倍像方焦距之外时的成像特征

用具：双凸透镜

步骤：

（1）按图41放置双凸透镜。

（2）调整分束器，将上光线平行主轴，中光线和主轴重合，下光线通过透镜节点，使虚物AB位于二倍像放焦距以外，得缩小正立实像A’B’。

42、虚物位于透镜像方无穷远时的成像特征

用具：双凸透镜

步骤：

（1）按图42放置双凸透镜。

（2）调整分束器，使下光线通过双凸透镜节点，上光线和主轴重合，中光线平行下光线，使虚物AB位于像方穷远处，则成缩小、正立实像A’B’于像平方焦平面上。

43、负透镜的发散作用，虚焦点F’、虚焦平面及其后截距1 F’测定。

用具：平凹透镜

步骤：

（1）按图43放置平凹透镜。

（2）使上、中、下光线平行平凹透镜主轴入射，且使中光线和主轴重合。把出射光线相反方向延长得虚焦点F’，虚焦平面，并测定截距后1 F’.

44、实物经棱镜成虚像

用具：等边棱镜

步骤：

（1）按图44放置等边棱镜。

（2）使上、中两光线在等边棱镜前交于一点A，作为物，成虚像A’。

45、开普勒望远镜成像原理

用具：开普勒望远镜

步骤：

（1）按图45放置开普勒望远镜。

（2）使上、中、下光线平行于主轴入射，且中光线和主轴重合，其出射光束也平行于主轴。

46、无穷远轴外物点对开普勒望远镜所成的像

用具：

（1）用实验45步骤1.

（2）同实验45步骤2.

（3）转动度盘即可显示。

47、伽利略望远镜成像原理

用具：伽利略望远镜

步骤：

（1）按图47放置伽利略望远镜。

（2）使上、中、下光线平行主轴入射，且中光线和主轴重合，则其出射光线也平行于主轴出射。

48、无穷远轴外物点对伽利略望远镜所成的像

用具：伽利略望远镜

步骤：

（1）同实验47步骤1.

（2）同实验47步骤2.

（3）转动度盘即可显示。

49、显微镜成像原理

用具：显微镜

步骤：

（1）按图49放置显微镜。

（2）掉整分束器，使上光线和显微镜主轴重合，中光线平行主轴，下光线通过显微镜物镜节点，且使中、下光线交于物镜一倍焦距以外二倍焦距以内，得物AB，其像为A”B”.

50、近视眼矫正原理

用具：双凸透镜、平凹透镜

步骤：

（1）按图50放置双凸透镜。

（2）调整分束器，使上、中、下光线平行于主轴入射，且中光线和主轴重合，得像点A。

（3）把平凹透镜放置在双凸透镜前，二者间距1-5㎜，可见像点A’向右移动得A”。

51、远视眼矫正原理

用具：双凸透镜、平凸透镜

步骤：

（1）按图51放置双凸透镜。

（2）调整分束器，使上、中、下光线平行于主轴入射，且中光线和主轴重合，得像点A。

（3）把平凸透镜放置在双凸透镜前，二者间距1-5㎜，可见像点A’向右移动得A”。

52、杨氏双缝干涉

用具：双凸透镜、1#光刻衍射片

步骤：

（1）把双凸透镜1插在演示屏中间的插孔内，1#光刻衍射片2插在移动尺上，白纸屏3放在距衍射片2米以外适当位置，（可用白色光滑的墙壁代替）。（见图52）

（2）用1#分光镜，使未经扩束器扩束的激光束射在双凸透镜中间。

（3）调节移动尺，使经过双凸透镜扩束后的光束射在双缝上，在屏上就呈现明暗相间的双缝干涉图样。

（4）也可用未经扩束器扩束的激光束直接照射在双缝上，只是因双缝被照范围较小，所以干涉条纹也较短。

53、劈尖干涉

用具：1、扩束透镜；2、准直镜；3、劈尖；4、会聚镜（2、4中学实验可不用）；5、白色纸屏。（见图53）

步骤：

（1）将扩束透镜、劈尖、准直镜，会聚镜置于光具架上，如图53布置并调节各元件高度，在白色纸屏上即可看到劈尖形成的平行等厚干涉条纹。

54、单缝衍射

用具：1、1#衍射片；2、白色纸屏（或墙）。

步骤：

（1）将1#衍射片插在移动尺上。

（2）移动扩束器，使激光束不扩束，调节移动尺和分束器，使激光束正好通过衍射片上的单狭缝，在离衍射片相当的纸屏（或墙）上，可看到明暗相间的衍射条纹。（见图54）

（3）也可在演示屏中间的插孔内插上双凸透镜，使未经扩束的激光照射在双凸透镜中间后再照射在单缝上，这样单缝被照范围较大，燕少爷条纹较长。（园孔衍射，方孔衍射，矩孔衍射，三角孔衍射，不宜用双凸透镜）

55、双缝衍射

实验方法同上，将单缝更换成双缝，观察衍射条纹的变化。

56、三缝衍射

实验方法同上。将双缝更换成三缝，观察衍射条纹的变化。

57、四缝衍射

实验方法同上。将三缝更换成四缝，观察衍射条纹的变化。

58、光栅衍射

实验方法同上。将多缝更换成光栅。

59、园孔衍射

实验方法同上。将光栅更换成园孔。

60、方孔衍射

实验方法同上。将园孔更换成方孔。

61、矩孔衍射

实验方法同上。将方孔更换成矩孔。

62、三角孔衍射

实验方法同上。将矩孔更换成三角孔。

63、偏振器

用具：起偏器、检偏器、光具架

步骤：

（1）将起偏器放在光具架上，调整光路使激光束通过起偏器。

（2）将偏振器插片座插入移动尺，并将检偏器外槽插入插片座，旋转检偏器，屏上光点发生明暗变化，变化周期为180°.

（3）若将起偏器方心放入扩束器遮壳的方孔，将偏检器旋入起偏器园孔中，并使用扩束器，可直接在演示屏上看到光线经迹的明暗变化。

64、牛顿环

实验方法同实验53，将劈尖换成牛顿环，在白色纸屏上可看到明暗相间的同心园环条纹。