光学教学大纲兰州大学物理学院.docx

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光学教学大纲兰州大学物理学院

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、θ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、θ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、熟悉自动控制程序的使用；

3、观察并测量不同元件产生的衍射图样的光强分布谱并与理论值进行比较。

实验十九：

光偏振的定量研究

【实验目的】：

1、观察光的偏振现象巩固理论知识；

2、利用偏光器件对光的偏振性质进行定量测量和鉴别。

【仪器用具】：

光学平台、偏振器件、计算机自动采集系统。

【教学要求】：

在《光偏振的基本现象》实验基础上进行定量测量，熟悉计算机自动光强测量的装置及方法。

【实验内容】：

1、共轴调节；

2、检验光源的线偏振性；

3、验证马吕斯定律；

4、1/4波片及其工作参数的测量；

5、1/2波片及其工作参数的测量。

实验二十：

暗室技术

【实验目的】：

1、了解照相、放大、翻拍机的基本结构和原理，并掌握其使用方法；

2、初步掌握拍照、冲印和放大的基本操作；

3、了解照片质量同底片，曝光、冲显影时间之间的关系。

【仪器用具】：

暗室、翻拍机、像纸等。

【教学要求】：

照相的基本原理，曝光量、光圈、快门、景深，感光材料、潜像，显影、定影，像质与各参量之间的关系。

【实验内容】：

1、拍摄实物或翻拍图片；

2、冲洗底片；

3、调整不同参数冲洗至少两张相片并对其效果做出比较分析。

实验廿一：

阿贝折射计

【实验目的】：

1、了解阿贝折射计的结构原理；

2、学会利用阿贝折射计测量物质折射率。

【仪器用具】：

阿贝折射计、待测固体、蒸馏水、酒精、溴代萘等。

【教学要求】：

折射极限法，折射计。

【实验内容】：

1、用标准物质的折射率校准阿贝折射计读数；

2、测定液体（溶液）的折射率

3、测定透明固体块的折射率。

实验廿二：

光栅光谱仪

【实验目的】：

1、了解光栅光谱仪的基本结构和工作原理;

2、学会利用光谱仪测定物质的光吸收谱

【仪器用具】：

光栅光谱仪、样品。

【教学要求】：

光谱仪、光谱采集、光谱分析。

【实验内容】：

1、熟悉光谱记录程序的操作，掌握光吸收谱测量的方法；

2、测定给定样品的光吸收谱。

实验廿三：

多光束的干涉（F-P干涉仪）

【实验目的】：

1、掌握多光束干涉的原理;学会F-P干涉仪的调节方法,观察干涉锐环；

2、测量F-P干涉仪的几个光学参量。

【仪器用具】：

F-P干涉测量系统。

【教学要求】：

多光束干涉、F-P干涉仪。

【实验内容】：

1、调节F-P干涉仪获得干涉圆条纹,观察细锐干涉环;

2、测量镜面间距,中心小数序；

3、测量干涉仪的分辨本领及光谱范围。

实验廿四：

点光源的干涉

【实验目的】：

1、了解干涉测量的基本原理;

2、学习简单的点光源干涉法测量的原理及方法

【仪器用具】：

激光光源、玻璃板、小孔光阑、多维调节架等。

【教学要求】：

干涉测量。

【实验内容】：

1、安排调整点光源干涉法测量的基本光路;

2、测量平行板的厚度差;

3、研究测量误差与光路参数设置之间的关系。

实验廿五：

色度学实验

【实验目的】：

1、了解色度学的基本概念、原理及方法；

2、掌握各种样品的主波长测量的方法。

【仪器用具】：

WGS-9型色度实验系统、待测样品

【教学要求】：

色度、三刺激值。

【实验内容】：

1、透过率及发光体的测量；

2、反射率的测量。

实验廿六：

平行光的产生和检验

【实验目的】：

1、了解光学系统主要部件的设计原理，熟悉其调节系统；

2、学习扩束准直系统的调节和使用；

3、学习平行光束的调整检验方法。

【仪器用具】：

卤素灯、分束镜、反射镜、扩束及准直透镜、针孔滤波器、平晶等。

【教学要求】：

扩束系统、成像系统、像差、滤波器、组合透镜

【实验内容】：

1、扩束准直系统的调节；

2、滤波器调整；

3、平行光的产生和检验；

实验廿七：

透镜组基点的测定

【实验目的】：

1、了解透镜组基点的一般特性；

2、测定透镜组的几点和焦距；

3、验证单透镜的基点与透镜组基点之间的关系。

【仪器用具】：

平行光管、节点调节器、测距显微镜、光具座、待测透镜等

【教学要求】：

透镜组、基点。

【实验内容】：

1、调节光学系统共轴；

2、测定像方焦距；

3、测定物方焦距；

4、绘图表示透镜组的主平面及基点位置。

实验廿八：

杨氏双缝

【实验目的】：

1、观察杨氏双缝的干涉现象；

3、测量光源波长。

【仪器用具】：

钠灯、透镜、光具座、测微狭缝、双缝、测微目镜等。

【教学要求】：

相干条件、双光束干涉及其装置、干涉反比关系、干涉条纹的分布及变换规律。

【实验内容】：

1、调节光学系统；

2、测量钠光波长。

实验廿九：

自组装迈克尔逊干涉仪

【实验目的】：

1、熟悉迈克尔逊干涉的结构；

2、训练光路的调节；

3、了解干涉法测量折射率的原理及方法。

【仪器用具】：

光学平台、光具座、分束镜、平面镜、气室、光屏等。

【教学要求】：

迈克尔逊干涉仪、干涉法测量折射率。

【实验内容】：

1、组装调节简单形式的迈克尔逊干涉仪；

2、干涉法测量空气折射率。

实验三十：

菲涅尔双棱镜

【实验目的】：

1、观察双棱镜的干涉现象；

2、测定光波长；

3、掌握测微目镜的使用方法。

【仪器用具】：

钠光灯、测微单缝、双棱镜、薄透镜、测微目镜、光学导轨及光具座、计算机自动采集系统。

【教学要求】：

相干条件、双光束干涉及其装置、干涉反比关系、干涉条纹的分布及变换规律。

【实验内容】：

1、观察干涉条纹的变化规律；

2、测定光源波长。

实验三一：

透镜像差的观察

【实验目的】：

1、观察透镜的像差；

2、了解像差产生的原因。

【仪器用具】：

光具座、白炽灯、透镜、滤光片、孔径光阑、物标、坐标纸等。

【教学要求】：

像差、色差、透镜组。

【实验内容】：

1、测量凸透镜的球差；

1、观察慧差；

2、测量凸透镜像散差；

3、畸变的观察；

4、测定正透镜的位置色差；

5、观察正透镜的放大率色差。

实验三二：

光电探测原理综合实验

【实验目的】：

研究光电检测器件的基本特性。

【仪器用具】：

光电探测原理综合实验仪、光敏电阻，光敏二极管，光敏三极管，硅光电池，APD光电二极管，PIN光电二极管，色敏光电二极管等。

【教学要求】：

光电转化。

【实验内容】：

1、工作原理和结构认知实验

2、暗电阻、暗电流，亮电阻、亮电流测试实验

3、光电流，伏安特性，光电特性，时间响应特性，光谱特性测试实验。

实验三三：

信息光学综合实验

【实验目的】：

了解信息光学的基本原理、方法。

【仪器用具】：

信息光学综合实验系统。

【教学要求】：

衍射、干涉、阿贝成像原理、滤波、编码调制、全息术、光信息存储。

【实验内容】：

菲涅耳衍射与针孔滤波实验；夫良和费衍射实验。

马赫曾德干涉系统；自组麦克尔逊干涉仪观察干涉现象；萨格奈特干涉仪的搭建；各种全息光栅的制作；光栅参数特性研究；光学图象想减；利用复合光栅实现光学微分处理；θ调制及伪彩色编码调制；阿贝成像原理与空间滤；。

全息照相：

反射式全息、透射式全息、彩虹全息；激光散斑测量；实时联合傅立叶相关识别；光信息存储。

实验三四：

太阳能电池特性研究

【实验目的】：

了解太阳能电池的基本结构、工作原理及其光电特性。

【仪器用具】：

光学导轨、太阳能电池板附件。

【教学要求】：

光电转化及存储、光电池的工作原理。

【实验内容】：

1、测量入射到太阳能电池板上的光功率、太阳能电池的开路电压、短路电流。

2、绘制太阳能电池的开路电压、短路电流随入射光功率的变化曲线以及太阳能电池伏安特性曲线；

3、计算太阳能电池的转换效率、填充因子及其内阻

实验三五：

激光相位测距

【实验目的】：

了解激光测距的基本原理和一般方法。

【仪器用具】：

激光相位测距教学实验系统

【教学要求】：

光速的测量、标准米、相位测距原理。

【实验内容】：

半导体激光器的电光特性，激光内调制的基本原理；掌握激光器相位测距的基本原理、基本方法；多波长测量的意义和方法；雪崩光电二极管的性能、工作原理和特点。

实验三六：

光学仿真初步

【实验目的】：

1、了解虚拟仪器的工作原理；

2、掌握简单的光学实验仿真方法。

【仪器用具】：

LabVIEW虚拟仿真系统

【教学要求】：

虚拟仪器、LabVIEW、光学仿真。

【实验内容】：

自行设计实验内容。

实验三七：

声光效应

【实验目的】：

1、观察液体中的声光效应；

2、研究超声频率与衍射花样的关系。

【仪器用具】：

液体声光效应实验仪

【教学要求】：

超声波、驻波、超声光栅、塔尔伯特效应。

【实验内容】自行设计实验内容。

实验三八：

电光效应

【实验目的】：

观察液晶的衍射现象

【仪器用具】：

液晶电光效应实验仪

【教学要求】：

电光效应及其应用。

【实验内容】：

自行设计实验内容。

实验三九：

磁光效应

【实验目的】：

观察磁致旋光现象。

【仪器用具】：

磁光效应实验仪。

【教学要求】：

磁光效应及其应用。

【实验内容】：

自行设计实验内容。

实验四十：

光纤光学与半导体激光器的电光特性

【实验目的】：

了解半导体激光器的工作原理。

【仪器用具】：

光学导轨、半导体激光器、光纤、光电二极管探头、光阑等。

【教学要求】：

光纤、光信号传输、半导体激光器。

【实验内容】：

光纤的切割与端面的处理；激光与光纤的耦合及耦合效率的测量；半导体激光器的阈值电流和增益斜率；观察光纤的模式及偏振态、光纤弯曲对模式的影响（扰模）；光纤中的光速测定和光纤材料的平均折射率的估算；模拟信号（音频）的调制、发射、光纤传输、接收放大和解调（光纤通讯原理）；光纤数值孔径的测量；振动信号的拾取。

制定人：

牛小宁

审定人：

批准人：

日期：

2016.6.30