1.光拍法测量光的速度 1.实验目的? 答:用声光频移法获得光拍,通过测量光拍的波长和频率来确定光速, 2.什么是拍?形成拍的条件是什么? 答:两个频率都较大但相差很小的同向简谐振动合成时,所产生的振幅时而加强时 而减弱的现象称为拍。速度相同,振面相同,频差较小而同向传播的简谐波的叠加 形成拍 3.什么是拍频? 答:单位时间内振动加强或减弱的次数叫做拍频 4.什么是声光效应? 答:介质中的超声波能使入射的光束发生衍射,这就是所谓的声光效应。 5.为什么两束光波没有发生干涉现象? 答:因为两束光的频率不同。 6.利用相位差法测量光速 答:使用相位差法测定光速实现方法是:光发射器是一个以频率为50MHz发射光脉 冲的发光二极管。接收器是能把光信号转换成50MHz交流信号的光敏二极管。(另 条信号线将一个与光信号同步且在测量之初同相位的参考信号传输给示波器。) 所以当光程差增加了Δs,则接收到的信号相位会因传输时间的增加而变化△<=2rf△t (f=50MHz)。其中待测的传输时间将通过一种电子信号的处理手段进行放大和处理 即接收到的光电转换信号与参考信号在通过一个只通过低频信号的滤波器前都将 与一个频率为f=499MHz的信号合成这样通过的频率就是合成后的“拍频”f f=0.MHz。这种合成对传输引起的相位差没有影响,但是示波器更容易显示了。当 光电转换信号与参考信号用李萨如图的方法在示波器上显示,发现示波器上显示的 是一个类似圆波形。调节光发射器到光接收器的光程差,则由于光电转换信号与参 考信号相位差随着发生变化所以圆波形发生翻转,当由正圆变到一条斜线段时位相 差变了2(当然由斜线段变到圆时也变化π2)。记下相位差变了m2的光程差△s,则 根据公式△φ求得光速度值。 【返回】 2.阿贝成像与空间滤波 1.阿贝成像的原理是什么? 答:物是一系列不同空间频率的集合入射光经物平面发生夫琅和费衍射,在透镜焦 面(频谱面)上形成一系列衍射光斑,各衍射光斑发出的球面次波在相面上相干叠加 形成像 2.画出阿贝成像的光路图
1.光拍法测量光的速度 1．实验目的？ 答: 用声光频移法获得光拍，通过测量光拍的波长和频率来确定光速。 2．什么是拍？形成拍的条件是什么？ 答：两个频率都较大但相差很小的同向简谐振动合成时，所产生的振幅时而加强时 而减弱的现象称为拍。速度相同，振面相同，频差较小而同向传播的简谐波的叠加 形成拍。 3．什么是拍频？ 答：单位时间内振动加强或减弱的次数叫做拍频。 4．什么是声光效应？ 答：介质中的超声波能使入射的光束发生衍射，这就是所谓的声光效应。 5．为什么两束光波没有发生干涉现象？ 答：因为两束光的频率不同。 6. 利用相位差法测量光速。 答：使用相位差法测定光速实现方法是:光发射器是一个以频率为 50MHz 发射光脉 冲的发光二极管。接收器是能把光信号转换成 50MHz 交流信号的光敏二极管。(另 一条信号线将一个与光信号同步且在测量之初同相位的参考信号传输给示波器。) 所以当光程差增加了 Δs,则接收到的信号相位会因传输时间的增加而变化:Δ<=2πfΔt (f=50MHz)。其中待测的传输时间将通过一种电子信号的处理手段进行放大和处理: 即接收到的光电转换信号与参考信号在通过一个只通过低频信号的滤波器前,都将 与一个频率为 f′=49.9MHz 的信号合成,这样通过的频率就是合成后的“拍频”:ff′=0.1MHz。这种合成对传输引起的相位差没有影响,但是示波器更容易显示了。当 光电转换信号与参考信号用李萨如图的方法在示波器上显示,发现示波器上显示的 是一个类似圆波形。调节光发射器到光接收器的光程差,则由于光电转换信号与参 考信号相位差随着发生变化,所以圆波形发生翻转,当由正圆变到一条斜线段时位相 差变了 π/2 (当然由斜线段变到圆时也变化 π/2)。记下相位差变了 π/2 的光程差 Δs,则 根据公式 求得光速度值。 【返回】 2.阿贝成像与空间滤波 1．阿贝成像的原理是什么？ 答：物是一系列不同空间频率的集合.入射光经物平面发生夫琅和费衍射,在透镜焦 面(频谱面)上形成一系列衍射光斑,各衍射光斑发出的球面次波在相面上相干叠加, 形成像. 2．画出阿贝成像的光路图。 2 s c f =
光栅 物镜 频谱面 像平面 3.阿贝成像的意义? 答:阿贝把物体或图片看成是包含一系列空间频率的衍射屏,物体通过透镜成像的 过程分为两步:第一步是信息分解:夫琅和费衍射起分频作用,将各种空间频率的 平面波分开,在透镜的后焦面上形成频谱。第二步是信息合成:干涉起综合作用。 它是光学信息处理的理论基础。它以一种新的频谱语言来描述信息,它启发人们用 改造频谱的方法来改造信息。 4什么是空间频率,空间频谱? 答:空间频率:空间频率为v=1/dx,空间圆频率k,=2π/d=2πx。在光学中 空间频率表示单位长度内复振幅的重复次数。对三维空间沿任意方向复振幅的周期 性,可用ⅹ、y、z坐标轴的空间周期(空间频率)分量表达。 空间频谱:在透镜的像方焦面上物体的夫琅和费衍射图样 5什么是空间滤波,怎样实现? 答:空间滤波的具体作法如下,阿贝成像原理告诉我们,物信息的频谱展现在透镜 的后焦面(傅氏面)上,我们可在这平面上放置不同结构的光阑,以提取(或摒弃) 某些频段的物信息,亦即我们可主动地改变频谱,以此来达到改造图像的目的。用 频谱分析的眼光来看,傅氏面上的光阑起着“选频”的作用。广义地说,凡是能够直 接改变光信息空间频谱的器件,通称空间滤波器或光学滤波器。 下图是一组具有不同频率特性的简单空间滤波器: (a)低通 (b)高通(c)带通 【返回】 3.锁相放大器 什么是锁相放大器? 答:在测量的弱物理量(如弱光,弱磁、弱声、小位移、微温差、微电导及微振动 等),一般都通过各种传感器作电量转换,使检测对象变换成电量。但由于弱物理
3．阿贝成像的意义？ 答：阿贝把物体或图片看成是包含一系列空间频率的衍射屏，物体通过透镜成像的 过程分为两步：第一步是信息分解：夫琅和费衍射起分频作用，将各种空间频率的 平面波分开，在透镜的后焦面上形成频谱。第二步是信息合成：干涉起综合作用。 它是光学信息处理的理论基础。它以一种新的频谱语言来描述信息，它启发人们用 改造频谱的方法来改造信息。 4.什么是空间频率，空间频谱？ 答：空间频率：空间频率为 vｘ=1/ｄｘ，空间圆频率 kｘ=２π/ｄ=２πνｘ。在光学中， 空间频率表示单位长度内复振幅的重复次数。对三维空间沿任意方向复振幅的周期 性，可用ｘ、ｙ、ｚ坐标轴的空间周期（空间频率）分量表达。 空间频谱：在透镜的像方焦面上物体的夫琅和费衍射图样。 5.什么是空间滤波，怎样实现？ 答：空间滤波的具体作法如下，阿贝成像原理告诉我们，物信息的频谱展现在透镜 的后焦面（傅氏面）上，我们可在这平面上放置不同结构的光阑，以提取（或摒弃） 某些频段的物信息，亦即我们可主动地改变频谱，以此来达到改造图像的目的。用 频谱分析的眼光来看，傅氏面上的光阑起着“选频”的作用。广义地说，凡是能够直 接改变光信息空间频谱的器件，通称空间滤波器或光学滤波器。 下图是一组具有不同频率特性的简单空间滤波器： 【返回】 3.锁相放大器 1. 什么是锁相放大器？ 答：在测量的弱物理量(如弱光，弱磁、弱声、小位移、微温差、微电导及微振动 等)，一般都通过各种传感器作电量转换，使检测对象变换成电量。但由于弱物理
量本身的涨落、传感器的本底与测量仪器噪声的影响,被测的有用电信号是一种被 强于数千甚至数十万倍的噪声所淹没的微弱信号.为了大幅度提高检测下限和测量 灵敏度,我们不仅要减小测量系统的噪声,而且要能从噪声中提取信号.这就要使 用锁相放大器,即采用相关检测的方法来测量。其特点是: ).首先使测量系统的主要部分,避开噪声功率密度大的地方,从而使输入噪声 较小。我们已知在低频区,闪烁噪声可以比白噪声髙出数倍、数十倍、甚至数百 倍.因此,我们要设法使信号不失真的从低频区移出。 (2)对不同的频率信号,我们应该设法将其移频至固定中心频率,这样就可使用 固定中心频率,固定带宽的带通滤波器。 (3)从信号与噪声的特征对比可以看出,信号与多数噪声有频率和相位两方面不 同。带通滤波器(BPF)只是利用频率特征的识别.因此,如果再利用相位特征的 识别,将可把同频率、不同相位的噪声大量排除.在光学中,对频率和相位都进行 区分的方法称为相干法,故这种检测叫相干检测.在电子学中,这种方法称作要锁 定相位,所以叫锁相放大器。 2.在实验中相敏检波器的作用是什么? 答:相敏检波器是锁相放大器里的关键部分。信号通道把输入信号选频放大(初步 滤除噪声)后,输给相敏检波器;参考通道在触发信号的同步下,输出相位可调的、 与输入信号同频的1:1方波;相敏检波器则比较这两路信号,输出直流信号,其 幅度与两路输入信号幅度和它们的相位差成比例,因此改变相位差就可以区分有用 信号和无用信号,从而把淹没在噪音中的有用信号提取出来 3锁相放大器的增益是多少? 答:放大的增益G>101(220dB),可将0.11pV的信号放大到10V。 4微弱信号除了使用锁相放大器之外,还有没有其他的检测方法? 答:检测淹没在噪音里的有用信号除了使用锁相放大器之外,还可以使用信号处理 中频谱分析的方法,即利用噪音与有用信号的频谱不同,使用合适的滤波器分离噪 音来提取有用信号。 5这个实验的目的是什么?什么是相关器? 答:这个实验的目的是了解相关器的原理、测量相关器的输出特性;相关器由相敏 检波器与低通滤波器组成,是锁相放大器的核心部件 【返回】 4.全息照相 1全息照相与普通照片的区别是什么? 答:振幅和位相是反映光波特性的两个参量,一束单色光所携带的全部信息都包含 在这两个参量中。普通照片只能记录物体表面各点射出光的振幅(明暗程度)分布, 不能记录光波的位相信息,显现的只是被摄物体表面的平面象,不能反映被摄物体 表面的凹凸及远近的差别,无立体感。全息照相则是利用光的干涉和衍射原理将物 体表面射出光波的振幅和位相以干涉条纹的形式同时记录在感光底版上,并在一定 条件下使其再现出来,形成原物逼真的立体图象 2这个实验的要点是什么?
量本身的涨落、传感器的本底与测量仪器噪声的影响，被测的有用电信号是一种被 强于数千甚至数十万倍的噪声所淹没的微弱信号．为了大幅度提高检测下限和测量 灵敏度，我们不仅要减小测量系统的噪声，而且要能从噪声中提取信号．这就要使 用锁相放大器，即采用相关检测的方法来测量。其特点是； （1）.首先使测量系统的主要部分，避开噪声功率密度大的地方，从而使输入噪声 较小。我们已知在低频区，闪烁噪声可以比白噪声高出数倍、数十倍、甚至数百 倍．因此，我们要设法使信号不失真的从低频区移出。 （2）.对不同的频率信号，我们应该设法将其移频至固定中心频率，这样就可使用 固定中心频率，固定带宽的带通滤波器。 （3）.从信号与噪声的特征对比可以看出，信号与多数噪声有频率和相位两方面不 同。带通滤波器（BPF）只是利用频率特征的识别．因此，如果再利用相位特征的 识别，将可把同频率、不同相位的噪声大量排除．在光学中，对频率和相位都进行 区分的方法称为相干法，故这种检测叫相干检测．在电子学中，这种方法称作要锁 定相位，所以叫锁相放大器。 2. 在实验中相敏检波器的作用是什么？ 答：相敏检波器是锁相放大器里的关键部分。信号通道把输入信号选频放大(初步 滤除噪声)后，输给相敏检波器；参考通道在触发信号的同步下，输出相位可调的、 与输入信号同频的 1：1 方波；相敏检波器则比较这两路信号，输出直流信号，其 幅度与两路输入信号幅度和它们的相位差成比例，因此改变相位差就可以区分有用 信号和无用信号，从而把淹没在噪音中的有用信号提取出来。 3.锁相放大器的增益是多少？ 答：放大的增益 G>1011(220dB)，可将 0.11μV 的信号放大到 10V。 4.微弱信号除了使用锁相放大器之外，还有没有其他的检测方法？ 答：检测淹没在噪音里的有用信号除了使用锁相放大器之外，还可以使用信号处理 中频谱分析的方法，即利用噪音与有用信号的频谱不同，使用合适的滤波器分离噪 音来提取有用信号。 5. 这个实验的目的是什么？什么是相关器？ 答：这个实验的目的是了解相关器的原理、测量相关器的输出特性；相关器由相敏 检波器与低通滤波器组成，是锁相放大器的核心部件。 【返回】 4.全息照相 1.全息照相与普通照片的区别是什么？ 答：振幅和位相是反映光波特性的两个参量，一束单色光所携带的全部信息都包含 在这两个参量中。普通照片只能记录物体表面各点射出光的振幅(明暗程度)分布， 不能记录光波的位相信息，显现的只是被摄物体表面的平面象，不能反映被摄物体 表面的凹凸及远近的差别，无立体感。全息照相则是利用光的干涉和衍射原理将物 体表面射出光波的振幅和位相以干涉条纹的形式同时记录在感光底版上，并在一定 条件下使其再现出来，形成原物逼真的立体图象。 2.这个实验的要点是什么？
答:实验条件:相干性好的光源;高分辩率的全息感光材料(全息干版)、机械稳定 性好的光学元件装置和一个抗震性能好的工作台。 3拍摄全息照片应当注意哪些问题? 答:(1)各光学元件、全息底版、被摄物都必须紧紧固定在全息台上,拍摄时不能有 任何微小移动或振动,曝光时,不要接触工作台,不要随意走动,防止实验室有过 大气流流动,导致条纹模糊不清,降低全息照片质量 (2)合理的拍摄光路拍摄全息图时,需要选用合适的分束镜,使物光与参考光的光 强比在2:1~10:1范围;投射到全息底版上的物光和参考光间的夹角一般选取 45°~90°之间:尽可能减小物光和参考光的光程差,物光与参考光的光程差尽量 相等 3)正确的曝光时间和显影、定影时间 4.为什么在拍摄全息照片时不能有振动? 全息图记录的一般光路是激光器输出的光束经过分束镜后,分成两束相干光, 束足够强的相干光经全反镜M反射再经L扩束后均匀地照射在被摄物体上,再 从物体表面反射到感光底版上,这束光称为物光,同时另一束相干光通过全反镜 M2反射及扩束镜L2扩束后,直接投射到感光底版上,这束光称为参考光。物光和 参考光在感光底版上叠加,发生干涉,形成许多明暗不同、疏密不同的条纹、小环、 斑点等干涉图象,感光底版将这些图象记录下来,就是一张全息照相的照片。如果 在拍摄时有振动,干涉图象将发生变化,这时拍摄的照片无法记录正确的物光与参 考光束间位相关系。 5你所知道全息照相还在哪些领域有应用? 1)全息干涉计量 由于位移半个激光的波长,干涉条纹就会发生变化,因此,干涉计量的精度比 使用比较测量方法的精度要高的多。因此,全息干涉量度在无损检验、微应力应变 测量、形状的检测、振动分析等各种领域得到广泛应用,解决了许多用其它手段难 以解决的问题。 2)全息显微术 采用全息显微镜对三维物体作出全息图,然后通过全息图显现物体的三维象 这样就解决了一般显微镜中分辨本领与景深的矛盾,尤其是在需要观察透明体内的 颗粒分布时,这种方法是很重要的。全息放大可以利用波面变化和波长变化来实现, 即改变记录和再现全息图光波波前的曲率,改变记录和再现的波长以获得一个很大 的放大率 3)全息信息存贮 现代数据处理中,不仅要求容量大,而且要求存贮速度要高,使现在通常采用 的磁存贮不能满足需要。计算表明光学或全息存贮要比磁存贮的容量大几个数量级, 用铌酸锂单晶来记录全息图,一立方厘米大小的单晶内,可存贮1000幅,这是因 为在光的照射下,铌酸锂折射率的改变量正比于入射光强而表现出来的纯位相分布 的多层性可以记录多层全息图的缘故,以全息图的方式来存贮信息和恢复信息比用 实象好
答：实验条件：相干性好的光源；高分辩率的全息感光材料(全息干版)、机械稳定 性好的光学元件装置和一个抗震性能好的工作台。 3.拍摄全息照片应当注意哪些问题？ 答：⑴各光学元件、全息底版、被摄物都必须紧紧固定在全息台上，拍摄时不能有 任何微小移动或振动，曝光时，不要接触工作台，不要随意走动，防止实验室有过 大气流流动，导致条纹模糊不清，降低全息照片质量。 ⑵合理的拍摄光路:拍摄全息图时，需要选用合适的分束镜，使物光与参考光的光 强比在 2:1～10:1 范围；投射到全息底版上的物光和参考光间的夹角一般选取 45°～90°之间；尽可能减小物光和参考光的光程差,物光与参考光的光程差尽量 相等； ⑶正确的曝光时间和显影、定影时间 4.为什么在拍摄全息照片时不能有振动？ 全息图记录的一般光路是激光器输出的光束经过分束镜后，分成两束相干光， 一束足够强的相干光经全反镜 反射再经 扩束后均匀地照射在被摄物体上，再 从物体表面反射到感光底版上，这束光称为物光，同时另一束相干光通过全反镜 反射及扩束镜 扩束后，直接投射到感光底版上，这束光称为参考光。物光和 参考光在感光底版上叠加，发生干涉，形成许多明暗不同、疏密不同的条纹、小环、 斑点等干涉图象，感光底版将这些图象记录下来，就是一张全息照相的照片。如果 在拍摄时有振动，干涉图象将发生变化，这时拍摄的照片无法记录正确的物光与参 考光束间位相关系。 5.你所知道全息照相还在哪些领域有应用？ 1) 全息干涉计量 由于位移半个激光的波长，干涉条纹就会发生变化，因此，干涉计量的精度比 使用比较测量方法的精度要高的多。因此，全息干涉量度在无损检验、微应力应变 测量、形状的检测、振动分析等各种领域得到广泛应用，解决了许多用其它手段难 以解决的问题。 2) 全息显微术 采用全息显微镜对三维物体作出全息图，然后通过全息图显现物体的三维象， 这样就解决了一般显微镜中分辨本领与景深的矛盾，尤其是在需要观察透明体内的 颗粒分布时，这种方法是很重要的。全息放大可以利用波面变化和波长变化来实现， 即改变记录和再现全息图光波波前的曲率，改变记录和再现的波长以获得一个很大 的放大率。 3) 全息信息存贮 现代数据处理中，不仅要求容量大，而且要求存贮速度要高，使现在通常采用 的磁存贮不能满足需要。计算表明光学或全息存贮要比磁存贮的容量大几个数量级， 用铌酸锂单晶来记录全息图，一立方厘米大小的单晶内，可存贮 1000 幅，这是因 为在光的照射下，铌酸锂折射率的改变量正比于入射光强而表现出来的纯位相分布 的多层性可以记录多层全息图的缘故，以全息图的方式来存贮信息和恢复信息比用 实象好。 M1 L1 M2 L2
【返回】 5.氢原子光谱的观察 1什么是氢原子光谱的实验规律 氢原子光谱的实验规律如下: (1)氢原子光谱是彼此分立的线状光谱,每一条谱线具有确定的波长(或频率) (2)每一条光谱线的波数都可以表示为两项之差,即 =T(k)-(n)=R 式中k和n均为正整数,且n7 2(n 2.34 称为氢的光谱项。 (3)当整数k取一定值时,n取大于k的各整数所对应的各条谱线构成一谱线系;每 一谱线系都有一个线系极眼,对应于n→的情况。k=1Vn=234…)的谱线系称 为莱曼系(1908年发现),k=2(n=345 的谱线系称为巴尔末系(1880年前 后发现)等。 2实验应当注意哪些问题?分光计调节时应当注意什么问题? 实验之前应当将分光计调整到使用状态,然后再使用它来测量。在调整分光计时 应当注意 (1)平行光管与望远镜的轴线平行或同轴 (2)载物平台与望远镜的轴线垂直 (3)光栅条纹的方向与载物平台的轴线相平行,并且光栅与载物平台垂直 3分光计为什么要有两个读数窗口? 答:在测量时,为了减少分光计载物平台、望远镜、刻度盘不同轴而带来的读数误 差(系统误差),需要两个读数窗口来读数,以便减少和消除系统误差对测量结果 的影响。 4什么是里德伯常数?是不是只有通过实验才能测得里德伯常数? 里德伯常数在光谱学和原子物理学中有重要地位,它是计算原子能级的基础,是 联系原子光谱和原子能级的桥梁。1890年瑞典的里德伯在整理多种元素的光谱系 时,从以他的名字命名的里德伯公式得到了一个与元素无关的常数R,人称里德伯 常数。由於从一开始光谱的波长就测得相当精确,所以里德伯得到的这一常数达7 位有效数字。 根据玻尔的原子模型理论也可从其他基本物理常数,例如电子电荷ε,电子荷 质比εm,普朗克常数h等推出里德伯常数。理论值与实验值的吻合,成了玻尔理 论的极好证据。 5是不是只有通过测量氢原子光谱才能测量里德伯常数 答:不是
【返回】 5.氢原子光谱的观察 1.什么是氢原子光谱的实验规律 氢原子光谱的实验规律如下： (1)氢原子光谱是彼此分立的线状光谱，每一条谱线具有确定的波长（或频率）。 (2)每一条光谱线的波数都可以表示为两项之差，即 式中 k 和 n 均为正整数，且 。 ，称为氢的光谱项。 (3)当整数 k 取一定值时，n 取大于 k 的各整数所对应的各条谱线构成一谱线系；每 一谱线系都有一个线系极限，对应于 的情况。 的谱线系称 为莱曼系（1908 年发现）， 的谱线系称为巴尔末系（1880 年前 后发现）等。 2.实验应当注意哪些问题？分光计调节时应当注意什么问题？ 实验之前应当将分光计调整到使用状态，然后再使用它来测量。在调整分光计时 应当注意： ⑴平行光管与望远镜的轴线平行或同轴； ⑵载物平台与望远镜的轴线垂直； ⑶光栅条纹的方向与载物平台的轴线相平行，并且光栅与载物平台垂直。 3.分光计为什么要有两个读数窗口？ 答：在测量时，为了减少分光计载物平台、望远镜、刻度盘不同轴而带来的读数误 差（系统误差），需要两个读数窗口来读数，以便减少和消除系统误差对测量结果 的影响。 4.什么是里德伯常数？是不是只有通过实验才能测得里德伯常数？ 里德伯常数在光谱学和原子物理学中有重要地位，它是计算原子能级的基础，是 联系原子光谱和原子能级的桥梁。1890 年瑞典的里德伯在整理多种元素的光谱系 时，从以他的名字命名的里德伯公式得到了一个与元素无关的常数 R，人称里德伯 常数。由於从一开始光谱的波长就测得相当精确，所以里德伯得到的这一常数达 7 位有效数字。 根据玻尔的原子模型理论也可从其他基本物理常数，例如电子电荷 e，电子荷 质比 e/m，普朗克常数 h 等推出里德伯常数。理论值与实验值的吻合，成了玻尔理 论的极好证据。 5.是不是只有通过测量氢原子光谱才能测量里德伯常数？ 答：不是。 ( ) ( ) = = − = − 2 2 1 1 1 k n T k T n R n k ( ) ( 2,3,4,........) 2 = = n n R T n n → k =1 (n = 2,3,4, ) k = 2(n = 3,4,5,........)