物理光学是光学与光学工程专业的主要内容，本实验以光的波动性为主要研究对象，从电磁波理论和傅立叶分析两个角度，研究光的传播、干涉、衍射、偏振等性质。大恒光电应用全新一代空间光调制器（SLM），从波的叠加原理出发，研究光的干涉规律，讨论光的相干性；围绕衍射阐述光的波动性，运用SLM模拟二元光学元件，从实际出发研究光的衍射；研究光在晶体中的传播特性和偏振元件对光的作用。本实验是紧贴光电专业《工程光学》等相关课程的专业配套实验。

知识点：

光波的干涉理论、杨氏双缝干涉、马赫-曾德干涉、迈克尔逊干涉、光波标量衍射理论、菲涅尔衍射、夫琅禾费衍射、晶体偏振器件、马吕斯定律、消光比、偏振光的变换与测定。

涉及课程：

光学、工程光学、物理光学

实验内容：

l 杨氏双缝干涉实验

l 马赫-曾德干涉实验

l 迈克尔逊干涉实验

l 菲涅尔衍射实验

l 夫琅禾费衍射实验

l 马吕斯定律验证实验

l 偏振光产生与检验

l 测量布儒斯特角计算样品折射率

l 衍射光学元件（DOE）设计（II型配置）

1. 杨氏双缝干涉实验

实验内容：

l 杨氏双缝干涉公式验证。

l 观察杨氏双缝观察的现象。

实验原理：

激光经过扩束、准直照射在双缝上，会在其后产生干涉条纹。本实验即对该现象进行研究。

实验效果图：

2．马赫-曾德干涉实验

实验内容：

l 光学系统的精确调节。

l 马赫-曾德干涉系统的搭建。

l 测量空气的折射率。

实验原理：

它是由两块分光光楔（半反半透镜）和两块全反射镜组成，平行光经反射镜及分光光楔两次反射后射出。若两束光在水平方向有一个交角，那么在屏幕的竖直方向出现干涉条纹，而且两束光交角越大，干涉条纹越密。

3．迈克尔逊干涉实验

实验内容：

l 组装并调节迈克尔逊干涉仪，观察点光源产生的非定域干涉条纹。

l 观察干涉条纹反衬度随光程差变化，了解光源相干长度的意义。

l 测量空气的折射率。

实验原理：

经过扩束、准直出的平行光由分光光楔的分为两束光。这两束分别经两个反射镜反射又回到分光光楔上，在分光光楔上透过和反射的这两束光在其的上侧空间形成一非定域的干涉场。屏幕放在干涉场中垂直于光束方向，在屏幕上可看到干涉条纹。

4．菲涅尔衍射实验

实验内容：

l 观察和验证圆孔和单缝菲涅耳衍射现象。

l 改变衍射屏大小形状和距离，观察衍射变化的规律。

l 学习使用空间光调制器。

实验简介：

菲涅尔衍射为近场衍射，接收屏上可见同心圆环，且接收屏沿光轴移动时，圆孔中心有明暗交替的变化，若改变孔半径，同样可以看到明暗交替的变化。

实验效果图：

5. 夫琅禾费衍射实验

实验内容：

l 观察和验证圆孔和单缝菲涅耳衍射现象。

l 改变衍射屏大小形状和距离，观察衍射变化的规律。

l 学习使用空间光调制器。

实验原理：

光源和观察幕离障碍物（孔或屏）均为无穷远的衍射现象。激光经扩束、准直所得平行光垂直入射到障碍物，借助于成像透镜将无穷远处的衍射图样成像于其像方焦面上观察。

实验效果图：

l 6. 衍射光学元件（DOE）设计（II型配置）

实验内容：

l 了解空间光调制器的相关应用。

l 理解空间光调制器的“黑栅效应”。

l 学习衍射光学元件的设计方法。

l 利用空间光调制器设计动态衍射光学元件。

实验原理：

衍射光学是光学与微电子技术相互渗透、交叉而形成的前沿学科，也是微光学(Micro-optics)领域的主要研究内容。其基本内涵为:基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计技术，并用各种微细加工工艺，在片基或传统光学器件表面刻蚀产生两个或多个台阶甚至连续形状的浮雕结构，形成纯相位、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件。电寻址空间光调制器是由单个分离的像素组成的，控制较为方便，主要用作电光实时接口器件，可看成是数字式的器件。衍射光学元件DOE的典型光学系统是DOE图案位于输入平面内，入射光垂直并透射过输入面，经自由传播，在输出平面上观察衍射图样。

目前，基于这一思想的优化设计方法主要有盖师贝格-撒克斯通算法(Gerchberg-Saxton Algorithm，简称GS)、模拟退火算法(Simulated Annealing Algorithm，简称SA)和遗传算法(Genetic Algorithm，简称GA)、杨-顾算法(Yang-Gu Algorithm，简称YG)以及多种混合算法等。

实验中采用GS算法模拟衍射光学元件，并使用相机接收输出衍射图样，实验光路如上图所示。

实验效果图：

7. 马吕斯定律验证实验

实验内容：

l 理解光的波动性及光的偏正现象。

l 学习偏振光检偏实验中透光强度与偏振夹角的关系。

l 验证马吕斯定律。

实验原理：

两平行放置的偏振片的透光轴互成θ角，设入射到第二片偏振片的偏振光振动振幅为E0，光强I0，则从第二片偏振片透射出来的偏振光振动振幅变为E0cosθ，光强I=(E0cosθ)²=I0cos²θ，称作马吕斯定律。

8. 偏振光的产生与检验

实验内容：

l 观察光的偏振现象，加深对光波传播规律的认识。 

l 掌握产生和检验偏振光的原理和方法。

实验原理：

自然光经过媒质的反射、折射或者吸收后，在某一方向上振动比另外方向上强，这种光称为部分偏振光。如果光振动始终被限制在某一确定的平面内，则称为平面偏振光，也称为线偏振光或完全偏振光。偏振光电矢量E的端点在垂直于传播方向的平面内运动轨迹是一圆周的，称为圆偏振光，是一椭圆的则称为椭圆偏振光。本实验将对此三类偏振光进行分析。

9. 测量棱镜布儒斯特角计算折射率

实验内容：

l 测量布儒斯特角。 

l 测量棱镜的折射率。

实验原理：

自然光在电介质界面上反射和折射时，一般情况下反射光和折射光都是部分偏振光，只有当入射角为某特定角时反射光才是线偏振光，其振动方向与入射面垂直，此特定角称为布儒斯特角或起偏角。

技术指标：

l 固体激光及组件：输出功率P>50mW，中心波长λ 532nm，光束直径1.5mm，光束发散角1mrad，功率稳定性<5%；含激光夹持器、支座，磁座；三维调整；

l 空间滤波器组件： 40X显微物镜，10um，15um，25um三种规格针孔；含支杆，调节支座，磁座；一维调整；

l 光束准直组件：配Φ25.4mm，f100mm透镜；含支杆，调节支座，磁座；三维调整；

l 分光光楔：Φ50.8mm，角4°±3′；楔面450~650nm宽带增透；含镜架；

l 反射镜组件：Φ40mm，含镜架；

l 空间光调制器： 透射式LCD；液晶尺寸1.3英寸；像素26um；分辨率分辨率：1024×768；填充因子：67%；相位调制能力1.5π@400-700nm；透过率：55%；刷新频率：60Hz；工作波长：400nm-700nm；数据接口：VGA，灰度阶数：8位，256阶；（II型配置）

l 实物目标物组件：表面镀铬，狭缝、圆形、方形、三角形和六角形等不同形状通光孔，其中缝宽分别为150um、250um、350um和450um；圆形半径分别为150um、250um、350um、450um；方形边长分别为150um、250um、350um、450um；三角形外接圆半径分别为150um、250um、350um、450um；六角形外接圆半径分别为150um、250um、350um、450um；其余部分不通光；

l 四分之一波片组件：Φ25.4mm，工作波长532nm；含镜架；

l 偏振组件：Φ25.4mm，偏振度500：1，工作波长380-760nm；

l 精密手动转台：，盘面直径Φ200mm，最小分辨率0.5°，机械表面发黑处理，盘面印字，打标；

l 功率计组件：工作波长532nm；量程2μW-200mW；分辨率:0.01uW，数显；

l 专用接收屏：表面喷塑哑光设计，100*100mm，最小刻度1mm；

l 专用计算软件：内置条纹分析模块、干涉实验分析模块、衍射实验分析模块、偏振实验分析模块；可自行生成SLM目标板（缝、孔、多边形等），进行相关实验的公式验证以及多种关系图的绘制； 

l 精密机械调整架：角度精度±4′，分辨率0.005mm，调节机构保证等双轴等高，横向偏差1′，纵向偏差1′；

l 光学元件：BK7 A级精密退火材料，焦距±2%，直径-0.2mm，中心偏差3′，光圈1-5；局部误差0.2-0.5，面粗糙度60/40（Scratch/Dig），氟化镁增透膜镀膜，有效孔径90%；

设备成套性：

偏振片、旋转台、磁性表座、干板架、卷尺、盖布、实验软件、讲义

必备设备：

光学平台、笔记本（计算机需有VGA、DVI双输出显卡）

选配清单：

    光学清洁箱、激光防护眼镜、实验设备展板

建议课时：

8课时