光学教学装置选型指南（上）：从干涉、光谱到傅里叶光学

光学实验涉及干涉、衍射、激光模式等各类内容，仅靠课本推导难以建立完整理解，需要学生在光路上亲手调试。但多数成品仪器是封闭整机，光路结构和参数调节过程不可见，学生只能看到最终结果。

因此高校或者实验室一般会配置教学装置，采用开放式光路设计，核心光学元件、光路走向、关键参数均可视、可调。可以让操作者在实际动手过程中，感受到每个部件之间的相互作用。如果后续需要手搓某个仪器或设备，这种练手经历也会帮上很多忙。

今天帮大家梳理基础与信息光学方向的9套光学系统教学装置，含干涉、光谱、激光原理、像差，以及傅里叶光学与图像识别、全息存储与全息光栅、MTF 测量，看看你能熟练上手哪些？

 

使用教学装置前，先确认四件事

课程目标：先确定实验是用于现象演示、定量测量，还是完整的光路搭建与系统分析。目标不同，对开放程度、测量精度和实验时长的要求也不同。

学生基础：基础课更需要清晰、可重复的物理现象；高年级本科生和研究生课程则可增加装调、标定、误差分析及数据处理。

教学组织：需要同时考虑单组人数、每次课时、教师指导强度和复位效率。开放式系统有利于理解光路，但也需要为对准和排故预留时间。

实验结果：如果课程考核强调数据分析，应优先确认装置能否输出波长、位移、光谱、衍射效率或 MTF 等可量化结果，以及是否提供原始数据和实验手册。

麓邦教学装置普遍采用开放式或模块化光路，关键元件和调节量可观察、可操作。同一平台通常可覆盖多个实验项目。装置选型时仍需结合具体型号，核对光源、探测器、调节机构、软件、实验耗材和安全附件，而不能仅按系统名称判断。

 

九套系统，快速对照

 

基础光学实验：干涉、光谱、激光原理与像差

这一部分覆盖干涉、光谱、激光原理与像差，适合近代物理实验、物理光学、应用光学及相关工程课程。

迈克尔逊干涉仪教学装置

迈克尔逊干涉仪把入射光分成两路，两束光分别经反射镜返回后重新合束。移动其中一面反射镜，几何位移 Δx 会引起约 2Δx 的光程差变化；每吞吐一条条纹，对应反射镜移动约 λ/2。学生由此可以把条纹变化与波长、位移和折射率测量联系起来。

实验内容：观察等倾或等厚干涉；通过条纹计数测量激光波长和微小位移；测量有机玻璃折射率、测量微米级位移推导热膨胀系数；在材料厚度或折射率已知时反算另一参数。引入 LED 或白光光源后，还可观察零光程差附近的彩色条纹，讨论相干长度。

选型提示：如果课程以定量测量为主，应确认位移读数方式、气室或样品附件、光源种类及条纹采集方式；如果以基础演示为主，则应优先考虑光路可视性、调节容差和课堂复位效率。

图1 迈克尔逊干涉仪教学装置

图2 干涉条纹变化图像

 

CT 光谱仪教学实验装置

CT 光谱仪采用 Czerny-Turner 结构。光源经入射狭缝后，由凹面准直镜准直为平行光，平行光经平面光栅衍射分光，再由凹面聚焦镜成像到探测器。系统以凹面反射镜替代透镜，因反射不引入材料色散，从而避免色差。当两面凹面镜按对称布局配置时，可有效补偿彗差。

理想光栅分辨本领：  R = λ / Δλ = mN

式中 m 为工作衍射级次，N 为光栅被照亮的总刻线数；该式的前提是第 m 级被完整照亮。实际光谱分辨率还受到入射狭缝宽度、光栅刻线密度与级次、系统像差与成像质量、探测器灵敏度与噪声、杂散光及装调状态的共同影响。

实验内容： 利用汞灯、钠灯等标准谱线进行波长刻度标定，在此基础上测量 LED 等未知光源的发射光谱，并开展吸收谱测量。

选型提示： 重点核对目标波段、光栅刻线密度与闪耀波长、工作级次与自由光谱范围、狭缝调节范围、探测器响应范围与灵敏度、光源配置以及软件的数据导出能力

 

图3 CT光谱仪教学实验装置

图4 闪耀光栅分光

 

可视化激光原理实验装置

传统激光原理实验常把增益介质和谐振腔封装在机壳内，学生只能测量输出结果。可视化装置把泵浦源、增益介质、腔镜和输出光路开放呈现，使阈值测量、腔长调节、稳定范围验证和横模观察能够在同一平台完成。现售配置采用 445 nm 蓝光泵浦 Pr:YLF 晶体，输出 640 nm 红光，泵浦与输出过程均处于可见波段。

实验内容：测量输出功率随泵浦功率的变化并确定阈值；改变腔镜间距，验证谐振腔稳定范围；调节腔镜与光阑，观察 TEM₀₀、TEM₁₀、TEM₀₁ 及高阶横模；测量光斑尺寸和发散角，分析高斯光束传播。

选型提示：这类装置适合把原理验证与装调训练结合。开课前应确认激光防护、腔镜调节范围、功率计量程、模式成像方式和每组实验所需课时。

图5 可视化激光原理实验装置

 

像差教学演示套件

像差教学的难点不是记住名称，而是把成因、调节量和像面表现对应起来。本套件的调节手段可归为三类，每类对应一组像差。

① 改变光谱： LED 白光成像时，材料色散使不同波长的焦点沿轴向分开、倍率也不同，屏上呈彩色弥散斑与红蓝光晕；切换 532 nm 单色光后色差消失。

② 改变孔径： 在单色光下更换挡片孔径或调节可调光阑，轴上物点的像随孔径增大而弥散——球差来自不同孔径带的光线不能会聚于光轴同一点，其量随孔径四次方增长，故小孔径下几乎看不出。

③ 改变视场角与像面位置： 分划板离轴后，彗差使像点呈非对称"彗尾"；像散使子午、弧矢两方向分别聚焦成两条垂直线焦，二者之间的最小弥散圆即最佳像面；畸变只改变几何形状，不使像模糊，故无法靠调焦改善。

选型提示： 若课程主要用于建立直观认识，可关注像差类型与现象的可辨性；若需要进一步做定量分析，则应确认是否配置相机/探测器与图像采集、能否独立切换光源（LED 白光 / 532 nm 激光）、改变孔径、视场角和像面位置，并记录光斑尺寸或分辨率靶读数。

 

图6 像差教学演示套件

图7 彗差演示实验

信息光学实验：空间滤波、图像识别与全息存储

在信息光学中，透镜可把物面的空间信息映射到频谱面。通过在频谱面选择或调制不同空间频率，可以完成滤波、相关识别和全息记录等实验。本部分的五套系统分别对应傅里叶光学、光学相关、全息存储、全息光栅和像质评价。

傅里叶光学教学实验装置

整套装置以经典 4f 系统为主线。输入面位于第一块透镜的前焦面，频谱面位于两块透镜的公共焦面，输出面位于第二块透镜的后焦面。学生可以在同一光路中观察物面、频谱面和像面之间的对应关系，并理解阿贝成像与空间滤波。

不同滤波掩膜的作用应准确区分：低通滤波抑制高空间频率，使图像平滑并损失细节；高通滤波抑制低空间频率，突出边缘；针对周期噪声，通常需要在特定频率位置使用阻带或陷波滤波，而不是笼统归入低通滤波。装置还可开展方向滤波和 θ 调制实验。

选型提示：重点看频谱面定位是否方便、掩膜种类是否覆盖课程实验、调节机构能否重复定位，以及相机能否同时记录频谱和输出图像。

 

图8 傅里叶光学教学实验装置

图9 空间滤波实验

 

傅里叶变换图像识别系统

系统基于傅里叶变换理论，以联合变换相关为核心。目标图像与参考图像经马赫-曾德尔干涉仪进入相干光处理系统，由傅里叶透镜在频谱面形成两图像的复振幅分布，其干涉图样由 CMOS1 记录为联合变换功率谱；该功率谱经处理后加载到空间光调制器，其显示面作为第二次傅里叶变换的输入面，由后级透镜完成第二次傅里叶变换，在输出面得到中心零级项与一对对称分布的互相关项，由 CMOS2 采集。目标与参考越接近，该互相关项峰值越强、越集中。

选型提示：建议确认空间光调制器和相机的分辨率、刷新与采集方式、图像预处理流程，以及软件是否能导出联合功率谱和相关输出。该系统更适合已学习傅里叶光学的高年级学生。

图10 傅里叶变换图像识别系统

图11 图像识别实验

 

体全息存储实验

体全息存储利用信号光与参考光在光折变记录介质中干涉，形成三维体折射率光栅。读出时用记录时相同的参考光照射，只有当其入射角满足布拉格条件时，才能高效重构对应图像；偏离该角度则重构效率迅速下降，即布拉格角度选择性。改变参考光相对记录介质的入射角，即可在同一记录区域内写入多页信息——这就是角度复用；同理还可用波长复用、移位复用等方式叠加更多页。需要注意，受材料动态范围限制，复用页数越多，单页衍射效率越低。

实验内容：完成序列图像的写入与逐页读出，比较不同参考角度下的再现结果，分析角度选择性、衍射效率与页间串扰。

选型提示：该实验对激光稳定性、角度调节精度、环境振动及杂散光抑制较为敏感，其中角度调节精度直接影响角度选择性宽度与页间串扰，适合高年级本科生或研究生课程。选型时应确认记录介质、角度复用机构、相机和实验环境要求。

图12 体全息存储实验

图13 体全息存储实验结构图

全息光栅制作与参量测量系统

系统采用马赫-曾德干涉光路，两束相干光在全息干板上形成周期性干涉条纹。调节两束光的夹角可改变光栅常数（夹角越小、周期越大）；将干板旋转 90° 再作第二次曝光，可使两组一维条纹正交叠加，得到二维光栅。改变夹角与旋转角度并多重曝光，即可制作具有不同光栅常数的一维或二维全息光栅。曝光后的后处理应按所用记录材料确定。

若 θ 表示两束光的夹角  Λ = λ / [2sin(θ/2)]

其中 θ 为两束光的夹角（全角），θ/2 为每束光相对角平分线（在两束光强接近时即为条纹法线）的夹角。Λ 即光栅常数 d，光栅线数 n 与周期互为倒数（n = 1/Λ）。

实验内容： 制作一维或二维全息光栅，测量光栅周期，比较记录角度与光栅参数的关系；并利用已制备的已知光栅，反向测定未知激光波长。

 

图14 全息光栅制作与参量测量系统

 

图15 光栅衍射光斑分布

 

连续空间频率传递函数测量系统

调制传递函数 MTF 描述成像系统对不同空间频率调制度的传递比，是评价镜头像质的重要指标。分辨率板只能给出若干离散频率点上"能否分辨"的判据，无法给出连续曲线；本系统则对分划板成像，由相机采集后作快速傅里叶变换，得到一维光学传递函数，取模并归一化后，即得到随空间频率连续变化的 MTF 曲线。

实验内容： 先用平行光管与玻罗板测量待测透镜焦距完成系统基准标定；再采集线扩散函数，计算并绘制 MTF 曲线，比较孔径变化对低、中、高空间频率响应及截止频率的影响。如需比较不同镜头，需另行配置待测镜。

选型提示： 重点核对测量方法、适用焦距与口径、待测透镜的安装与对焦机构、空间频率范围、探测器采样、软件算法、原始图像与数据导出和标定。

 

图16 连续空间频率传递函数测量系统

 

图17 线扩散函数与MTF计算界面

 

小结

如果课程以基础物理现象和测量训练为主，可优先从迈克尔逊干涉、CT 光谱和像差演示中组合；如果强调光学系统装调与定量评价，可增加可视化激光原理、傅里叶光学和连续 MTF 测量；如果面向信息光学专业课或研究生训练，则可进一步配置图像识别、体全息存储和全息光栅制作。

没有一套装置适合所有课程。最终选型应回到培养方案：需要学生掌握什么原理、完成什么操作、得到什么数据，以及一学期内能安排多少装调和分析时间。