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光学实验使用的仪器比较精密，光学仪器的调节也比较复杂，只有在了解仪器结构性能基础上建立清晰的物理图像，才能选择有效而准确的调节方法，判断仪器是否处于正常的工作状态。为了做好光学实验，要在实验前充分做好预习，实验时多动手、多思考，实验后认真总结，只有这样才能提高科学实验的素养、培养实验技能、养成注重实际的科学作风。
光波的本质是频率极高的电磁波。例如可见光的频率为10 14 Hz的数量级，即在10 -9 s的时间内，光扰动就有几十万次之多。而我们的实验只是在观察时间内给出一个平均结果，因此在光学实验中我们必须要用理论来指导实践。如果不掌握光的基本理论，不熟悉光的宏观特性、相干性和偏振态，有些光学实验就很难做好。光学元器件的选择、实验光路的布置、实验现象的观察、光学仪器的调整和检验各个环节，均需要理论指导。如果没有经过周密思考而盲目操作，就不会得到好的学习效果。
仪器调节是光学实验成败的关键。在研究和观测某一光学实验现象的时候，首先必须调节实验仪器和装置，使光线按照规定的路径和方向传播，并遮挡其他不必要的光线。在测量某些物理量（如波长、焦距、折射率等）时，由于这些物理量一般都是通过测量长度或角度等几何量来实现的，因此要求测量各个几何量与仪器的读数系统相一致（如光具座的刻度尺、分光计上的刻度盘），只有这样才能确保结果的可靠性。
实验室光源种类繁多，但基本都属于电光源。电光源按照能量转换模式的不同可以分为两类：一类是热辐射光源，即依靠电流通过物体使物体温度升高而发光的光源，如白炽灯；另一类是气体放电的光源，即依靠电流通过气体（包括金属蒸汽）使气体受激发光的光源，如钠灯、汞灯、氦灯等。
除了电光源外，还有激光光源和固体发光光源也是实验室常用的。
白炽灯根据热辐射原理制成。灯泡里充以惰性气体。当灯泡钨丝通电后由于电流热效应，加热至白炽发光。白炽灯光谱为连续光谱，光谱成分和光强与钨丝加热温度有关。
在白炽灯内加入微量的碘或溴，利用卤钨循环原理能更加有效地抑制钨的蒸发。从灯丝蒸发出来的钨和卤族元素反应形成卤钨化合物，当卤钨化合物扩散到灯丝周围的时候，又发生分解，钨重新沉积到灯丝上去，这样循环就控制了钨丝的蒸发，大大提高了发光效率，也延长了使用寿命。
实验室使用的白炽灯灯泡除了用于室内照明和暗室有色灯泡外还有以下几种：
（1）小电珠。规格有6.3 V、6~8 V等，作为白光光源和读数照明用。它通过灯丝变压器点燃，这种灯泡使用寿命短，不用时应该立即切断电源。
（2）金属卤素灯。它是一种高亮度的白光点光源，作强光光源使用，规格有12 V／100 W、24 V／300 W，通过控制变压器点燃。
（3）钨带灯，钨丝灯。由于寿命较长、工作状态稳定，用黑体辐射源校准以后可以作为光强标志灯，或者光通量标志灯。此时供电电源必须为稳压电源。
气体放电灯用得较多的是辉光放电与弧光放电两类。它们结构基本相同，一般都是由泡壳和电极组成，泡壳内充以某种气体。
发光过程一般都是：由阴极发射电子并被外电场加速。高速运转的电子碰撞了气体原子，使气体原子处于激发状态。当受激原子返回基态的时候，所吸收的能量又以辐射形式释放出来。电子不断地被激发再发光，发光过程就持续下去。不同的气体原子有其特别的原子光谱或分子光谱。
（1）汞灯
汞灯又称为水银灯，发光气体为汞蒸汽。它的放电状态是弧光放电。按照光源工作时汞蒸汽压的高低可以分为低压汞灯、高压汞灯和超高压汞灯。
①低压汞灯（图2-3-1）。低压汞灯的汞蒸汽压通常在一个大气压之下，辐射能量几乎集中在253.7 nm这一谱线上，一般作为紫外光源用。低压汞灯使用交流电时，配合漏磁变压器限制其工作电压和工作电流。应用直流电源工作时，整流器输出约为700 V，电路中串联一电阻，以稳定和限制其工作电流使电弧稳定。
图2-3-1 低压汞灯
②高压汞灯（图2-3-2）。高压汞灯的汞蒸汽一般从几个大气压到25个大气压之间。灯泡的亮度因而大大增加，产生了更多的谱线。管内一般除了汞蒸汽之外，还充有少量惰性气体。当汞灯接入电路后，在强电场的作用下，产生辉光放电。大量的带电粒子，在两主电极电场作用下产生高压弧光放电。当汞全部蒸发完毕光强才开始稳定，灯管发光正常。使用高压汞灯，应根据灯管工作电流选用适当的限流器，以稳定工作电流。汞灯预热需要5~10分钟。高压汞灯熄灭后灯管依然发烫，内部汞蒸汽压强较高，要再次点燃必须等到灯管冷却，汞蒸汽压强下降到一定程度才能再次打开电源。
图2-3-2 高压汞灯
③高压汞灯的总辐射中37％是可见光，其中一半以上集中在汞的绿色谱线546.1 nm和黄色谱线577.0和579.1 nm，都近于人眼的敏感波长区域。因此，高压汞灯是光学实验和光谱分析中比较理想的光源。
④汞灯辐射紫外线较强，为防止眼睛受伤，一定不能直视汞灯。
（2）钠光灯
钠光灯的光谱线在可见光范围内有两条，波长分别为589.0和589.6 nm的强谱线。在很多仪器中这两条谱线不易分开，因此经常把它作为单色光源使用。取它的谱线平均值589.3 nm作为单色波长。
钠光灯是将金属钠封闭在抽空的放电管内，发光原理是汞灯相似，都是金属蒸汽弧光放电。钠光灯电源采用220 V（AC）并串联限流器。
（3）氢灯、氦灯
氢灯、氦灯也是气体放电光源，放电时产生原子光谱和分子光谱，制作时根据需要突出其中一种。它们的管内电势差约几千伏，工作电流一般为几个毫安，采用氢灯专用电源或激光电源提供能量，由于管端电压很高，使用时应该防止触电。
（1）He-Ne激光器
激光器是20世纪60年代出现的新光源，其发光机理和前面数种光源有根本上的不同。激光器是受激发射而发光，普通光源是自发发射而发光。激光是一种方向性好、单色性好、亮度高、空间相干性高的光源，因此实验室经常用它作强的定向光源和单色光源。其中最常用的是He-Ne激光器，它发出的激光波长是632.8 nm。
He-Ne激光器由激光电源和激光管两部分组成。激光管是一个气体放电管，管内充有氦氖混合气体，两端镀有多层介质膜的反射镜封固构成谐振腔，形成多次反射，出现持续振荡。如果放电管的窗口与管轴形成布鲁斯特角，则出射光成为线偏振光。
图2-3-3 He-Ne激光器结构
（2）半导体激光器
半导体激光器又称激光二极管（LD），它采用了量子阱（QW）和应变量子阱（SL-QW）等新颖的结构，引进了折射率调制布拉格发射器以及增强调制布拉格发射器等最新技术，同时还发展了分子束外延生长法、金属有机化合物气象沉积法及化学外延生长法等晶体生长技术新工艺，使得外延生长工艺能够精确地控制晶体生长，达到原子层厚度的精度，生长出优质量子阱以及应变量子阱材料。于是制作出的LD，其阈值电流显著下降，转换效率大幅度提高，输出功率成倍增长，使用寿命也明显加长。
发光二极管就是一个半导体灯，它是由P-N结组成的。当在P-N结上施加正向电压时，被注入的少数载流子穿过P-N结，在P-N结区形成大量电子，空穴复合，复合时以热或光的形式辐射出光子，光子能量满足 E g ＝ h r ， E g 为半导体材料的禁带宽度，不同材料的 E g 不同，因而 υ 不同。一般在可见光区域采用GaP（550.0 nm）、SiC（435.0 nm），而Ge、Si、GaAs等辐射区域在红外区域。半导体灯常用作信号灯、显数管等。
人眼本身就是较好的光探测器，对于弱光的接收灵敏度尤其出色。但人眼分辨光谱范围较窄，易疲劳，而且不能直视激光。因此，我们更多地采用客观的光探测器来扩展人眼的功能。例如光电探测器。
光电探测器是利用一些物质在接收光照之后，其电化学性质发生改变的特点制成的光电器件。光电探测器可分为三类：（1）光电发射，属于外光电效应机制，如光电倍增管；（2）光电导，属于内光电效应机制，如半导体光导管、光电二极管；（3）光生伏打效应，属于内光电效应机制，如光电池。
光电探测器的相对灵敏度随波长的分布曲线称之为光谱灵敏度分布曲线。灵敏度降到最大值的1／10处的波长称为光电探测器的极限波长，由光电探测器的灵敏度分布曲线可以知道光电探测器的工作波长范围和探测极限。
光电探测器对于微弱光的探测能力称为光电探测器的极限灵敏度。如果有一定温度，虽然探测器没有受到光照，但由于热激发也会产生光电子，此时产生的电流称为暗电流或本底电流。在某些情况下，暗电流会使灵敏度下降。比如连续工作，或强光照时间过长，都会出现灵敏度下降的情况。此时应该停止使用，并存放在暗处，方可使部分或全部恢复。
光电探测器受光照之后产生的光电流与入射光成正比，这一关系被称为光电探测器的线性响应。实际使用中，一般都期待光电探测器有较宽的线性范围。
光电池是利用半导体的内光电效应制成的一种光电转换器件。常用的有硅光电池和硒光电池，如图 2-3-4所示。当它们受到光照的时候，会在构造内部的电极和基板上产生电势差，如果用导线接入检流计，就会产生光电流。硒光电池在可见范围内有较高灵敏度，峰值波长在 540 nm附近（黄光区），它适用于测量可见光。如果硒光电池与适当的滤光片配合，则它的光谱灵敏度可与人眼接近。硅光电池的光谱灵敏度为400~1 200 nm，其峰值在780 nm附近（近红外区），其性能比硒光电池稳定。
图2-3-4 硒光电池结构
使用光电池的时候，应选用它的光电特性的线性区域，这就要求入射光通量较小，且外接负载电阻小。这样才能稳定，保持良好的线性关系。
光电二极管也是利用半导体的内光电效应制成的一种光电转换器件。根据材料和制造工艺的不同有多种型号。它们的光谱响应范围主要集中在400.0~1 100.0 nm，灵敏度峰值为800.0~900.0 nm。从它的线性光电特性可以看出，这一特点可以用于光强度测量，只要读出光电流的相对强度，就可以表示出光的相对强度。
光电管由一个阴极和一个装在真空或惰性气体的玻璃管内的阳极制成。阴极表面涂有光电发射材料，称为光阴极。当有一定波长的光照射时，阴极发射电子，由两极间电压形成光电流。
只有当 h ν ＞ W （ W 为光阴极表面的电子脱出功， ν ＝ c ／ λ ）时就会激发光电子逸出。现有的阴极材料 W 基本都在1个电子伏特以上，相应的长波限在1 200 nm以下，因此该光电管的探测有效波长范围也都在1 200 nm以下。
光电倍增管与光电管的不同在于它能够将微弱的入射光转换为光电子，并使得光电子获得倍增。
在它的阴极与阳极之间，安装了多个二次发射极，又称倍增极。当阴极由于光照产生光电子的时候，这些电子会在阳极电压的吸引下加速打到一系列的二次发射极上，产生更多的二次电子。最后经过倍增的光电子（可以达到原光电子的数百万倍）被阳极收集而输出电流。此刻阳极的电流 I g 与光阴极接收的光通量 φ 成正比。
由于光电倍增管的灵敏度较高，微弱的光照就会产生大量电流，因此加上高压后，即使避免强光和散杂光影响，在完全暗处也有暗电流，使用时一定要注意维护仪器的寿命。
某些半导体当光照射后，其电导率会发生变化。如硫化镉、硒化镉，当光照之后其电阻会变小。因此，可以利用光导管受光照之后电阻的变化来测量入射光通量的大小。
光电流与入射通量有关，同时也与工作电压成正比。每种不同的光导管都规定了最高允许电压，一般在几十伏到几百伏之间。
光学仪器的种类繁多，本书实验中采用的仪器大致可以分为以下几类：
（1）观测仪器——光具座、平行光管、迈克耳逊干涉仪、投影仪等。
（2）助视仪器——显微镜（读数显微镜、测微目镜、生物显微镜）、望远镜。
（3）光谱仪器——分光计、单色仪（棱镜单色仪、平面光栅单色仪、凹面镜单色仪）、小型摄谱仪。
（4）成像类仪器——照相机、翻拍机。
光是人眼认识世界的媒介。光学实验对人眼的要求特别高，有些实验现象必须要有足够好的视力才能顺利观察，准确读数。由于部分实验要求光源具备空间相干性和时间相干性，因此必须在暗室环境下完成操作，若是此时仪器调节不理想，现象不明显，这时用眼疲劳会明显加剧。因此，为了做好光学实验，实验者必须保护好自己的眼睛，特别注意以下事项：
（1）做光学实验前后注意用眼卫生。
（2）避免光亮度的骤变（实验室光线较暗，出入暗室要先闭眼睛，再慢慢张开，使眼睛有个适应过程）。
（3）眼睛感到疲劳时，应稍作休息后再继续实验，切忌过度疲劳。
（4）了解实验室灯光中哪些灯光含有紫外线（高压汞灯，氢灯），注意不能裸眼直视这些光源。
（5）严禁眼睛直视激光！激光会灼伤网膜。实验中也要注意，不能将激光照射在其他同学的眼睛上。
具备良好实验素养的科技工作者，在光学实验中都会十分爱惜各种仪器。而学生在实验中加强爱护仪器的意识也是培养良好实验素养的重要方面。光学仪器一般都比较精密，光学元件都是用光学玻璃经多项技术加工而成的，其光学表面加工尤其精细，有的还镀有膜层，因此使用时要特别小心。如使用维护不当很容易造成光学元件破损和光学表面的污损。使用和维护光学仪器时应注意以下方面：
（1）用光学玻璃器件（透镜、三棱镜、光栅片等）时，要轻拿轻放，勿使器件受到碰击或摩擦。不容许将光学玻璃器件随意乱放，以免发生意外碰落摔坏，尤其在室内光线暗淡的情况下更应注意。
（2）光学玻璃器件的工作面（光学面）都经过精细抛光加工，有些表面镀有极薄的膜层。使用它们时，不能用手接触光学面，不要对着光学玻璃器件咳嗽、打喷嚏或大声说话。
（3）光学器件的表面发现有污染时，切勿随意用手帕或普通纸张擦拭，要用实验室提供的专用“镜头纸”轻轻擦拭干净。对有镀膜表面的污染，学生不要擦拭，交由指导教师妥善处理。
（4）光学仪器中的机械部分，如分光仪、迈克耳逊干涉仪、显微镜等，操作时动作要轻缓。不容许拆卸仪器上的任何部件。对结构较为复杂的分光仪要了解各旋钮（螺钉）的作用，切勿盲目乱拧。不要将需要定位的那些旋钮（螺钉）拧得过紧。
（5）实验之前熟悉仪器的摆放，尤其是带有大量附件的实验仪器。结束后，将仪器按照原位摆放整齐，附件全部清点后，收入附件盒，用防尘罩罩好。