实验17菲涅耳双棱镜干涉测波长.pdf

实验17菲涅耳双棱镜干涉测波长利用菲涅耳双棱镜可以获得两束相干光以实现光的干涉。双棱镜实验和双平面反射镜实验及洛埃镜实验一起，在确立光的波动学说的历史过程中起了重要作用。同时它也是一种用简单仪器测量光波波长的主要元件。双棱镜是利用分波阵面法获得相干光的光学元件，本实验用双棱镜实验装置测单色光的波长。实验目的和学习要求1.学习用双棱镜干涉测量单色光波长的原理和方法；2.进一步掌握光学系统的共轴调整；3.学会测微目镜的使用；4.练习逐差法处理数据和计算不确定度。实验原理如果两列光波其频率相同，振动方向相同，相位相同或位相差恒定，且振幅差别不太悬殊的情况下，它们在空间相遇时叠加的结果，将使空间各点的光振幅有大有小，随地而异，形成光的能量在空间的重新分布。这种在空间一定处光强度的稳定加强或减弱的现象称为光的干涉。获得相干光源，依其原理不同可分为分振幅法和分波阵面法，牛顿环和劈尖干涉是分振幅的干涉，双棱镜是利用分波阵面法而获得相干光源的。菲涅耳双棱镜可以看作是由两块底面相接、棱角很小（约为1°）的直角棱镜合成的。若置波长为的单色狭条光源于双棱镜的正前方，则从射来的光束通过双棱镜的折射S0S0后，变为两束相重叠的光，这两束光仿佛是从光源的两个虚像和射出的一样。由S0S1S2于和是两个相干光源，所以若在两束光相重叠的区域内再放一屏，即可观察到明暗相S1S2间的干涉条纹。（如图17-1）因为干涉场范围比较窄，干涉条纹的间距也很小，所以一般要用测量显微镜或测微目镜来观察。图17-1双棱镜干涉光路现在讨论屏上干涉条纹的分布情况，分别从相干光源和发出来的光相遇时，若它S1S2们之间的光程差恰等于半波长（/2）的奇数倍，则两光波叠加后为光强极小值；若恰等于波长的整数倍，两光波叠加后得光强极大值。即暗纹条件=（2－1）/2=1,2,……（17-1）明纹条件==0,1,2,……（17-2）如图（）所示，设和是双棱镜所产生的两相干虚光源，其间距为，屏幕到17-2S1S2平面的距离为，若屏上的点到和的距离相等，则和发出的光波到S1S2DP0S1S2S1S2P0的光程也相等，因而在点相互加强而形成中央明条纹。P0设S和S到屏上任一点P的光程差为，P与P的距离为X，当＜＜D和X＜＜D12kk0kk时可得到（17-3）当光程差为半波长（/2）的偶数倍时，即满足以下条件时，k=0，1，2，……（17-4）得到了明条纹。由式（17-3）及式（17-4）可得（17-5）由式（17-5）可看出，相邻两明条纹的间距是（17-6）于是（17-7）对暗条纹也可得到同样结果。利用式（17-7）可以测量光波波长。Pk+1SP1kxk+1xkP0aδS2D图17-2条纹间距与光程差及其它几何之关系仪器介绍测微目镜是利用螺旋测微原理测量成像于其分划板上的像大小的仪器，旋动鼓轮，通过传动丝杆可推动活动分划板左右移动。活动分划板上刻有双线和叉丝，其移动方向垂直于目镜的光轴，固定分划板上刻有毫米标度线。测微器鼓轮刻有100分格，每转一圈，活动分划板移动1毫米。其读数方法与螺旋测微计相似，双线或者叉丝交点位置的毫米数由固定分划板上读出，毫米以下的读数由测微器鼓轮上读出，最小分度值为0.01mm。1．调节目镜，使叉丝和固定分划板的毫米标度线均在目镜视野中最清楚。2．被测量的像应在叉丝平面上。移动眼睛看叉丝和物像有无相对移动，即消除视差。3．测量时转动鼓轮推动分划板，使叉丝的交点或双线依次与被测像两端重合，得到首尾两个读数，其差值即为被测像之尺寸。4．测量时应注意使鼓轮沿一个方向转动，中途不能反转，以避免空程差。移动活动分划板的同时，一定要注意观察叉丝位置，不能使它移出毫米标度线的范围之外。实验内容及操作步骤1．实验装置的调整双棱镜实验的光路布置如图17-3，N为钠光灯，S为狭缝，B为双棱镜，L为凸透镜，E为测微目镜。测量时，所有这些光学元件都放置在光具座上。从光具座上附有的米尺上读出各元件的位置。LLSB12叉丝平面NERD图17-3双棱镜实验的光路图(1)确定光轴双棱镜实验装置中，用测微目镜作为像屏观察干涉条纹。我们的实验装置中，钠光灯固定在光轨上，高度不可调。狭缝横向不可调，根据钠光灯窗口位置调整好高度不再调节。所以调整实验装置时应明确，各个光学元件所共的轴将是通过狭缝中心并平行于光具座导轨的一条直线。调整的方法是固定狭缝的中心点不动，把测微目镜光轴、透镜光轴重合到这条直线上来。步骤如下：①目测粗调依次置钠光灯、狭缝、双镜棱、凸透镜和测微目镜于光具座导轨上，狭缝应靠近钠光灯，狭缝中心和钠光灯窗口中心等高，目测调节狭缝中心，双棱镜中心，凸透镜中心与测微目镜中心等高。并使它们的平面互相平行，并且垂直于导轨。②确定光轴点燃钠灯，取下双棱镜，移动测微目镜使狭缝与测微目镜