物理化学电子教案—第六章.ppt

上一页 下一页 主目录O 返 回 白光干涉实验 实验目的 实验原理 仪器介绍 实验内容 思考练习 上一页 下一页 主目录O 返 回 迈克尔逊简介 迈克尔逊（Albert Abraban Michelson，18521931） 美国物理学家。 曾从事光速的精密测量 工作。 迈克尔逊首倡用光波波 长作为长度基准。 1881年，他发明了一种 用以测定微小长度、折射 率和光波波长的干涉 仪（迈克尔逊干涉仪）。 他与美国物理学家E.W. 莫雷合作，进行了著名的 迈克尔逊莫雷实验， 否定了“以太”的存在， 为爱因斯坦建立狭义相对 论奠定了基础。 由于创制了精密的光学 仪器和利用这些仪器所完 成的光谱学和基本度量 学研究，迈克尔逊于1907 年获诺贝尔物理学奖金。 上一页 下一页 主目录O 返 回 1.实验目的 1、测量钠光D双线的波长差； 2、观察白光干涉条纹； 3、测量白光的相干长度。 上一页 下一页 主目录O 返 回 点光源S。分光镜G1，G1右表面镀有 半透半反射膜，使入射光分成强度相 等的两束。 全反射镜M1和M2：M1为固定全反射 镜，背部有三个粗调螺丝，侧面和下 面有两个微调螺丝。M2为可动全反射 镜，背部有三个粗调螺丝。 迈克尔逊干涉仪结构原理 迈克尔逊干涉仪的结构及光路 观察区域F，如到达F处的两束光满 足相干条件，可发生干涉现象。 G2为补偿扳，它与G1为相同材料， 有相同的厚度，且平行安装，目的是要 使参加干涉的两光束经过玻璃板的次数 相等，波阵面不会发生横向平移。 2.实验原理 上一页 下一页 主目录O 返 回 分光板把入射光分成两束强度几乎相等的光束（因此迈克 尔逊干涉仪是分振幅干涉），这两束光经过两个平面镜的 反射之后汇集到分光板后面发生干涉，形成干涉条纹（因 此迈克尔逊干涉仪是双光束干涉）。可动平面镜和固定平 面镜的虚像形成了一个薄的空气层，这两束光可以看成是 从该膜的上下底面上方反射回来的。这种干涉现象跟厚度 为d的空气薄膜产生的干涉现象等效。因此迈克尔逊干涉 仪的等效光路就是一个薄膜干涉。 上一页 下一页 主目录O 返 回 1 1、如果光源是点光源，则产生非定域干涉、如果光源是点光源，则产生非定域干涉 2 2、如果光源是扩展光源，则产生定域干涉、如果光源是扩展光源，则产生定域干涉 3 3、如果两个平面镜严格垂直，即空气膜厚度处、如果两个平面镜严格垂直，即空气膜厚度处 处相等，则形成等倾干涉条纹处相等，则形成等倾干涉条纹-同心圆环同心圆环。 4 4、如果两个平面镜稍有倾斜，即空气膜为一个、如果两个平面镜稍有倾斜，即空气膜为一个 空气劈尖，则形成等厚干涉条纹空气劈尖，则形成等厚干涉条纹-直条纹直条纹。 5 5、如果利用扩展白光源，则可以看到彩色条纹。、如果利用扩展白光源，则可以看到彩色条纹。 干涉图样的类型干涉图样的类型 上一页 下一页 主目录O 返 回 激光源的等倾 干涉图 上一页 下一页 主目录O 返 回 白光干涉图 上一页 下一页 主目录O 返 回 光谱双线波长差 如前述的原理，当M1与M2互相平行时，得到明暗相间的 圆形干涉条纹。如果光源是绝对单色的，则当M1镜缓慢移 动时，虽然视场中心条纹不断涌出或陷入，但条纹的衬度 不变，所谓条纹的衬度是指条纹的清晰程度，通常定义为 式中Imax和Imin分别为亮纹的光强和暗纹的光强。 如果光源中包含有波长相近的两种光波1和2，则可遇到 这样情况：两列光波（1）和（2）的光程差恰好为1的整 数倍，而同时又为2的半整数倍，亦即 上一页 下一页 主目录O 返 回 这时，1光波成亮环的地方，恰好是光波2被生成暗环的地方。如果 这两列光波强度相等，则由定义，在这些地方条纹的衬度为零。从某 一衬度为到相邻的下一次衬度为零，即如果第一次衬度为零时，1为 亮环，那么第二次它即为暗条纹，也就是光程差的变化L对1是半 个波长的奇数倍，同时对2也是半个波长的奇数倍，又因这两个奇数 是相邻的，故得 于是 对于视场中心来说，设M1镜在相继两次衬度为零时移动L应等于 2d，所以 只要知道两波长的平均值 和M1镜移动的距离d，就可以求出两者 的波长差，根据这原理，可以用实验测量钠光D双线的波长差。 上一页 下一页 主目录O 返 回 考虑等倾条纹时视场中心处的 情况。对于任何一种光源 ，都存在一个dm值， 时，视场中干涉场的可见度为零； 只有当 时，才能出现干涉条纹。不同光源的dm值不同 ，即能够产生干涉条纹的最大光程差 不同。我们称 为该光源的相干长度。 相干长度 不同光源的相干长度有很大差异： 氦氖激光束单色性很好，单纵模氦氖激光束只有10-410- 7nm，相干长度由数米到数公里； 普通低压水银灯、钠灯的准单色光的约为10-2nm，相干长 度只有数厘米； 钨丝灯发射的光，其与0相近，相干长度仅数微米。 上一页 下一页 主目录O 返 回 3.仪器介绍 仪器主体结构如右图所示，导轨（7）固定在 一只稳定的底座上，由三只调平螺丝（9）支 承调平后可以拧紧锁紧圈（10）以保持座架稳 定。丝杆（6）螺距为1mm转动粗动手轮（2） 经一对传动大约为2:1的齿轮付带丝杆旋转与 丝杆啮合的可调螺母（4），通过防转挡块带 动移动镜（11）在导轨面上滑动，实现精动， 移动距离的毫米数可在机体侧面的毫米刻尺（ 5）上读得通过读数窗口，在刻度盘（3）上读 到0.001mm，移动镜（11）和参考镜（14）附 近有两个微调螺丝（15）垂直的螺丝使镜面干 涉图象上下微动水平螺丝则使干涉图象和水平 移动，丝杆顶进力可通过滚花螺帽（8）来调 整，仪器各部活动要求转动轻便，弹性元件接 触力适宜。 上一页 下一页 主目录O 返 回 分光板、补偿板和反射镜 上一页 下一页 主目录O 返 回 当使用完毕，需存放一段时期时，导轨丝杆面应上防 锈油，由于结构上原因，微动手轮正反空回，出厂时允许 在0.03mm范围内，这对测试是无影响的。 如果出现不圆整，不规则现象，应检查分光板和补偿 板之间相互是否平行，照明光轴是否在视场上局中，与分 光面成45等。也可调移动镜和参考镜粗微动螺钉来实现， 以保证干涉条纹清晰。平时丝杆面上防锈油脂，加上T5精 密仪表油。 上一页 下一页 主目录O 返 回 粗调和微调鼓轮 轨道上的标尺 上一页 下一页 主目录O 返 回 4.实验内容 1.了解迈克尔逊干涉仪结构，熟悉每个旋钮的作用。 2.测量钠光D双线的波长差。 点亮HeNe激光器使之照射在前面的毛玻璃上，形成均匀的扩 展光源。 把HeNe激光器换成钠灯，调好等倾干涉条纹后，缓慢移动M1 镜，使视场中心的衬度最小，记下M1镜的位置d1，沿原来方向移 动M1镜，直至衬度又最小，记下M1镜的位置d2，即得 按上述步骤重复三次，求d的平均值，根据实验原理相关公式 ，计算钠灯D双线的波长差。 上一页 下一页 主目录O 返 回 3.测量白光相干长度 利用激光束，调节M1和M2平行，仔细移动M2，使 两束光光程差接近于零，即干涉条纹变为直线，产生 白光干涉条件； 换用白光光源，用微调手轮由b向a旋动，则可在ab间 的某一位置看到处纸屏上出现彩色的白光条纹。花 纹的中心就是M2、M1的交线，此时M1镜的位置准确 地和M2镜重合， 产