物理研究性报告多光束干涉和法布里—珀罗干涉仪实验浅析.doc

39137126 刘鹏基础物理研究性实验报告报 告 名 称：多光束干涉和法布里珀罗干涉仪实验浅析指 导 老 师： 李 朝 荣学 生： 刘 鹏 所在院（系）： 交通科学与工程学院学 号： 39137126电 子 信 箱： 实 验 日 期： 2011年4月1日北京航空航天大学本科生必修课二一一年14摘要：本实验利用多光束干涉原理，先以钠光灯扩张光源照明，通过法布里-珀罗干涉仪获得并研究多光束干涉的等倾条纹，测量钠双线的波长差，然后借助读数显微镜测量氦氖激光干涉圆环的直径，验证=常数，并且测定反射面，的间距。关键词：多光束干涉，法布里珀罗干涉仪，钠双线，氦氖激光一， 引言1899年法国物理学家法布里和珀罗创制了以他们名字命名的法布里珀罗干涉仪（简F-P干涉仪）。用（相位相同的）多光束干涉，可以获得细锐明亮且暗纹较宽的明条纹。因此一直是长度计量和研究光谱超精细结构的有效工具，多光束干涉原理还在激光器和光学薄膜理论中有重要的作用，是制作干涉仪器中干涉滤光片和激光共振腔的基本构型。等倾干涉入射光经薄膜上表面反射后得第一束光，折射光经薄膜下表面反射，又经上表面折射后得第二束光，这两束光在薄膜的同侧，由同一入射振动分出，是相干光，属分振幅干涉。若光源为扩展光源（面光源），则只能在两相干光束的特定重叠区才能观察到干涉，故属定域干涉。对两表面互相平行的平面薄膜，干涉条纹定域在无穷远，通常借助于会聚透镜在其像方焦面内观察。二， 实验重点,1，了解法布里珀罗干涉仪的特点和调节；,2，用法布里珀罗干涉仪观察多光束等倾干涉并测量钠双线的波长差和膜厚；,3，巩固一元线性回归法在数据处理中的应用。三， 实验原理法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪主要由平行放置的两块平面板所组成，图1，法布里珀罗干涉仪示意图图1为这种干涉仪的示意图，在两个板相向的平面和上镀有薄银膜或其它反射率较高的薄膜，要求镀膜的平面与标准样板之间的偏差不超过1/201/50波长。若两平行的镀银平面的间隔固定不变（通常采用石英或铟钢作间隔），则该仪器称为法布里-珀罗干涉仪。面光源放在透镜的焦平面上，使许多方向不同的平行光束入射到干涉仪上，在间作来回多次的反射，最后透射出来的平行光束在第二透镜的焦平面上形成同心圆形的等倾干涉条纹。图2，表面平行的介质中光的反射和折射图2表示一入射角为（折射角为）的光束的多次反射和透射，设镀银面的反射率为其中为入射光第一次射到前表面是时的振幅，为反射光的振幅，则透射光的振幅为 ，第一次在后表面反射的振幅为，透射的振幅为。从后表面相继透射出来的各光束的振幅依次为,， ，。这些透射光束都是相互平行的，如果一起通过透镜，则在焦平面上形成薄膜干涉条纹，每相邻两光束在到达透镜的焦平面上的同一点时，彼此的光程差值都相等，其值为由此引起的位相差为若第一束透射光的初位相为零，则各光束的位相依次为振幅以等比级数（公比为）而依次减小（因），位相则以等差级数（公差为）而依次增加。多束透射光叠加的合振幅的平方，由下式表示： （*） 式中 称为爱里函数，其中 称为精细度，它是干涉条纹细锐程度的量度。由上式可知，对于给定的值，随而变，当时，振幅为最大值；当时，振幅为最小值。透射光束光强的最小值与最大值的比为因此，反射率越大，可见度越显蓍，由（*）式还可看到与的关系0时，不论值的大小如何，几乎不变，即分不清最大值与最小值。1时，只有时方出现最大值；如与上值稍有不同，则即接近于零。以为纵坐标，位相差为横坐标，则爱里函数可绘成 图3如图3所示的曲线，实线相当于反射率接近于1的情况，此时透射光干涉花样由几乎全黑的背景上一组很细的亮条纹构成，随着反射率的增大，透射光暗条纹的强度降低，亮条纹的宽度变窄，因此条纹的锐度和可见度增大，两条虚线曲线相当于反射率很小的情况，极大到极小的变化十分缓慢，透射光条纹的可见度很差。上文已给出位相差，如用单色面光源放在透镜的焦平面上（图1），光源上不同点处所发的光通过后形成一系列方向不同的平行光束，以不同的入射角到面上，由于和都是给定的，就唯一地取决于（因而也就是取决于），同一入射角的入射光经过法布里-珀罗干涉仪的透镜会聚后，都位于的焦平面的同一个圆周上，以不同入射角入射的光，就形成同心圆形的等倾干涉条纹，镀银面的反射率越大，干涉条纹越清晰明锐，这是法布里-珀罗干涉仪比之迈克耳孙干涉仪所具有的最大优点。此外，法布里-珀罗干涉仪的两相邻透射光的光程差表达式和迈克耳孙干涉仪的完全相同，这决定了这两种圆条纹的间距、径向分布等很相似，只不过前者是振幅急剧递减的多光束干涉，后者是等振幅的双光束干涉，这一差别导致前者的亮条纹极其细锐。如果用复色面光源，则还随而变，即不同波长的最大值出现在不同的方向。复色光就展开成有色光谱，越大，条纹越细锐。法布里-珀罗干涉仪和标准具所产生的干涉条纹十分清晰明锐的特点，使它成为研究光谱线超精细结构的强有力的工具，激光谐振腔就是应用了法布里-珀罗干涉仪和标准具的原理。还应指出，当、面的反射率很大时（实际上可达90%，甚至98%以上），由透射出来的各光束的振幅基本相等，这接近于等振幅的多光束干涉，计算这些光束的叠加结果，合振幅可用下式表示 式中为每束光的振幅，为光束的总数，则为各相邻光束之间的位相差。由上式可知，当时，得到主最大值最大=而当时，得到最小值注意这时已变为主最大值的条件，由此可见，在两个相邻主最大值之间分布着个最小值，又因为相邻最小值之间，必有一最大值，故在两个相邻的主最大值之间分布着个较弱的最大光强，称为次最大，图4为时等振幅多光束干涉的光强分布曲线，可以证明，当很大时，最强的次最大不超过主最大值的。 图4，时等振幅多光束干涉的光强分布曲线表征多光束干涉装置的主要参数有两个，即代表仪器可以测量的最大波长差和最小波长差，他们分别被称为自由光谱范围和分辨本领。1，自由光谱范围对一个间隔d确定的法布里珀罗干涉仪，可以测量的最大波长差是受到一定限制的。对两组条纹的同一级亮纹而言，如果它们的相对位移大于或者等于其中一组的条纹间隔，就会发生不同条纹间的相互交叉（重叠或错序），从而造成判断困难，把刚能保证不发生重序想象所对应的波长范围称为自由光谱范围。它表示用给定标准具研究波长在附近的光谱结构时搜能研究的最大光谱范围。下面将证明。考虑到入射光包含两个十分相近的波长和（），会产生两套同心圆环条纹，如果正好大到是的k级亮纹和的k-1级亮纹重叠，则有=/k，由于k是一个很大的数，故可用中心的条纹级数来替代，即2nd=k，于是=,2，分辨本领表征标准具特征的另一个参量是它所能分辨的最小波长差，就是说，当波长差小于这个值时，两组条纹不能再分开。常称为分辨极限，而把/称作分辨本领。可以证明：=，而分辨本领可由下式表示，即：/表示在两个相邻干涉条纹之间能够分辨的条纹的最大数目。因此分辨本领有时也被称为标准具的精细常数，它只依赖于反射膜的反射率，R越大，能够分辨的条纹数越多，分辨率越高。四， 实验内容1FP干涉仪的调节本实验用望远镜观察FP干涉仪的干涉条纹。将P1和P2距离调至1mm，用带毛玻璃片钠光灯作为光源，自P1到P2照射。钠光束透过干涉仪的两平板P2、P1后，由望远镜看到多个像点，表明干涉仪的两膜面并未平行。耐心调节P1、P2后的三个螺丝（注意螺钉不可拧得过紧），使多个光点重合，此时大致上两内表面平行。装上观察屏，如果P1、P2平行则能在观察屏上看到干涉条纹。否则，重新调节P1、P2后的三个螺丝。进一步调节两个拉簧螺丝进行微调，以得到圆心居中且比较清晰的干涉条纹。以增加方向旋转鼓轮，直至干涉圆纹中心出现“涌出”（或陷入），此时空程误差亦被消除。2测量两钠黄光波长差上面的调节完成后，使光束经毛玻璃漫散射后成为均匀的扩展面光源照亮分束板P1。先调节望远镜目镜使叉丝清晰，再通过望远镜向着P1观察，将看到圆形等倾干涉条纹。缓慢地旋转粗调手轮移动P1，记取与相邻的两条谱线（亮纹）中心重合时相应的位置，记下P1位置d1（注意记录精度）。继续移动P1镜，找到下一个相邻的两条谱线（亮纹）中心重合时相应的位置，记下P1位置d2，继续移动P1，重复十次，采用一元线性回归法求出 ，计算钠光D双线波长差 取589.3nm），用不确定度完整表示测量结果。 3读数显微镜测量氦氖激光干涉圆环的直径，验证=常数，并且测定反射面，的间距。是干涉圆环的亮纹直径，证明如下：第k级亮纹条件为2nd cos=k，所以cos= k/2nd，如果用焦距为f的透镜来测量干涉圆环的直径，则有 即cos=考虑到/2/f1，所以=由此可以得出= k/2nd，即它说明相邻圆条纹直径的平方差是与k无关的常数。由于条纹的确切序数一般无法知道，为此可以令k=i+，i是为测量方便规定的条纹序号，于是这样就可以通过i与之间的线性关系，求得，如果知道，f和d三者中的任意两个，就可以求出另一个。五， 原始数据及数据处理1， 测定钠双线的波长差。（=589.3nm）=，记=，则i=设X=i，Y=，即可利用回归方程求得=类别/mm1112.361195.575222.361192242.648387.013125.296763392.9470780685228.8412144163.2585210.6179513.0340855253.5314112.4708617.6570566363.8141114.5474422.8846677494.1142316.9268928.7956188644.4003519.3630835.2628099814.7019522.1083342.3175510101004.9807524.8078749.807505538536.75796142.11678226.25841平均5.538.53.67579614.21167822.625841表1，原始数据表a=mm=2.06982mmb=mm=0.291996mmr=0.997915所以=nm=0.59466nm不确定度的计算=b=0.291996=0.006677mm=mm=2.88675mm则=3.74256mmu（b）=6.677mm于是u（）=0.013593nm所以最终结果为+ u（）=（0.590.01）nm2， 氦氖激光干涉验证=常数（=632.8nm，f=150mm）令k=i+，i是为测量方便规定的条纹序号，于是（为常数）设X=i，Y=，即可利用回归方程求得b=i12345678910左40.53740.79241.00341.22941.47641.65841.86342.07642.28742.475右20.85120.63720.37320.13919.92719.70719.50219.29519.08918.889/mm19.68620.15520.63021.09021.54921.95122.36122.78123.19823.586387.5386406.2240524.5969444.7881464.3594481.8464500.0143518.9740538.1472556.2994表1，原始数据表类别111387.5286150186.1665387.5386224406.2240165017.9382812.4480339425.5969181132.72131276.79074416444.7881197836.453917793594215629.65242321.79706636481.8464232175.95322891.07847749500.0143250014.30023500.10018864518.9740269334.01274151.79209981538.1472289602.40894843.32481010100556.2994309469.02245562.9940553854723.78832260398.639727527.0160平均5.538.5472.37883226039.863972752.7016表2，回归计算列表及结果a= =369.3001b=18.7416r=0.999945因为r1，故，之间线性关系强烈，即与i成线性关系，从而=常数，原结论得证。b=得d=mm=3.0388mm六， 误差分析及讨论本实验结果与理论值相差甚小，符合很好，但相对误差偏大，一方面是由于仪器本身存在的系统误差，另一方面是反射面，的未能严格调平。法布里珀罗干涉仪是利用干涉原理测量光程之差从而测定有关物理量的光学仪器。两束相干光间光程差的任何变化会非常灵敏地导致干涉条纹的移动，而某一束相干光的光程变化是由它所通过的几何路程或介质折射率的变化引起，所以通过干涉条纹的移动变化可测量几何长度或折射率的微小改变量，从而测得与此有关的其他物理量。测量精度决定于测量光程差的精度，干涉条纹每移动一个条纹间距，光程差就改变一个波长（10-7米），所以干涉仪是以光波波长为单位测量光程差的，其测量精度之高是任何其他测量方法所无法比拟的。根据光的干涉原理制成的一种仪器。将来自一个光源的两个光束完全分并，各自经过不同的光程，然后再经过合并，可显出干涉条纹。在光谱学中，应用精确的法布里-珀罗干涉仪，可以准确而详细地测定谱线的波长及其精细结构。法布里-珀罗干涉仪的应用极为广泛，主要有如下几方面：长度的精密测量。在双光束干涉仪中，若介质折射率均匀且保持恒定，则干涉条纹的移动是由两相干光几何路程之差发生变化所造成，根据条纹的移动数可进行长度的精确比较或绝对测量。法布里-珀罗干涉仪曾被用来以镉红谱线的波长表示国际米。折射率的测定。两光束的几何路程保持不变，介质折射率变化也可导致光程差的改变，从而引起条纹移动。瑞利干涉仪就是通过条纹移动来对折射率进行相对测量的典型干涉仪。应用于风洞的马赫-秦特干涉仪被用来对气流折射率的变化进行实时观察。波长的测量。任何一个以波长为单位测量标准米尺的方法也就是以标准米尺为单位来