浙江大学物理光学实验报告综述

\本科实验报告课程名称姓 名系：专 业学 号指导教师

物理光学实验郭天翱光电信息工程学系信息工程（光电系3100101228蒋凌颖2012年1127日专业：光电信息工程姓名：郭天翱学号：3100101228日期：2012年月日地点：紫金港东1A407专业：光电信息工程姓名：郭天翱学号：3100101228日期：2012年月日地点：紫金港东1A407课程名称物理光学实_指导老师成绩实验名称：迈克尔逊干涉仪实验 实验类型 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填七、讨论、心得一、实验目的和要求1、掌握迈克耳逊干涉仪的结构、原理、调节方法；2、用迈克耳逊干涉仪观察平板干涉条纹的特征，测定单色光波长；3、观察白光干涉条纹，测量光波的相干长度；二、实验原理图1是迈克尔逊干涉仪的光路原理图。光源上一点发出的光线射到半透明K1”和“2“2”M装 2

上被反射回来后，透过G到达E处；光图2 非定域干图2 非定域干2d订 M2dM'2 1G线 k GG1 21激光 M1图1迈克尔逊干涉仪E透过

MM反射回来后再透过

射到K上，反射到达E处。这2 1 1 2两条光线是由一条光线分出来的，故它们是相干光。光线“1”也可看作是从M1在半透明层中的Mˊ反射来的。在研究干涉时，MˊM1 1 1MˊM1 2用凸透镜会聚的激光束是一个很好的点光源，它向空间发射球面波，从M和M1

反射后可看成由两个光源S和S1 2

发出的（见图2S1

(或S2

)至屏的距离分别为点光源S从 GM1 1

(或M

和G)反射至屏的光程，S和S的距2 1 1 21MˊM之间距离d2d。虚光源SS发出的球面波在它们相1 2 1 2遇的空间处处相干，这种干涉是非定域干涉。1、等倾干涉（定域干涉）M2M1M2’M1hM1M2用望远镜系统。干涉场中某一点所对应的两支相干光线的光程差为光波波长的整数倍时，即该点为亮条纹中心；而光程差为光波长的半整数倍时，即该点为暗条纹中心。m0和.这是如果转动丝杆使M2hNM2到引用源。，便可计算出光波长。2、等厚干涉条纹（定域干涉）M2M1M2’M1（如人眼hM1M2察这种条纹需要采用放大镜，或者人眼直接观察虚平板表面。h倾等厚之间，称为混合条纹。3、非定域干涉HE-NE2观察到干涉条纹。4、白光条纹到白光干涉条纹。中央零级为白（或黑）的彩色条纹。三、主要仪器设备HE-NE激光器、白炽灯、扩束镜、准直镜、会聚镜、迈克尔逊干涉仪。整个装置包括三部分：照明系统、干涉系统和观察系统，如图1所示。1干涉系统——迈克尔逊干涉仪，如图2所示3G1分光镜，它是在第二表面镀以半反射介质膜的平行平面板。G2是一块与G1全同的平板，成为补偿板，它与G1平行。M1M2间取向。M2M2微调。2、观察系统为了观察不同类型的干涉，观察系统可以是望远镜、放大镜或者是人的眼睛。3、照明系统本实验单色光源为HE-NE激光器，激光经扩束准直，再经L2会聚。四、实验内容1、观察单色光等厚干涉条纹M1，M2M1，M2，使光斑严格重合。干涉条纹。L1L1毛玻璃上出现圆环条纹。如果条纹很多，应该转动手轮移动M1，使条纹减少到1-3。M2M1。观察原干涉条纹的变化，4并记录。2、观察单色光的等倾干涉条纹到视场中仅有一条条纹。L1L2M1M2上的光斑尽可能小。观察系统采用毛玻璃屏，可以看到等倾圆环。M1观察等倾圆环的变化，并记录。3、测量单色光波长转动粗动手轮，使屏上的等倾条纹的数目适中转动微动手轮，可见到圆条纹缓缓向中心收缩，并在中心消失，记下读数S1；继续向一个方向转动微调手轮，观察条纹在中心消失50个，记下读数S2；重复三次，并作记录4、观察白光的彩色条纹在观察到单色等倾条纹的基础上，移动M1纹。动手轮，直到出现彩色条纹。调整M2观察彩色条纹的变化，移动M1观察彩色条纹的变化，并做记录。五、实验数据记录和处理记录在实验过程中观察到的现象，并加以解释观察单色光等厚干涉条纹时，微调螺杆（3）和（4），或微动手轮移动M1，观察到原等厚干涉条纹发生移动，而且间距变大。M2’（虚镜面）M1螺杆（3）和（4），M1M2’发生一定的变化，从而使得等厚干涉条纹发生移动或者间距发生变化。M2M1M2’之间的夹角，M1M2’之间的距离，可以观察到彩色条纹由细变粗，然后又变细。S1S1(mm)S2(mm)h=|SS|12N2h(nm)N1()643.7nm312310.647400.663330.0159350637.620.663340.679360.0160250640.430.711360.727700.0163450653.2相对误差：（643.7-632.8）/632.8*100%=1.7%5六、思考题G2答：补偿板G2主要是为了平衡光线在平板G1中的光程差，G2板应该和G1板完全一样，并且摆放位置也要与G1板平行。为什么观察等厚条纹时，一定要使L1纹是否为等厚条纹？条件不是等厚条纹。观察等倾条纹时，要求入射光束只照亮M1处？

和M表面上较小区域，这有什么好2更加清晰，方便观察和计数。请考虑利用干涉方法测量一块均匀的已知厚度的透明平行薄片折射率的方法离为S，则2(n1)hS，由此可以求得薄片的折射率。6姓名：学号：姓名：学号：日期：2012年月日地点：紫金港东1A407课程名称物理光学实_指导老师成绩 实验名称：用F-P干涉仪测量钠黄光波长差实验 实验类型 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填七、讨论、心得一、实验目的和要求1、观察多光束干涉的条纹特征2、学会法布里-珀罗干涉仪的调整，及光波微小波长差的测量二、实验内容装订线法布里－珀罗（F-P）干涉仪是由两块内表面镀有高反射膜（介质膜或金属膜）的相互平行的高平面度玻璃板或石英板组成，根据平行平面板反射单色光的多光束叠加产生细窄明亮干涉条纹的基本G1装订线若有一定光谱宽度的单色扩展光源发出的发散LL干涉仪（标准具）是一种高分辨率的光谱仪器，常用于研究谱线的精细结构。当光源发出有微小波长差△λ的两谱线时，由法-珀干涉仪产生多光束干涉条纹，对于干涉场的某一点，可写出两个相接近谱线的程差表示式：2hcosm1 12hcosm2 27对于不同波长的光波，△所对应的干涉级差为： 1 (m)mm () 1 1 2 2 1考虑干涉场中心附近的点（可认为θ≈0，则可计算波长差公式为：()1 2

(2)2h e12为的平均波长，一般由低分辨率仪器测定；△e12级条纹之相对位移，e是同一波长的条纹间距△△ee当改变法-珀干涉仪两板之间的间距h，两波长条纹之相对位移为（△e）=e，而相应的两板间距变化为（△h

()

(2)2(h)小波长差（△λ）三、主要仪器设备钠光灯、聚光灯、小孔光栏、准直镜、汇聚镜、法-珀干涉仪、滤色片四、操作方法和实验步骤法布里-珀罗干涉仪外形如图3所示，由迈克尔干涉仪改装而成，仪器的调8节机构与迈克尔干涉仪相同1、调整干涉仪使两平板内表面平行42~3mm此时可看到一组平行直条纹（多光束等厚干涉，再微调螺丝增大条纹间距，直致视场中亮度均匀一片，此时两反射面平行。图4实验装置原理简图2、观察钠黄光的多光束干涉条纹随后放入会聚透镜，使在法-珀干涉仪平板上的光斑尽可能小，则在望远镜9不在中央，可同时调节两反射镜微调螺丝，使两镜与入射光束垂直。3、测量钠双线的波长差h，连测三次，求取钠双线波长差的平均值。注意：为了减少误差，测出两组条纹从开始重合分开之间距变化，取其中间位置作为一次重合之位置进行计算。本实验主要是仪器及多光束干涉条纹的观察及测量。实验报告对仪器调整方法的原理及多光束干涉条纹的特征应着重讨论。五、实验数据记录和处理h2(mm)(开始分离位置)3.4560122(h)13.311010.290010.59873.166003.4550023.319450.271100.64053.183903.467330.620733.328280.278110.62433.189223.4601143.319960.280310.6194h1(mm)(开始重合位置)h1(mm)(开始重合位置)hhh12(mm) h(mm) 2(nm) (nm)3.17980存在较大误差。六、思考题用已学过的知识，解释这一现象。由公式=2e可知，当程差发生变化，即h发成变化时，e也将发生变化。2he随着e的变化，干涉条纹从重合的一套条纹变成了两套条纹，因此会觉得条纹10从模糊变清晰或者从清晰变模糊。的方法。d后由公式eD

来计算波长。M2，失的个数m。由公式(m1)m()得m11姓名：学号：姓名：学号：日期：2012年月日地点：紫金港东1A407课程名称物理光学实_指导老师成绩实验名称：牛顿环实验 实验类型 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填七、讨论、心得一、实验目的和要求1、观察光的等厚干涉现象，熟悉光的等厚干涉的特点；2、用牛顿环测定平凹透镜的曲率半径；二、实验内容装订线图装订线图3 实验原理图（4所示环。由于同一干涉环上各处的空气层厚度是相同的，因此它属于等厚干涉。12图4 实验光路图3ｒ度为ｄ，其几何关系式为：R2(Rd)2r2R22Rdd2r2由于Ｒ>>ｄ，可以略去d2得r2d2R

(1)光线应是垂直入射的，计算光程差时还要考虑光波在平玻璃板上反射会有半波损失，从而带来/2的附加程差，所以总程差为：产生暗环的条件是：

2d2(2k1)2

(2)(3)其中ｋ＝0，1，2，3，...为干涉暗条纹的级数。综合(1)、(2)和(3)式可得第ｋ级暗环的半径为：r2kR (4)由(4)式可知，如果单色光源的波长已知，测出第ｍ级的暗环半径rm

，即可得出平凸透镜的曲率半径Ｒ；反之，如果Ｒ已知，测出rm

后，就可计算出入射单色光波的波长。但是用此测量关系式往往误差很大，原因在于凸面和平面不可能是理想的点13环的半径rm

和r的平方差来计算曲率半径Ｒ。因为nr2mRm

r2nRn两式相减可得rm

2r2R(mn)nr2r2

2D2所以Rm n 或R m n(mn) 4(mn)

（5）由上式可知,只要测出Dm

D（分别为第m与第n条暗环的直径）的值，就能n算出Ｒ或中心位置的困难。三、主要仪器设备牛顿环仪、读数显微镜、钠灯四、操作方法和实验步骤一、用牛顿环测量透镜的曲率半径141、调节牛顿环仪上螺钉，用眼睛观察使牛顿环的中心处于牛顿环仪的中心；2、将牛顿环仪置于移测显微镜平台上，开启钠光灯，调节半反射镜使钠黄光充满整个视场，此时显微镜中的视场由暗变亮；3、调节显微镜，直至看清干涉条纹；4、观察条纹的分布特征。查看各级条纹的粗细是否一致，条纹间隔是否一样，并解释；5、测量透镜的直径。6、自拟表格记录实验数据。五、实验数据记录和处理观察条纹的分布特征，可以发现牛顿环中心是暗斑，粗细和间隔不一致。r2kR间距会越小。序号m序号mnR（mm)1133.684.892.2002.1372465.416.252.078311156.627.342.132六、思考题能否用牛顿环装置测量非球面的曲率？如果曲率变化比较慢的情况下，可以将非球面近似为球面，因此可以测量。若看到的牛顿环局部不圆，这说明了什么？说明被测量的透镜表面有缺陷，如凸出，凹陷等。15姓名：学号：姓名：学号：日期：2012年月日地点：紫金港东1A407课程名称物理光学实_指导老师成绩实验名称：汞绿线精密谱线测量实验 实验类型 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填七、讨论、心得一、实验目的和要求1、了解法布里-珀罗标准具的结构，学会使用标准具。2、用法布里-珀罗标准具测定汞绿线（λ=546.07nm）的精细结构。二、实验内容装订线构，这些细微结构称为光谱线的精细结构，利用法布里-珀罗标准具可以观察到汞绿线（λ装订线法布里-珀罗标准具是由两块内表面镀有高反射膜的相互平行的高平面度玻璃板组成，在内表面之间形成多次反射以产生多光束之间的干涉（图1，两外表面与内表定式的，一般是由膨胀系数很小的铟钢制成空心圆柱形间隔器。用有一定光谱宽度的单色扩展光源发出的发散光照射法布里-珀罗标准具，则在16能被清晰地分开，从而能直接进行测量。若错误！未找到引用源。是被测谱线的波长范围，则用来测量此谱线的精细结构的法布里-珀罗标准具的参数选配应满足条件式中 ，称错误！未找到引用源。为标准具常数或自由光谱范围，他表示与间距h相对应的标准具所能测量的最大波长范围；称 为标准具的分辨本领，错误未找到引用源。为相h，R时标准具所能分辨的最小波长差。另外，由等倾干涉知识可知，在焦距f的透镜焦面上形成的干涉条纹中，从中心向外数第N个亮圆条纹的直径为 ，式中错误！未找到引用源。是干涉级小数。因此，测出第p和第q个亮纹的直径Dp、Dq，则有关系式故有：错误！未找到引用源。，式中，错误！未找到引用源。是波长错误！未找到引用源。的干涉圆环中心干涉级小数。如对各个波长的圆环分别求出中心干涉小数错误！未找到引用源。，则由中心处的光程差关系式：可得到波长差表式：17长的多个干涉圆直径求得的错误！未找到引用源。的平均值。三、主要仪器设备汞灯、聚光灯、光阑、准直镜、干涉滤光片、会聚镜、法-珀标准具、CMOS四、操作方法和实验步骤2FP上形成汞绿产生未找到引用源。线是汞绿线的主线，中心波长，本实验测量546.1nm。2布置大致安排光路，使各元件等高；标准具调整h=5mm的法布里-R=0.95,标准具上配有一个微调支架，支架可前后左右微动10右。18到理想的等倾条纹。3、精细结构的测量（1）2所示光路放入准直物镜，利用自准直方法调整准直镜位置，使（或发散）光照明标准具，并在标准具上有足够啊的光斑，加入接收系统，使从标准具出射的光照射另一会聚镜，并在其后焦面上形成清晰地同心圆条纹。（2）用COMS（或读数显微镜）接收干涉图样，用“干涉图样标测”测出中心附近（即所对应的像素值五、实验数据记录和处理干涉图样如图：19x(mm)

Dxxr r

D2(D2D2(mm2)

(nm)x4923x 3x4582线x 2

p q 1 1(mm)355 12602545936 -0.743283 80089 -0.724x4081

182

46965

-0.705 0.00868x 1x5013x 3x4682

372

45968 -1.010线x 2

304 92416 -1.015x4251

216

45760

-1.020x 1x5093x 3x4772线x 2x4361

388 324 238 56644

45568 -1.304 0.00665-1.23848332 -1.172x 198120六、思考题D2D2

是常数由实验数据可知，

r r2αD2D

=92901（nm2）r r2βD2D

=91728（nm2）r r2rγDr

D2r

=93900（nm2）可以求出三者的均值为92843，标准差为887，相对于差值来说这个标准差很小，D2

是常数r r2对光谱进行精细结构分析，根据什么条件选择法-h=5mm的法-珀标准具，试分析原因。答：用法珀标准具测量两相近波长的波长差，目标光线的波长差须满足：△λ)min<△λ△λ)s.h=5m，所以（s.r=0.0298n，大于所要测的波长差，因此可以用来测量。用本实验装置能否测定钠双线？为什么？答：不能。因为那双线的波长差为0.6nm，而该标准具的测量范围为0.000487nm~0.0298nm，其不在该标准具的测量范围之内。21姓名：学号：姓名：学号：日期：2012年月日地点：紫金港东1A407课程名称物理光学实_指导老师成绩实验名称：激光平面干涉仪实验 实验类型 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填七、讨论、心得一、实验目的和要求1、了解激光平面干涉的结构原理及装调方法；2、组装平面干涉仪，获取干涉图；3、学会从干涉图分析被测光学零件的面形误差。三