干涉现象的观察及钠光D双线波长差的测定

实验二十四干涉现象的观察及钠光D双线波长差的测定实验二十四干涉现象的观察及钠光D双线波长差的测定实验目的:1、利用迈克尔逊干涉仪考察点光源产生的非定域干涉、等倾干涉、等厚干涉的形成条件以及干涉图样的特点。2、测定钠光D双线的波长差。实验仪器:迈克尔逊干涉仪、He-Ne激光器、低压钠灯、扩束镜等。实验原理:1、仪器的结构要点图24-1迈克尔逊干涉仪光路图右图是迈克尔逊干涉仪的光路图。从光源发出的光束射到玻璃板上，的前后两个面严格平行，后表面镀有铝或银的半反射膜。光束被半反射膜分为两支，图中用（1）表示反射的一支，用（2）表示透射的一支。因为和平面镜和成角，所以两光束分别近于垂直入射、。两光束经反射后再次相遇，形成干涉条纹。为一补偿板，其材料和厚度与相同。的作用是补偿光束（2）的光程，使光束（2）和光束（1）在玻璃中的光程相等。图24-1迈克尔逊干涉仪光路图反射镜是固定的，可在精密导轨上前后移动，以改变两束光之间的光程差。的移动采用了蜗轮蜗杆传动系统，其最小读数为，可估计到。镜、的背面各有三个螺钉，用以调节、平面的倾度。镜的下端还附有方向互相垂直的两个微动螺钉，用以精确地调节镜的倾度。迈克尔逊干涉仪所产生的两相干光束是从和反射而来的，因此可以先画出被反射所成的虚象，研究干涉图样时，和完全等效。图2图24-2点光源的非定域干涉原理图经扩束镜扩束后的激光束，是一个线度小、强度高的点光源。点光源经平面镜、反射后，相当于由两个虚光源、发出的相干光束，如图4－2所示。和的距离为和的距离的二倍，即。虚光源、发出的球面波在它们相遇的空间处处相干，因此是非定域的干涉图样。通常，把屏放在垂直于的联线上，对应的干涉图样是一组同心圆，圆心在延长线和屏的交点上。如图所示，由、到屏上任一点的光程差为就会出现等厚干涉条纹。如图25—4所示，光源S发出的不同方向的光线（1）和（2），经、反射后在镜面附近相交，产生干涉。把眼睛聚焦在镜附近，就可以观察到干涉条纹。当夹角很小时，光线（1）和（2）的光程差仍然可以近似地用L=2cos表示，其中是观察点B处空气层的厚度，仍为入射角。在、两镜相交处，=0，光程差为零，出现直线亮条纹，称为中央条纹。如果入射角不大，cos≈1-，故L≈2(1-)=2-(24-5)在中央条纹附近，干涉条纹是大体上平行于中央条纹的直线，随着视角的增大，条纹逐渐发生弯曲，从(5)式可知，要保持同样的光程差，必须增大d，即条纹弯曲的方向是凸向中央条纹的。观察等厚条纹时，光源应采用扩展光源，使得反射后能有各方向的光线，以便于观察到整个干涉图样。5、测定光源的微小波长差当、互相平行时，得到明暗相间的圆形干涉条纹，设亮条纹光强为，相邻暗条纹光强为，定义视见度V=(24-6)视见度描述的是条纹清晰的程度。图24-5准单色光示意图图24-5准单色光示意图如果光源中包含有波长相近的和两种光波，而每一列光波均不是绝对单色光，如图4—5所示，由于双线波长差与中心波长相比甚小，故称之为准单色光。用这种光源照明迈克尔逊干涉仪，将产生两套干涉图样，干涉场中的强度分布则是两组干涉条纹的非相干叠加，干涉条纹的视见度将随光程差做周期性的变化。光程差为零时，干涉条纹最清晰，光程差逐渐增加时，视场中干涉条纹交替出现“清晰”和“消失”，设在值为时，与均为亮条纹，视见度最佳，则有，如果＜，当值增加到时，有，（为一整数）此时，对是暗条纹，对则为亮条纹，视见度最差（可能分不清条纹），从视见度最佳到最差，移动的距离为由和消去，可得波长差(24-7)式中，为、的平均值。因为视见度最差时的位置，对称地分布在视见度最佳位置的两侧，所以在两相邻视见度最差的位置之间移动的距离与（=-）的关系为=（24-8）实验内容及步骤：1、观察由点光源产生的非定域干涉图样（1）开启He-Ne激光器，使He-Ne激光束大致垂直于，且使光斑位于的中心位置附近，则在干涉仪的毛玻璃屏上可以看到两排光斑。调节和后面的三个螺钉，使两排光斑中最亮的两个光斑重合。这时和大致互相垂直，即和大致互相平行。（2）放上扩束镜。经过扩束镜扩束后的激光，相当于是从一个点光源发出的，只要两个光斑重合得较好，则在屏上就可以观察到弧状干涉条纹，再仔细调节的两个微动螺钉，使和趋于平行，屏上弧状干涉条纹就逐渐转化为圆条纹了。（3）转动的传动系统,使前后移动，观察条纹的变化:从条纹的涌出或陷入说明、之间的距离是变大还是变小，观察并解释条纹的粗细、密度和的关系。2、观察等倾干涉条纹。图24-6非定域干涉示意图（1）移去He-Ne图24-6非定域干涉示意图（2）转动的传动系统，使前后移动，观察条纹变化的规律（与非定域干涉的要求相同）。3、测定钠光D双线的波长差（1）低压钠灯工作时，在可见光区发射出两条极强的黄色谱线，称为D双线。移动，使视场中有粗细及密度适宜的条纹。（2）移动，使视场中心的视见度最小，记录的位置为，沿原方向继续移动，直至视见度又为最小，此时的位置为，则=||。注意：视见度最小的位置较难判断，可选取干涉条纹刚消失和刚出现的位置为参考。（3）利用（8）式，计算D双线的波长差，其中取实际值589.3nm。（4）将求得的与实际值0.6nm相比较。若误差较大,试分析产生误差的原因。4、观察等厚干涉条纹移动，使视场中条纹很粗,且只包含一到两个条纹，这时和接近重合，调节的某一个微动螺钉，使、有一很小的夹角,则视场中出现直干涉条纹。移动，观察干涉条纹的变化。注意：、的夹角较大时,条纹变得很密，甚至观察不到干涉条纹。注意事项：1、迈克尔逊干涉仪系精密光学仪器，使用时应注意：（1）注意防尘、防潮、防震；不能触摸元件的光学面，不要对着仪器说话、咳嗽。（2）实验结束后，所有调节螺钉均应处于放松状态。调节时应先使之处于中间状态，以便有双向调节的余地。调节动作要均