FP標(biāo)準(zhǔn)具試驗(yàn)講義

1、YCB型F-P標(biāo)準(zhǔn)具特性研究及 高準(zhǔn)確度波長(zhǎng)測(cè)定儀實(shí)驗(yàn)講義長(zhǎng)春禹衡時(shí)代光電科技有限公司本企業(yè)通過(guò)IS09001: 2008質(zhì)量管理體系認(rèn)證一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1二、實(shí)驗(yàn)儀器和用具 1三、實(shí)驗(yàn)原理及儀器結(jié)構(gòu) 1四、實(shí)驗(yàn)步驟 5五、注意事項(xiàng) 101一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解并掌握F-P標(biāo)準(zhǔn)具干涉圓環(huán)的調(diào)節(jié)；2、F-P標(biāo)準(zhǔn)具特性研究：（1）測(cè)量自由光譜區(qū)；（2）計(jì)算干涉條紋細(xì)度；（3）繪制干涉環(huán)直徑的平方與氣壓的關(guān)系曲線。3、利用小數(shù)重合法三波長(zhǎng)準(zhǔn)確測(cè) F-P標(biāo)準(zhǔn)具的間隔；4、由F-P標(biāo)準(zhǔn)具間隔的厚度定未知譜線波長(zhǎng)；5、 與塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀配合使用，準(zhǔn)確測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度B,研究電磁 鐵的I-B關(guān)系。、實(shí)驗(yàn)儀器和用具3

2、YCB型F-P標(biāo)準(zhǔn)具特性研究及高準(zhǔn)確度波長(zhǎng)測(cè)定儀，塞曼效應(yīng)實(shí) 驗(yàn)儀（第5項(xiàng)實(shí)驗(yàn)用）。三、實(shí)驗(yàn)原理及儀器結(jié)構(gòu)1、實(shí)驗(yàn)原理小數(shù)重合法求解&的二次方程圖1儀器原理示意圖如圖1所示，光源1與光源2發(fā)出的光分別經(jīng)反射鏡透射與反射后合為一組光，合光經(jīng)透鏡1后變?yōu)槠叫泄?，一部分光譜經(jīng)濾光片后 被濾掉，某一波長(zhǎng)為 入的漫射單色光經(jīng)間隔為 d的F-P標(biāo)準(zhǔn)具后， 在成像物鏡的焦面上形成直徑為 Di的一系列同心圓環(huán)，這就是我們 所要獲得的干涉圓環(huán)。設(shè)圓環(huán)Di對(duì)應(yīng)的F-P標(biāo)準(zhǔn)具出射光束與對(duì)稱軸 的夾角為0,它與Di的關(guān)系為：cos2r = (1 Dj2/(4f2)-1 。設(shè)在干涉圖樣中由內(nèi)向外第一個(gè)亮環(huán)的干涉

3、級(jí)次為正整數(shù)ko,直徑為Di的亮環(huán)對(duì)應(yīng)級(jí)次依次為ki=ko+i (i= -1,-2,-3)，圓環(huán)中心D=0ki7 22dko -；處所對(duì)應(yīng)的干涉級(jí)次為ko+s=2d/A &為正小數(shù)，可得:(1)整理后可得:i2i 3弋噲-4k?"一般有/k° ：二：1及-i/ko<<1，文獻(xiàn)中僅給出保留到一階小量的近似式，對(duì)于現(xiàn)代通常的儀器條件及實(shí)際測(cè)量要求，宜給出保留到(i/ko)2項(xiàng)的近似式:Dj2 =8f28f2k0 I 2k0 丿 k0 I k0 丿1i竺1k02 k0i2對(duì)于多個(gè)已知波長(zhǎng) M j=1,2,3,)計(jì)算出對(duì)應(yīng)干涉圓環(huán)級(jí)次的小 數(shù)部分 恥雖然級(jí)次整數(shù)

4、部分 心尚未確知，但其為一定范圍內(nèi)的正整 數(shù)。對(duì)選定的合適波長(zhǎng)用小數(shù)重合法可求出滿足下式的標(biāo)準(zhǔn)具間隔d:d專5 j j準(zhǔn)直線模型的加權(quán)回歸為簡(jiǎn)化計(jì)算，引入新變量r二1-1.5 i，式中k取k0的近似估計(jì)值。 由于修正項(xiàng)的誤差影響是高階小量，i*仍可看作是誤差為 0的準(zhǔn)確 值”式可改寫為：8f2ko 12 8f2首先找到同一波長(zhǎng)下的內(nèi)外側(cè)各三組同心圓環(huán)，在每個(gè)圓環(huán)上分 別采集8組點(diǎn)位坐標(biāo)，利用我們儀器配套的專用程序中圓回歸方法得 到直徑Di及其標(biāo)準(zhǔn)偏差SD，進(jìn)而算出Di2和標(biāo)準(zhǔn)差sD2Di8Di 0得到以 i*為自變量、以Di2為因變量的準(zhǔn)直線方程。標(biāo)準(zhǔn)差Sd2不相等，須作2加權(quán)回歸。因變量的權(quán)

5、因子取Wi=(SD2，對(duì)式兩邊分別乘以 応， 可得以.Wi Di2為等精密度因變量、以.W7和i* w為兩個(gè)新自變量的截 距為零的方程：WiDi2碗 b i* W，可求出干涉級(jí)次中的小數(shù)部分由截距斜率之比邑、-1-1.5b ikobi加權(quán)回歸分別得到 類不確定度s小為：:bo、b1及它們之間的相關(guān)系數(shù)rbo，貝U &的ASs S14丿lb丿關(guān)于Di2的B類不確定度，文獻(xiàn)中指出條紋中心點(diǎn)的瞄準(zhǔn)誤差限4>0 bi；-bo bi2rb)b(8)取為條紋寬度的10%°對(duì)于一定細(xì)度F的F-P標(biāo)準(zhǔn)具，條紋全寬度對(duì) 應(yīng)的波數(shù)差a為自由光譜區(qū)S的2/F倍，S對(duì)應(yīng)的半徑差近似取相鄰級(jí)次條

6、紋平均間距ri-ri+1"Di-1-Di+1)/4。則條紋的細(xì)度為：F=2SVa,若 只考慮條紋中心點(diǎn)的瞄準(zhǔn)誤差限，可得相應(yīng)直徑平方Di2的B類不確定度分量為:Di23=2DU Di 32 Di10%2亠F 4TDi12(9)干涉級(jí)次小數(shù)& j的求解過(guò)程由千分尺或測(cè)量顯微鏡測(cè)出F-P標(biāo)準(zhǔn)具內(nèi)間隔圈的厚度do求出 四組波長(zhǎng)入的整數(shù)級(jí)次koj的近似估計(jì)值koj。利用式（6）,加權(quán)擬合求 得bo,j和bi,j,再由式、（8）,得到p Sj及其自由度吃。j的B類不確定度可由下述方法估計(jì)：對(duì)于直線 D=boj+biji*j, 由于直徑平方Di2的B類不確定度Ud2,b的存在，而使擬合直

7、線在橫軸 的交點(diǎn)可能有附加平移，如圖2所示。iID2jBU D2j,B1 maxk，B圖2 U汩示意圖13粗實(shí)線為擬合直線，由于UD2，E的存在，粗直線兩側(cè)的平行虛線區(qū) 間近似表示相應(yīng)于 劃時(shí)E的 誤差帶”帶內(nèi)的最大斜率線用細(xì)實(shí)線表 示。細(xì)實(shí)線與橫軸交點(diǎn)相對(duì)于粗實(shí)線與橫軸交點(diǎn) （-bo/bi,O）的偏移量,近似看作p的B類不確定度分量uB。由示意圖的幾何關(guān)系可得:(10)式中ij為各波長(zhǎng)測(cè)得級(jí)次的平均值，將s&a和u,b 3合成求得 u曠怦sa 2+Q翻，用 Welch-Satterthwaite公式由v和v求得有效 自由度（其中 v-20）:S ；A進(jìn)而可得擴(kuò)展不確定度：u ； =

8、t .eff , P = 0.95 U ；（12）2、儀器結(jié)構(gòu)12116QQ1、平臺(tái)組；2、氦氖放電管組；3、高壓筆型汞燈組；4、反射鏡組;5、透鏡及濾光片組；6、F-P標(biāo)準(zhǔn)具組；7、磁力表座組；8、鏡頭組；9、照相機(jī)；10、氣壓計(jì)組；11、精密泄壓閥；12、抽氣泵組； 13、電源箱；14、測(cè)量望遠(yuǎn)鏡；15、半導(dǎo)體激光器圖3儀器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，該儀器是由平臺(tái)主體1、7組磁力表座7、電源箱13、光路調(diào)整工裝一半導(dǎo)體激光器 15及11組附件組成。四、實(shí)驗(yàn)步驟（一）F-P標(biāo)準(zhǔn)具干涉圓環(huán)的調(diào)整及拍攝（如圖 3）。1、用半導(dǎo)體激光器15打光路，調(diào)整各組件的同軸等高。1）將半導(dǎo)體激光器的磁力表座 7緊靠

9、在鋼板標(biāo)尺的一端并加磁, 先將激光器調(diào)整水平，且與鋼板標(biāo)尺平行。2） 在鋼板標(biāo)尺的另一端分別放置測(cè)量望遠(yuǎn)鏡14、鏡頭組8、F-P 標(biāo)準(zhǔn)具組6透鏡及濾光片組5,調(diào)整它們的同軸等高。3）如圖4所示擺放光路，通過(guò)調(diào)整反射鏡組 4的升降、旋轉(zhuǎn)及俯仰（在反射鏡框和反射鏡之間墊紙條）使激光器分別在位置1及位置2時(shí)所發(fā)出的光線在通過(guò)反射鏡的中心后，光斑落在透鏡及濾光片組 的中心位置上（可將一畫有十字線的白紙貼在透鏡及濾光片組的框上， 使兩次光斑都正好落在十字線的交叉處）。位置1位疊2反射鏡組圖44）將半導(dǎo)體激光器的光線分別對(duì)準(zhǔn)氦氖放電管 2及高壓筆型汞燈 3,調(diào)整氦氖放電管及汞燈的高低，使光斑落在它們的出光

10、口的中心。2、將反射鏡組、高壓筆型汞燈光源、透鏡及濾光片組按圖3所示 的位置擺好，各組件之間緊湊一些，通過(guò)微移汞燈光源和透鏡及濾光 片組，使從出光方向向透鏡及濾光片組里面觀察時(shí)，汞燈光源的黃光 均勻充滿透鏡及濾光片組，（觀察時(shí)，可輕微的晃動(dòng)頭部，用一只眼對(duì) 準(zhǔn)光路）。3、 將F-P標(biāo)準(zhǔn)具放入光路中，靠近透鏡及濾光片組，微調(diào)F-P 標(biāo)準(zhǔn)具的前后位置及轉(zhuǎn)角，從出光方向向 F-P標(biāo)準(zhǔn)具內(nèi)觀察，能看到 清晰的干涉圓環(huán)，（觀察時(shí)用一只眼對(duì)準(zhǔn)光路，輕微晃動(dòng)頭部），若此 時(shí)干涉環(huán)不全，可微動(dòng)汞燈光源的位置，及高低。4、將鏡頭組8放入光路中，將焦距調(diào)到150mm鏡頭前端與F-P 標(biāo)準(zhǔn)具的調(diào)整手輪端面之間約有

11、8mm勺距離，將照相機(jī)9安放在鏡頭 組上，將鏡頭蓋取下，將相機(jī)開(kāi)機(jī)，從相機(jī)顯示屏上觀察干涉圓環(huán)。 如干涉環(huán)不在顯示屏的中心位置，可通過(guò)調(diào)整兩個(gè)磁力表座的相對(duì)位 置及升降來(lái)調(diào)整鏡頭的轉(zhuǎn)角及俯仰，使干涉環(huán)大致在顯示屏的中央。5、此時(shí)，觀察一下干涉圓環(huán)的亮度是否均勻， 若不均勻就調(diào)整一 下汞燈光源的位置及高低，使圓環(huán)的亮度均勻。6微調(diào)鏡頭組前端的對(duì)焦環(huán)，使兩干涉環(huán)能清晰的成像，并明顯 的分開(kāi)。7、如果此時(shí)相機(jī)顯示屏上的兩干涉圓環(huán)不夠細(xì)銳，不夠清晰就微 調(diào)F-P標(biāo)準(zhǔn)具和透鏡及濾光片組的轉(zhuǎn)角，使干涉環(huán)盡可能清晰。8、若干涉環(huán)還是不夠清晰，就微調(diào)F-P標(biāo)準(zhǔn)具上的三個(gè)調(diào)整手輪 （三手輪要相互配合的調(diào)整），找

12、到干涉圓環(huán)最清晰的位置，此時(shí)再微調(diào)鏡頭的對(duì)焦環(huán)，使干涉環(huán)成像更清晰（在此調(diào)整的過(guò)程中，可用相 機(jī)拍照，然后放大圖片，看清晰的程度）。9、反復(fù)進(jìn)行第8步調(diào)整，直到調(diào)到干涉環(huán)最清晰，然后將各組件 的鎖緊機(jī)構(gòu)鎖死，將磁力表座的扳手扳到“ ON。10、將氦氖放電管光源放入光路中，并微調(diào)它的前后、左右、轉(zhuǎn) 角位置及高低，在顯示屏上觀察，使兩光源的光亮完全重合，注意氦 氖的亮度不要過(guò)強(qiáng)（可通過(guò)調(diào)整氦氖與反射鏡之間的距離來(lái)調(diào)整它的 亮度。11、將汞燈光用遮光布遮上，單獨(dú)看氦氖的干涉條紋，若不能清 晰的分開(kāi)兩干涉環(huán)，就再次調(diào)整氦氖的位置。直到在相機(jī)顯示屏上能 拍到兩個(gè)氦氖清晰均勻的干涉環(huán)為止。12、以上步驟調(diào)

13、好后，分別擋住一個(gè)光源，拍攝另一光源的干涉 環(huán)圖片，兩個(gè)光源的干涉環(huán)圖片的拍攝條件應(yīng)相同，且應(yīng)間隔時(shí)間盡 量小。如拍出的兩個(gè)光源的干涉環(huán)圖片有 3組完整的清晰的2條干涉 圓環(huán)，另加4組多于2/3區(qū)域清晰的2條干涉圓環(huán)，此儀器為調(diào)整結(jié) 束，否則，反復(fù)進(jìn)行第 & 10、11步調(diào)整。13、接通氣壓計(jì)10的電源，待氣壓計(jì)顯示穩(wěn)定后，拍攝F-P標(biāo)準(zhǔn) 具的干涉圓環(huán)照片，并記錄拍攝時(shí)的氣壓值及溫度值。在拍攝照片時(shí)，相機(jī)按以下參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：1）拍攝模式：M2）拍攝質(zhì)量：LSF RAW3）像素?cái)?shù)：最大4）拍攝方式：延時(shí)2S5）光圈：F5.6 （根據(jù)具體情況，可略微調(diào)整）6）曝光時(shí)間：1”（根據(jù)具體情況，

14、可略微調(diào)整）（二）F-P標(biāo)準(zhǔn)具特性的研究。在Hg光源的干涉圓環(huán)照片上讀取相應(yīng)的點(diǎn)位坐標(biāo)，計(jì)算出干涉 條紋的全寬度a及自由光譜區(qū)3,根據(jù)公式a/ S=2/F，計(jì)算出干涉圓 環(huán)的細(xì)度F。坐標(biāo)與直徑均以像元間隔為單位。（三）利用小數(shù)重合法三波長(zhǎng)準(zhǔn)確測(cè)F-P標(biāo)準(zhǔn)具的間隔do1、分別在Hg光源及He-Ne放電管光源的干涉圓環(huán)照片上讀取 2 種波長(zhǎng)的由圓心起內(nèi)外側(cè)各三組干涉圓環(huán)，每一個(gè)圓環(huán)上的 8個(gè)坐標(biāo) 值（x）o2、將這些坐標(biāo)值分別對(duì)應(yīng)輸入儀器配套的專用程序的“ 2算D” 工作表中的C15H163的黃色背景的18行內(nèi)相應(yīng)位置處，C15H15、C35H 35、C55H 55、C75H 75、C95H 95

15、、C115H 115 C135H 135、C155H 155內(nèi)輸入的是干涉環(huán)的級(jí)次，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的選取做 相應(yīng)的調(diào)整。3、在“ 1算入”工作表中的相應(yīng)位置處輸入拍攝干涉環(huán)照片時(shí)的 大氣參量一一“大氣壓”和“溫度值”（紅色數(shù)字，注意單位的換算）。4、查看“2算D”工作表的第CD27CD169的Sei值，當(dāng) 亦0.7 時(shí)為正常結(jié)果，否則，說(shuō)明數(shù)據(jù)測(cè)量不準(zhǔn)確，就要檢查此圓環(huán)的坐標(biāo) 點(diǎn)數(shù)據(jù)，直至合格為止。5、在“ 3求e ”工作表的C1位置處輸入上述計(jì)算的干涉圓環(huán)細(xì)度F值（此處F值的輸入數(shù)要略小于實(shí)際計(jì)算值）6在“ 4d new”工作表中的Y2AB2位置處輸入計(jì)算用波長(zhǎng)序 號(hào),可重復(fù)但不能為空,如&q

16、uot;1,2,3,4"，然后查看T2、V2、X2位置處的d、 d/d、 d的結(jié)果。T1處的值可按照P1格中的說(shuō)明更改，使T3處顯 示為唯一解。（四）由F-P標(biāo)準(zhǔn)具間隔的厚度d定未知譜線的準(zhǔn)確波長(zhǎng)。1、將實(shí)驗(yàn)步驟（三）中的第四條譜線作為未知譜線，但我們知道 這條譜線的粗略波長(zhǎng)值為4，則此譜線的整數(shù)級(jí)次k04的近似估計(jì)值 04由公式04 : 2d / 4計(jì)算出。2、由“3求e ”工作表的X3位置處可以查得4的干涉圓環(huán)級(jí)次 的小數(shù)部分e，由“4d new”工作表的T2位置處可以查得d值，再 由公式4 =2d/（04 ；4）可以求出,的準(zhǔn)確值。（五）繪制氣壓與干涉環(huán)直徑平方的關(guān)系曲線。1、

17、如圖3所示，關(guān)閉氦氖放電管光源2,只允許高壓筆型汞燈光 源3的光通過(guò)光路。2、用測(cè)量望遠(yuǎn)鏡代替鏡頭組8及照相機(jī)9觀察干涉圓環(huán)，調(diào)整測(cè) 量望遠(yuǎn)鏡的前后、俯仰、轉(zhuǎn)角位置及目鏡的位置，使在目鏡中能同時(shí) 看清楚十字分劃線和干涉圓環(huán)。3、將精密泄壓閥11的手輪旋松后，接通氣壓計(jì)10和抽氣泵12 的電源，待氣壓計(jì)的顯示正常后，打開(kāi)抽氣泵的開(kāi)關(guān)，待抽氣泵正常 工作后，將精密泄壓閥旋緊，同時(shí)觀察氣壓計(jì)的氣壓示值，待氣壓顯 示值為65KPa時(shí)，立即關(guān)閉抽氣泵的電源開(kāi)關(guān)，若此時(shí)氣壓計(jì)的示值 變化的很快（每10秒鐘超過(guò)0.02KPa），請(qǐng)檢查精密泄壓閥的旋輪是 否旋緊。4、 用測(cè)微目鏡測(cè)量出此時(shí)同一波長(zhǎng)的內(nèi)起第二級(jí)

18、干涉圓環(huán)A和第 三級(jí)干涉圓環(huán)B的直徑DA1和DB1，同時(shí)記錄氣壓及溫度示值。5、 邊觀察干涉圓環(huán)邊慢慢旋松精密泄壓閥的旋輪進(jìn)行放氣， 放氣 時(shí)，保持?jǐn)?shù)顯氣壓計(jì)的氣壓每變化一次在 0.05KPa以內(nèi)，待數(shù)顯表的 氣壓值變化約1.5KPa時(shí)，旋緊閥門旋輪，用測(cè)量望遠(yuǎn)鏡測(cè)量第二級(jí)干 涉圓環(huán)A的變大的直徑，記為DAi （i=2 , 3, 4），同時(shí)記錄氣壓及溫 度示值。6、反復(fù)進(jìn)行第5步，直到干涉圓環(huán)的直徑再無(wú)變化， 氣壓計(jì)顯示 為當(dāng)?shù)氐恼４髿鈮簽橹梗鈮褐底兓s1.5KPa是經(jīng)驗(yàn)值，滿足氣壓 值在65KPa-1大氣壓范圍內(nèi)測(cè)量約20個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)即可）。D2繪制出干涉環(huán)直徑的平方的函數(shù) Y 一廠（i=1，2, 3）與dBdAi氣壓的關(guān)系曲線。（六）測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度B,研究電磁鐵的I-B關(guān)系。1、將此儀器的F-P標(biāo)準(zhǔn)具安裝在塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀上， 替換塞曼原 有的F-P標(biāo)準(zhǔn)具。2、此時(shí)，不要調(diào)整F-P標(biāo)準(zhǔn)具的調(diào)節(jié)手輪，按照塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀 的調(diào)整步驟調(diào)整出清晰的干涉圓環(huán)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，并計(jì)算結(jié)果，繪 制出電磁鐵的I-B關(guān)系曲線。由于該儀器的F-P標(biāo)準(zhǔn)具的間隔d是利用小數(shù)重合法三波長(zhǎng)準(zhǔn)確 測(cè)得的，故可以準(zhǔn)確的測(cè)量出磁場(chǎng)強(qiáng)度 B。五、注意事項(xiàng)1、儀器應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用，工作環(huán)境要求穩(wěn)定、清潔、室溫在 +10+30C、相對(duì)濕度不大于 8