用雙棱鏡干涉測光波波長

PAGE6-用雙棱鏡干涉測光波波長的研究作者：顧懷斌學號：200802050220紅河學院08級物理系摘要：菲涅耳雙棱鏡實驗是一種分波陣面的干涉實驗，實驗裝置簡單，但設(shè)計思想巧妙。它通過測量毫米量級的長度，可以推算出小于微米量級的光波波長，從而掌握光的干涉的有關(guān)原理和光學測量的一些基本技巧。關(guān)鍵詞：光具座；單色光源（鈉光）；可調(diào)狹縫；雙棱鏡；輔助透鏡（兩片）；測微目鏡、白屏。Abstract:theFresneldoubleprismexperimentisanpoints,theinterferenceexperimentwavearrayexperimentdeviceissimple,butthedesignthoughtandskillful.Itbymeasuringthelengthofmagnitude,canmillimeterlessthancalculatethesub-micrometerrange;wavelengthsoflightKeywords:opticalbenches；themonochromaticlight(sodiumlight)；adjustableslit；doubleprism；auxiliarylens(two)；micro-distancemeasuringeyepieces；hangup；引言：雙棱鏡干涉測光波波長實驗是光學實驗中一個基本的又是帶有典型的實驗,它可作為綜合性或設(shè)計性實驗,整個實驗過程動手能力是一個很好鍛煉和提高;通過數(shù)據(jù)處理和誤差分析能對培養(yǎng)科學素質(zhì)和科研能力以及分析問題和解決問題的能力起到很好的促進作用。波動光學研究光的波動性質(zhì)、規(guī)律及其應(yīng)用，主要內(nèi)容包括光的干涉、衍射和偏振。1818年菲涅耳的雙棱鏡干涉實驗不僅對波動光學的發(fā)展起到了重要作用，同時也提供了一種非常簡單的測量單色光波長的方法。通過本實驗學習利用光的干涉現(xiàn)象測量光波波長的方法，了解雙縫的干涉條件及在實驗中如何實現(xiàn)，掌握實驗光路的調(diào)節(jié)和測微目鏡的使用。只有兩列光波的頻率相同，相位差恒定，振動方向一致的相干光源，才能產(chǎn)生光的干涉。由兩個普通獨立光源發(fā)出的光，不可能具有相同的頻率，更不可能存在固定的相差，因此，不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象?！掘炘韺崱浚喝绻麅煞N頻率相同的光波沿著幾乎相同的方向傳播，并且它們的相位比隨時間的變化而變化，那么在兩列光波相交的區(qū)域，光波分布是不均勻的，而且是在某些區(qū)域表現(xiàn)為加強，在某些地方表現(xiàn)為減弱（甚至可能為零），這種表現(xiàn)稱為光的干涉。菲涅耳利用圖8—1所示裝置，獲得了雙光束的干涉現(xiàn)象。圖中雙棱鏡AB是一個分割波前的分束器，它的外形結(jié)構(gòu)如圖2所示。將一塊平玻璃板的上表面加工楔形板，端面與棱脊垂直，楔角A較?。ㄒ话阈∮冢?。從單色光源M發(fā)出的光波經(jīng)透鏡L會聚于狹縫S，使S成為具有較大亮度的線狀光源。當狹縫S發(fā)出的光波投射到雙棱鏡AB上時，經(jīng)折射后，其波前便分割成兩部分，形成沿不同方向傳播的兩束相干柱波。通過雙棱鏡觀察這兩束光，就好像它們是由虛光源和發(fā)出的一樣，故在兩束光相互交疊區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生干涉。如果狹縫的寬度較小且雙棱鏡的棱脊和光源狹縫平行，便可在白屏P上觀察到平行于狹縫的等間距干涉條紋。設(shè)代表兩虛光源和間的距離，為虛光源所在的平面（近似的在光源狹縫S的平面內(nèi)）至觀察屏P的距離，且干涉條紋寬度為，則實驗所用光波波長可由下式表示：（圖二）（1）上式表明，只要測出、和，就可算出光波波長。這是一種光波波長的絕對測量方法，通過使用簡單的米尺和測微目鏡，進行毫米量級的長度測量，便可推算出微米量級的光波波長。【實驗步驟】1、調(diào)節(jié)共軸（1）將單色光源M、會聚透鏡L、狹縫S、雙棱鏡AB與測微目鏡P，按圖8—1所示次序放置在光具座上，用目視粗略的調(diào)整它們中心等高、共軸，并使雙棱鏡的底面與系統(tǒng)的光軸垂直，棱脊和狹縫的取向大體平行。（2）點亮光源M照亮狹縫S，用手持白紙屏在雙棱鏡后面檢查：經(jīng)雙棱鏡折射后的光束，是否比疊加區(qū)（應(yīng)更亮些）？疊加區(qū)能否進入測微目鏡？當白屏移動時疊加區(qū)是否逐漸向左、右（或上、下）偏移？根據(jù)觀察到的現(xiàn)象作出判斷，再進行必要的調(diào)節(jié)（共軸）。2、調(diào)節(jié)干涉條紋（1）減小狹縫寬度（以提高光源的空間相干性），繞系統(tǒng)光軸緩慢地向左或右旋轉(zhuǎn)雙棱鏡AB,當雙棱鏡的棱脊與狹縫的取向嚴格平行時,一般情況下可從測微目鏡觀察到不太清晰的干涉條紋。（2）在看到清晰的干涉條紋后,為便于測量，在看到清晰的干涉條紋后，應(yīng)將雙棱鏡后測微目鏡前后移動，使干涉條紋的寬度適當。同時只要不影響條紋的清晰度，可適當增加縫寬，以保持干涉條紋有足夠的亮度。雙棱鏡和狹縫的距離不宜過小，因為減小它們的距離、間距也將減小，這對的測量不利。3、測量與計算（1）用測微目鏡測量干涉條紋的寬度。為了提高測量精度，可測出n條（10—20條）干涉條紋的間距，再除以n，即得。測量時，先使目鏡叉絲對準某亮紋的中心，然后旋轉(zhuǎn)測微螺旋，使叉絲移過n個條紋，讀出兩次讀數(shù)。重復(fù)測量幾次，求出。用光具座支架中心間距測量狹縫到測微目鏡叉絲平面的距離d，只需測一次，但由于狹縫平面與其支架中心不重合,且測微目鏡的劃分扳(叉絲)平面也與其支架中心不重合,所以必須進行修正,以免導致測量結(jié)果的系統(tǒng)誤差。（2）用透鏡兩次成像法測兩虛光源的間距。保持狹縫與雙棱鏡原來的位置不變在雙棱鏡和測微目鏡之間放置已知焦距為的會聚透鏡，移動測微目鏡使它到狹縫的距離大于，然后維持恒定，沿光具座前后移動透鏡就可以在不同的位置上從測微目鏡中看到兩虛光源、經(jīng)透鏡所成的實像，其中一組是放大的實像，另一組是縮小的實像，分別測得兩次清晰成像時實像的間距和。各測3次，取其平均值，再計算平均值。用所測得的、、值代入（1）求出光源的光波波長。【實驗數(shù)據(jù)、處理及討論】1、用測微目鏡測量干涉條紋的間距，測量10個條紋的間距數(shù)據(jù)如下表：測量次序123452．3712．5621．6291．7452．3664．9495．1664．2414．3534．9852．5782．6042．6122．6082．619=0.261標準不確定度計算：A類不確定度：=0.000759B類不確定度：合成不確定度：2、用光具座支架中心間距測量狹縫至觀察屏的距離。狹縫的位置：=（33.29+0.7）=33.99測微目鏡的位置：所以標準不確定度的計算：3、用透鏡兩次成象法測兩虛光源的間距，測出大象、小象間距、的數(shù)據(jù)如下表：成大象時成小象時左邊位置6．6106．5626．5844．1554．1574．150右邊位置5．1755．1005．1123．8853．8793．8901．4351．4621．4720．2700．2780．260標準不確定度計算：A類不確定度：=0.0110.00521B類不確定度：C類不確定度：的合成不確定度：0.00117把0.261,27.70,和0.626代入得5．8984=589.84計算的標準不確定度：=2.333=23.33測量結(jié)果：【注意事項】

1．望遠鏡、平行光管上的鏡頭，三棱鏡、平面鏡的鏡面不能用手摸、揩。如發(fā)現(xiàn)有塵埃時，應(yīng)該用鏡頭紙輕輕揩擦。三棱鏡、平面鏡不準磕碰或跌落，以免損壞。

2．分光計是較精密的光學儀器，要加倍愛護，不應(yīng)在制動螺絲鎖緊時強行轉(zhuǎn)動望遠鏡，也不要隨意擰動狹縫。

3．在測量數(shù)據(jù)前務(wù)須檢查分光計的幾個制動螺絲是否鎖緊，若未鎖緊，取得的數(shù)據(jù)會不可靠。

4．測量中應(yīng)正確使用望遠鏡轉(zhuǎn)動的微調(diào)螺絲，以便提高工作效率和測量準確度。5.使用測微目鏡時，首先要確定測微目鏡讀數(shù)裝置的分格精度；要注意防止回程誤差；旋轉(zhuǎn)讀數(shù)鼓輪時動作要平穩(wěn)、緩慢；測量裝置要保持穩(wěn)定．6．在測量光源狹縫至觀察屏的距離時，因為狹縫平面和測微目鏡的分劃板平面均不和光具座滑塊的讀數(shù)準線共面，必須引入相應(yīng)的修正，本實驗所用的實驗裝置中，狹縫平面的修正量為，測微目鏡分劃板平面的修正量為，否則將引入較大的實驗誤差。7測量、時，應(yīng)保持狹縫S與雙棱鏡AB的位置不變，即與測量干涉條紋間距是的相同。并且在雙棱鏡與測微目鏡之間放置已知焦距為會聚透鏡后，移動測微鏡它到狹縫S的距離＞4.