光学探究实验.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流光学探究实验.精品文档.2010-2011学年度光学综合设计性实验光学元件特性及研究（干涉部分）题目：光学元件特性及研究（干涉部分）学院：物理电气信息学院专业：物理师范姓名：魏广瑜 日期：2010年12月 目录光学元件特性及研究（干涉部分）3【探究目的】31学习光学干涉元件的性质和特点。32对光学干涉元件进行归类。33对元件到系统的组成进行分析研究。34熟悉相干条件3【干涉元件】3【相干条件和原理】3【探究提纲】4一、【双缝】5元件原理5【图样分析】5二、【牛顿环】6元件原理6【干涉条纹】7分析7【应用】7三、【光学劈尖】7元件作用8四、【劳埃德镜】8元件原理8【实验光路】9五、【菲涅尔双棱镜】10元件原理10【干涉图样】10六、【菲涅尔双面镜】11元件原理11【作用】11【心得体会】11【主要参考文献】12光学元件特性及研究（干涉部分）摘要光学元件是光学仪器的组成部分，是光学实验的基础，在光学实验中，无时无刻都在接触。我们在研究光学的实验的过程中，必须对光学元件做一个系统的了解，比如最基础的有物屏、光源、偏振、光栅、透镜、面镜、干涉元件等等。下面对干涉元件及组成系统归类研究。相干光元件：一般是在光路中利用这类元件而获得两束相干光，当这两束相干光再次相遇时就可以形成干涉现象。由于相干后的波互相相长和互相相消形成明暗不一的条纹。关键字：光学元件、干涉、光学系统、劳埃德镜【探究目的】1学习光学干涉元件的性质和特点。2对光学干涉元件进行归类。3对元件到系统的组成进行分析研究。4熟悉相干条件【干涉元件】双缝、牛顿环、光学劈尖、劳埃德镜、菲涅尔双棱镜、菲涅尔双面镜、梅斯林镜、比累双切镜。【相干条件和原理】相干是相干波叠加而引起强度重新分布的现象，相干性则表明了相干波光场物理量之间的相关性质以及产生的条件，两光波能够干涉的必要条件是1 频率相同2 存在相互平衡的偏振分量3 具有稳定的相位差这就是说频率不同，偏振方向互相垂直，相位差不稳定的光波彼此之间不相干，干涉光强是相干光波的复振幅叠加后的光强，由于在两相干波交叠在区域中不同位置处相干波之间的相位差不同，因而干涉光强也不同，所以相干波叠加会产生空间明暗相间的干涉条纹，而非相干光叠加则是强度叠加，总强度处处都等于各光波强度之和。因此，对于相干性最方便、直接的量度是干涉条纹的对比度（有时也称作可见度、反衬度等），即干涉场中干涉条纹的清晰程度，它定义为K=(Imax-Imin)/(Imax+Imin)，其中Imax和Imin分别是干涉场中光强的最大值和最小值。K可区分以下三种情况K=1 完全相干K<1 部分相干K=0 完全不相干相干光效应可分为空间相干性和时间相干性，前者与光源的几何尺寸有关，后者则与光源的相干长度或单色性（带宽）有关。 迈克尔干涉仪为测量时间相干性提供了一种方便的技术；空间相干性则有杨氏双峰实验做出了最好的证明。【探究提纲】干涉元件双缝 光学劈尖菲涅尔双棱镜菲涅尔双面镜劳埃德镜牛顿环梅斯林镜比累双切镜一、【双缝】元件原理光源发出的光经滤光片成为单色光，单色光通过单缝后，经双缝产生稳定的干涉图样，干涉条纹可从屏上观察到。图样中相邻两条亮(暗)纹间的距离x与双缝间的距离d、双缝到屏的距离L、单色光的波长之间满足x与波长、双缝间距d、及双缝到屏的距离L有关。 干涉图样图样分析：双缝干涉图样中，中间有两条明显的亮条纹，是两条单缝衍射所形成的，其他等间距的明暗条纹才是两条缝干涉形成的。双缝干涉产生的图样应该是等间距的明暗相间的图样二、【牛顿环】牛顿环仪元件原理牛顿环仪是由曲率半径为R的待测平凸透镜L和玻璃平板P叠装在金属框架F中构成，如下左图所示。框架边上有三个螺钉H，用来调节L和P之间的接触，以改变干涉条纹的形状和位置。调节H时，螺钉不可旋得过紧，以免接触压力过大引起玻璃透镜迸裂、破损。右图为牛顿环实物图。干涉条纹: 在光学上，牛顿环是一个薄膜干涉现象。光的一种干涉图样，是一些明暗相间的同心圆环。例如用一个曲率半径很大的凸透镜的凸面和一平面玻璃接触，在日光下或用白光照射时，可以看到接触点为一暗点，其周围为一些明暗相间的彩色圆环；而用单色光照射时，则表现为一些明暗相间的单色圆圈。这些圆圈的距离不等，随离中心点的距离的增加而逐渐变窄。它们是由球面上和平面上反射的光线相互干涉而形成的干涉条纹。分析牛顿虽然发现了牛顿环，并做了精确的定量测定，可以说已经走到了光的波动说的边缘，但由于过分偏爱他的微粒说，始终无法正确解释这个现象。事实一，这个实验倒可以成为光的波动说的有力证据之一。直到世纪初，英国科学家托马斯·杨才用光的波动说完满地解释了牛顿环实验。 应用判断透镜表面凸凹、精确检验光学元件表面质量、测量透镜表面曲率半径和液体折射率. 三、【光学劈尖】根据薄膜干涉的道理，可以测定平面的平直度.测定的精度很高，甚至几分之一波长那么小的隆起或下陷都可以从条纹的弯曲上检测出来.若使两个很平的玻璃板间有一个很小的角度，就构成一个楔形空气薄膜，用已知波长的单色光入射产生的干涉条纹，可用来测很小的长度，比如头发的直径。元件作用用图甲所示的空气劈尖检查工件表面的平整度，出现如图乙、丙所示的条纹 用干涉法检查平面，如图甲所示，两板之间形成一层空气膜，用单色光从 上向下照射，入射光从空气膜的上下表面反射出两列光波，形成干涉条纹。如果被检测平面是光滑的，得到的干涉图样必是等距的。如果某处凹下去，则对应明纹（或暗纹）提前出现，如图乙所示；如果某处凸起来，则对应条纹延后出现，如图丙所示。（注：“提前”与“延后”不是指在时间上，而是指由左向右的位置顺序上。） 条纹向劈尖的顶角侧弯曲时说明工件该处是一个凹；条纹远离顶角弯曲时，工件该处有一个凸起四、【劳埃德镜】元件原理劳埃德镜是一种更简单的观察干涉的装置。 为一块平玻璃板，用作反射镜， 是一狭缝光源，从光源发出的光波，一部分掠射（即入射角接近 ）到玻璃平板上，经玻璃表面反射到屏上；另一部分直接射到屏上。 这两部分光是相干光，同样是用分波阵面得到的。反射光可看成是由虚光源 发出的。 和 构成一对相干光源，对干涉条纹的分析与双缝实验相同。和镜面相接触的位置，此时从 和 发出的光到达接触点 的路程相等，在 处应出现明纹。但实验事实恰好相反，在 处出现的是暗纹，这表明直射光与反射光在 处的相位差为 。直射光的相位没有变化，那只可能是反射光的相位跃变了 。 进一步的实验表明，光从光疏介质射向光密介质时，反射光的相位 都有 的突 S：单色缝光源 S、S'：反相相干光源实验光路干涉图样如图片4所示为劳埃德镜干涉所产生的干涉条纹。条纹间距左面疏松右面密集是因为观察图样时没有与干涉产生的图样所垂直观察，因此导致图样左面疏松右面密集。五、【菲涅尔双棱镜】元件原理它的截面是一个等腰三角形，两顶角各约 左右。由狭缝光源 发出的光波，经双棱镜折射，将分为两束相干波，这两束光可等效地看作由两个虚光源 和 所发出。由于上、下棱镜的顶角 很小， 和 之间的距离也很小，与双缝实验相似。对双缝实验的分析完全适用于双棱镜实验。在相干光重叠的区域，屏幕上将出现干涉条纹。 S：单色缝光源 S1、S2：同相相干光源干涉图样如图片3所示为双棱镜干涉产生的图样，干涉产生等间距的明暗相间的干涉条纹。六、【菲涅尔双面镜】元件原理它是两个交角很小的平面镜。从狭缝光源 发出的光波，经平面镜 和 反射后，分成向不同方向传播的两部分，这两部分的波阵面如同从两虚光源 和 发出的一样，也是相干光，因为 和 之间的交角很小，所以 和 之间的距离也很小，与双缝实验相似，在两相干光交叠区域产生干涉条纹。 S：单色缝光源 S1、S2：同相相干光源作用对比杨氏双缝实验装置中的小孔或狭缝都很小，他们的边缘往往对实验产生影响（衍射）而使问题复杂化，菲涅尔提出了这种获得相干光束的方法，可以在更简单的情况下观察到干涉图样。【心得体会】在老师同学的帮助下，我认真完成了此项任务，在这要谢谢他们。通过这次的探究任务，让我学到了很多东西，不仅在这过程中全面学习了干涉现象，还动手做出了光干涉的想象，让我记忆深刻，我觉得再实验室的这几天过得很有意义。这次探究考研的不仅是我们的耐心，更重要的是我们对做一件事的态度，要完成一件事情就必须有所付出，付出精力、投入热情、不要浮躁是做好一件事的必要条件。【主要参考文献】 姚启钧，华东师大，【M】，2002.9 赵凯华，光学，【M】,1982 百度文库，网络， 杨述武，普通物理实验光学部分，【M】,1997