不同厚度的玻璃出现白光干涉的极限情况,光学论文.docx

不同厚度的玻璃出现白光干涉的极限情况,光学论文迈克尔逊干预仪是一种利用分割光波振幅的方式方法实现干预的精致细密光学仪器。它将一束光分成两束，经过不同途径再相遇时，只要两束光的光程差小于该光的相干长度，一般将会在干预场中产生干预现象。自1881年问世以来，迈克尔逊曾用它完成了三个着名的实验:否认以太的迈克尔逊莫雷实验;光谱精细构造;利用光波波长标定长度单位。当前，学生实验主要观察激光、钠光的等倾、等厚干预现象，并测量光波波长、钠双线的波长差等。白光是由不同颜色的光复合而成的，大部分位置各种颜色的光干预叠加导致视场中一片亮光，看不到干预条纹。只要在特定很窄的区域中才可看到干预现象。所以白光干预实验只是要求观察干预现象。利用白光干预对玻璃折射率或厚度的测量同学们很少接触。徐等报道了利用单色光源测定厚透明材料的折射率。蔡等报道了利用汞灯测量透明薄片的厚度。文章利用普通的白炽灯作为白光光源，选用不同厚度的石英玻璃，利用玻璃置于光路前、后干预条纹的移动确定玻璃的折射率，检测试样的光学参数。将不同厚度的玻璃置于两反射光路中分析出现白光干预的极限情况。1实验原理如此图1所示，这是实验最常用的迈克尔逊干预原理分析图，面光源S经M1、M2反射后产生的干预可由两路光的光程差解释。当M1、M2严格平行时，所得的干预为等倾干预，倾角为(很小)的入射光线最终在E上构成明暗相间的同心圆干预条纹，其光程差为:=2dcos式中:为光线在M1镜面的入射角，d为M1与M2间空气薄膜的厚度。【图1】干预条纹的级次以中心为最高，在中心处=0，假如不考虑因材料造成的反射光线相位的突变，中心出现明暗条纹的条件是:【1】式中:k为条纹级次，为光的波长，d的变化将会引起条纹的吞吐变化，当d逐步减小，小到几乎为零时，在d的一个很小的变化区域内会出现白光的干预条纹，白光的等倾干预条纹为彩色的同心圆，当条纹中心处出现黑色条纹时为绝对零光程处，即=0。假如在分光板G1与M1镜之间平行于M1镜放置一块厚度为d、折射率为n的透明平薄板玻璃，保持M2镜位置不变，通过调节M1镜的位置，才能再次出现白光干预。由于n1，故参加薄板后，经M1镜反射的光路光程增大，而经M2镜反射的光路光程不变，此时若要出现白光干预图样，需减小前者光程，使之再次到达零光程差。即M1镜移动d引起的光程变化2d应等于置入此透明平薄板引起的光程变化2(n1)d。故有:n=d/d+1(1)因而，要想求得折射率，只需利用迈克尔逊干预仪测出d即可。2实验仪器实验所用的仪器:迈克尔逊干预仪、钠光灯、白炽灯、毛玻璃屏、石英玻璃3实验结果与讨论光路中未放置石英玻璃片，和将待测石英玻璃片与M1镜镜面平行放置于光路中后，均通过调节迈克尔逊干预仪在视场中观察到彩色干预条纹，分别记录两次彩色条纹的对称中心在视场正中时的M1镜位置d1、d2。采用屡次测量法以减小实验误差，结果如表1所示。【表1.略】根据式(1)计算得到材料的折射率。图2给出了材料的折射率随玻璃厚度的变化曲线。能够看出:厚度为05mm和20mm的玻璃片折射率基本一致，而由这两个厚度组合成的25mm的玻璃片，其折射率正好位于05mm和20mm的玻璃片折射率之间，讲明了测量结果的可信性。厚度为10mm的玻璃片折射率高于12mm的，且二者均高于05mm和20mm的。27mm是由12mm、10mm、05mm三个厚度叠加得到，其折射率值介于05mm和10mm的之间也是很容易理解的。除此之外，当玻璃片叠合成的厚度为30mm时，几乎观察不到干预条纹。我们分析:白光在镜面及玻璃面的屡次反射、散射损失掉一部分能量，玻璃也会吸收一部分能量，玻璃外表的平整性，这些因素均会影响两束光相遇光阴强大小。实验时只在M1镜光路上加玻璃片，由于玻璃片的存在，使得此光路的光强度比M2镜光路的光强度有明显削弱。两路光的光强相差较大，导致相干性差，进而几乎看不到干预条纹。同时也使能得的玻璃片的厚度范围遭到了限制。为了证实这一点，我们又设计了下述方案:在M1镜和M2镜光路上分别加上平行于M1镜和M2镜的玻璃片(厚度分别为d1和d2)，使得两束光光强削弱程度相差不大，减小两束光相遇时发生干预的光强差异，以期在知足干预条件的前提下增大了玻璃片厚度的测量范围。实验原理与之前类似，只是此时式(1)中d应为两光路中的玻璃片的厚度差，即:【2】为便于操作，实验中令d2d1。这样，实验中参加玻璃片后要再次调出白光干预只需让M1镜向分束镜移动即可。优点是能够避免引入仪器空程差。表2给出了在两光路中均插入不同厚度的石英玻璃片前后在视场中观察彩色条纹时M1镜的位置及相应的位置变化。能够看出:在M1镜光路中插入玻璃厚度达42mm时，仍然能够观察到白光干预，而之前在M1镜光路中插入玻璃厚度为30mm时就几乎观察不到干预现象了。这也验证了我们的观点，即插入的玻璃到一定厚度观察不到干预条纹，主要是由于两路光相遇光阴强相差过大导致的。由表2实验结果，我们还能够看出，改良后的实验方式方法可测量的玻璃厚度范围也拓宽了。除此之外，我们还计算了插入玻璃的折射率，见图3。【图3.表2】在完成上述实验内容的经过中，为提高实验的精到准确度，我们还总结出了下面实验调节技巧:(1)试验中以白光干预条纹的黑条纹作为起始参照量，使得试验中零光程差的要求更为严格;(2)尽量避免实验经过中因振动带来的仪器元件的移动，造成d的微小变化;(3)由于参加材料后，实验光程增大，所以操作时一定是沿d减小的方向来得到放入材料前后的两次白光干预，以避免空程差的引入;(4)实验经过中，让一部分光不经过材料，可利用这部分光作为参照物，便于反复调节，可以以避免因拆装材料造成的仪器振动。4结论基于迈克尔逊干预仪，通过在单一光路中及两光路中放置不同厚度的玻璃片，观察白光干预现象并测量玻璃片的折射率。所购买的厚度为05mm、10mm、12mm、20mm的石英玻璃的折射率略有差异不同，讲明了材质的细微差异。在单一光路中插入玻璃片的厚度到30mm时干预现象消失主要是由于两路光相遇光阴强相差较大所引起的。我们设计的在两光路中均放置玻璃片拓宽了待测玻璃片的厚度测量范围。以下为参考文献:1高文琦，叶蓉华，何永蓉，等光学M南京:南京大学出版社，1994:96-1012沈小峰，陈浩元物理学发展史概述J北京师范大学学报(自然科学版)，1979(4):1-1134周中讨论中的米的新定义J计量工作，1960(3):17-185徐文韬，李全伟，李吉骜，等用迈克耳孙干预仪测量厚透明材料折射率J物理实验，2020，32(6):35-396蔡小镇，蒋晓龙，赵促飚探究汞灯测量透明薄片厚度的新方式方法J大学物理实验，2018，24(1):26-287万伟迈克尔逊干预仪测透明介质厚层及折射率J大学物理实验，2020(2):21-248王军，等利用傅里叶变换和色度学原理分析白光干预图的构成J大学物理实验，2020(1):17-20InvestigationofWhiteLightCoherencebyAdjusti