棱镜干涉测量光波波长29225.pdf

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1、棱镜干涉测量光波波长 双棱镜干涉测量光波波长 实验目的 1.观察光的干涉现象，并掌握干涉测量光波波长的方法。2.掌握光具组的光路同轴等高调节方法。熟练掌握测量目镜的使用方法。实验原理 双棱镜是一个分割波前的分束器，形状如图 32.1 示，其端面与梭脊垂直，楔角 很小（一般小于 1 度）双棱镜干涉的原理如图 32.2 所示，狭缝光源 S 发射的光束，经双棱镜折射后变为两束相干光，在它们的重叠区内，将产生明、暗相间的干涉条 纹，这两束相干光可认为是由实际光源 S 的两个虚像 S1、S2 发出的，称 S1、S2 为 虚光源。设虚光源 S1、S2 相距为 a，S1、S2 到观测屏幕 E 的距离为 D，

2、根据光波干涉理 论，在屏幕 E 上相邻干涉亮条纹（或暗条纹）的间隔与波长 及 a、D 之间的关系式 为：l=aDx/D（1）如果测出 D、a、Dx 三个量值，就可以确定出光波波长。实验装置 图 32.3 是实验仪器装置图，图中除光源外，所有光学元件都在光具座上。单色 光束（钠光）经聚光镜照亮狭缝后，狭缝便成了双棱镜的光源 S，干涉条纹的间隔 Dx 由测微目镜测定。虚光源到屏 E 的距离 D 可以用光具座上的标尺来测量。测微目镜的基本结构剖视图如图 32.4 所示。目镜镜头通过调焦螺纹固定在目镜外壳 中 部。外壳内有一块刻有十字丝的透明叉丝板，外壳右侧装有测距螺旋（即千分尺）系统，转动测距手轮，

3、其螺杆将带动叉丝板移动。叉丝板的移动量可通过手轮上的 千分尺测出。如果用测微目镜测两点之间的距离，应转动手轮，使叉丝交点从其中 一点的外侧移至与第一个点相重合，记下千分尺上的读数，再按相同的移动方向将 叉丝交点移至与第二个点重合，再记下千分尺上的读数，这两个读数之差的绝对值 就是所测两点的距离。实验内容 1.光路的布置与调节(1)将光源放在光具座导轨一端附近，接通电源，打开光源开关，取下导轨上的各种 光具.(2)将聚光透镜安装在靠近光源的一端，透镜的高矮应与光源窗口等高，透镜光轴应 大致与光具座轴线平行。测微目镜座放在导轨的另一端，将目镜从底座上卸下，换 为一块白屏插在底座上，待光源发光稳定后

4、，仔细调节光源或聚光透镜的位置，便 光源窗口射出的光经聚光透镜后对称地投射在白屏中部。(3)将可调狭缝装在聚光透镜后面的附近位置，狭缝长度沿竖直方向，狭缝平面垂直 于导轨轴线，狭缝安装高度应与聚光透镜的高度相当，狭缝宽度适当（约为头发丝 直径的二倍左右)(4)装上双棱镜，使其底座与狭缝底座相距1820cm（这个距离的具体大小还须参考 成像透镜上标出的焦距值来决定，如焦距不足 16cm，则该距离应偏小为宜；如焦距 较大、则该距离可以偏大一些。）。调节双棱镜、，使之与光轴对称垂直，与狭缝 等高。(5)取下白屏，将测微目镜装在底座上，注意使目镜轴线与光具座轴线平行，目镜高 度与前面的各光具等高。观察

5、一下目镜内的叉丝是否清晰，如不清晰或看不见叉丝，则适当转动目镜头，直至可看清叉丝为止。(6)将目镜移至距双棱镜 20cm 左右的地方，观察目镜内是否有干涉条纹。此时可能 看到以下三种情况之一：目镜视场内无干涉条纹，且亮度均匀；目镜视场内无 干涉条纹，但亮度不均匀，有一条竖直方向的较亮光带；有干涉条纹。对于，须对双棱镜或狭缝位置进行左右横移调节，直至在目镜中可见到现象或。对于，则须微调狭缝长度的方向，当该方向与双棱镜的棱脊平行时，光带中即出现干 涉条纹。对于，如干涉条纹分布不对称，明显偏在视场的一边，则可通过对双棱 镜或狭缝位置进行左右横移微调来使干涉条纹分布对称；如果干涉条纹不够清晰，则可通过

6、微调狭缝长度的方向并辅助微调狭缝的宽度来使之清晰。（7）将测微目镜平缓地向后移动，边移动边观察目镜视场内干涉条纹是否随移动而 移向一边，如有此现象，则须微调双棱镜的横向位置，以使条纹保持在目镜视场中 部，直至目镜后移到导轨的未端时，其视场内能还看到清晰可辨的干涉条纹为止。注意：在步骤 7 中后移目镜时，以及实验测量时，如动作过猛，使狭缝受到 震动而导致狭缝长度方向的微小转动后，目镜视场中的干涉条纹便会消失。如遇此 情形，则须按步骤(6)重新调节。2.虚光源平面与叉丝板距离 D 的测量 的最简单测法是以狭缝平面代替虚光源平面，用狭缝平面与叉丝板的距离代 替 D。这种近似方法存在狭缝与虚光源并不共

7、面的系统误差。但经过理论计算可以证 明，在一般采用的典型光路布置下，狭缝平面与虚光源平面相差无几，只要 D 自身 足够大（要求 D 约为 110cm 左右），所含系统误差是可忽略的。然而 D 的近似测量 仍比较麻烦，这是因为叉丝板平面在测微目镜内部，该平面与目镜底座上的标线不 共面，同样狭缝与其底座上的标线也不共面，所以应注意在读数后加以修正。实验 室将提供叉丝板与目镜底座中心标线的差距，和狭缝与其底座中心标线的差距，须注意记录之。记录目镜底座中心标线对应的标尺数 Y1，狭缝底座中心标线 对应的标尺数 Y2，则：（2）前面的“十”、“”号要根据狭缝在底座上的具体安装方向来决定。3.相邻干涉条纹

8、（明纹或暗纹）间隔 的测量 在用测微目镜测量相邻干涉条纹间隔时，固定各光具位置不变。由于明、暗条 纹都具有一定的宽度，因此，应以目镜叉丝纵线（或交叉点）对齐暗（或明）条纹 中心处作为测量的起、止点。为了减少误差，应采用组合放大测量法：即一次测量 n（取 n=10）个相邻条纹间隔的总长度 L 则相邻干涉条纹间隔为：（3）式中：K0 是叉丝对齐起点时测量目镜读数，Kn 为叉丝移动 n 个条纹间隔后测微目镜 的读数。重复测量次数在五次以上 注意：使用测微目镜时，要防止回程误差，即：在读取同一组K0 与 Kn 时，读每一数前 一瞬间叉丝应向同一方向移动（鼓轮应向同一方向旋转）；旋转读数鼓轮时动作要平稳

9、、缓慢；测量装置要保持稳定。4.两条虚光源间距离 a 的测量 a 的测量需借助透镜将两条虚光源成像在测微目镜叉丝板上进行。测量光路见图 32.4。当虚光源平面与测微目镜的叉丝板相距大于倍透镜焦距值时，透镜在物、像 平面之间有两个共轭成像点 A 和 A 透镜在这两点分别将虚光源放大或缩小成像在 像面（即测微目镜的叉丝板）上，用测微目镜分别测量在这两次成像时像面上的两 条亮线的距离 a1、a2。若透镜在 A 点成像时物距为 u1，像距为 v1；透镜在 A 点 成像时物距为 u2，像距为 v2。由共轭成像关系?；，以及几何关系；，则有：（4）根据成像透镜上标出的焦距参考值 f，将目镜底座移到距狭缝底

10、座略大于 4f?的 位置，并固定好。将成像透镜装上，调节好透镜位置：包括上下、左右、前后三个 方向的位置以及透镜轴与光具座轴线的平行，使之将两条虚光源同时成像在测微目 镜的又丝板上。在确认透镜可在两个特定位置上分别将虚光源放大和缩小成像在叉 丝板上后，再分别测量这两种成像像面上的两条亮线间的距离 a1、a2、要求 a1 和 a2 在各自的同一成像状态下重复测量五次。（注意：要克服回程差）数据处理(1)所有直接测量数据记录表格一律自行设计拟定）；(2)对各重复测量的物理量分别算出其平均值；(3)按下式计算两个光波波长值：(32.5)计算这个波长与钠黄光波长的公认值（）的百分差。思考题 1.若观察到的干涉条纹模糊不清,应从什多方面找原因？2.在测量过程中，狭缝与双棱镜的间距能否改变？3.在测虚光源的像间距时，如果从目镜中只观察到一条亮线，应调节哪个光学元件？4.在测虚光源的像间距时，为什么让狭缝到目镜叉丝板的距离略大于4f？而不是远 大于 4f？