江苏大学光学专题实验小论文

光学专题实验小论文专业：能源与动力工程学院姓名：申顺学号：3140209098班级：流卓1401一摘要：这三周进行光学专题实验，包括牛顿环和劈尖干涉实验，迈克尔逊干涉仪的调节和使用和激光全息照相。1.1牛顿环和劈尖干涉：我们通过实验自己亲眼观察等厚干涉现象，了解了它的特点，加深了对光的波动性的认识，学会了用干涉法测量透镜的曲率半径、微小厚度或直径，并且还掌握了读数显微镜的原理和使用方法。1.2迈克尔逊干涉仪的调节和使用。通过这个实验，我们掌握了迈克尔逊干涉仪的调节和使用方法，并且通过观察迈克尔逊干涉仪产生的等倾和等厚干涉图样，加深了对各种干涉图样特点的了解。我们还了解了如何用迈克尔逊干涉仪测量激光波长。1.3激光全息照相实验，这也是三个实验中最令我感兴趣的实验。激光全息照相是利用激光的相干性原理，将物光的所有信息全部记录下来，形成三维空间的立体图像。二关键词牛顿环、劈尖、迈克逊干涉仪、激光全息照相三背景3.1迈克尔逊干涉仪,是1883年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作，为研究“以太”漂移而设计制造出来的精密光学仪器。它是利用分振幅法产生双光束以实现干涉。通过调整该干涉仪，可以产生等厚干涉条纹，也可以产生等倾干涉条纹。主要用于长度和折射率的测量。3.2全息照相技术是20世纪60年代初随着激光器的产生而发展起来的一门照相技术，在干涉计量、工件检测、无损探伤、信息存贮、立体显示、医疗卫生、宇宙航行、国防军事等科学领域内得到了许多重要的应用。全息照相术从原理到方法都是一种崭新的摄影技术，它不仅记录物体发出或反射的光波的振幅，而且将光波的相位也记录下来，即记录了物体光波的全部信息。观看全息照片与观看实物有同样的立体感和真实感，“全息”一词即由此而来。3.3牛顿在1675年首先观察到的．将一块曲率半径较大的平凸透镜放在一块玻璃平板上，用单色光照射透镜与玻璃板，就可以观察到一些明暗相间的同心圆环．圆环分布是中间疏、边缘密，圆心在接触点O．从反射光看到的牛顿环中心是暗的，从透射光看到的牛顿环中心是明的．若用白光入射．将观察到彩色圆环．牛顿环是典型的等厚薄膜干涉．平凸透镜的凸球面和玻璃平板之间形成一个厚度均匀变化的圆尖劈形空气簿膜，当平行光垂直射向平凸透镜时，从尖劈形空气膜上、下表面反射的两束光相互叠加而产生干涉．同一半径的圆环处空气膜厚度相同，上、下表面反射光程差相同，因此使干涉图样呈圆环状．这种由同一厚度薄膜产生同一干涉条纹的干涉称作等厚干涉。牛顿在光学中的一项重要发现就是牛顿环。这是他在进一步考察胡克研究的肥皂泡薄膜的色彩问题时提出来的。四论述：4.1牛顿环与劈尖干涉实验（1）牛顿环图1牛顿环仪结构图2牛顿环仪几何结构对于牛顿环实验如上图，在平板玻璃上放一曲率半径较大的平凸透镜，这一装置称为牛顿环仪。透镜凸面和平玻璃互相接触，平玻璃板和平凸透镜之间就形成一个空气薄膜层。当单色光束从上面投射到牛顿环仪上时，由平凸透镜下表面反射的光和平玻璃板上表面反射的光发生干涉。在牛顿环仪中，空气膜等厚点的轨是以接触点为中心的同心圆，因此，干涉条纹也是以接触点为中心的明暗相间的同心圆环，这样一簇圆环形的干涉条纹叫做牛顿环。在钠光灯下观察牛顿环仪，调节牛顿环仪的3个螺丝，使干涉环纹的中心大致处在牛顿环仪的中央。将牛顿环仪置于载物台上，并使牛顿环仪处在读数显微镜镜筒的下方，调节调焦手轮，使镜筒缓慢向下移动，直至平板玻璃的下端靠近牛顿环仪上表面，但不与其接触。改变显微镜与光源的相对位置和平板玻璃的倾角，使显微镜的视场明亮，旋转目镜，直至能够清晰地看到分划板上的十字叉丝。松开目镜固定螺钉，转动整个目镜，使叉丝的竖线垂直于显微镜的主尺，然后固定好螺丝。旋转调焦手轮，显微镜镜筒缓慢上升，使显微镜对干涉环纹调焦，直至看到清晰地牛顿环纹。在图2中，R为透镜的曲率半径，形成的第m级干涉暗条纹的半径为rm，第m’级干涉暗条纹的半径为rm’。以上两式表明，当A已知时，只要测出第m级暗环(或亮环)的半径，即可算出透镜的曲率半径R；相反，当R已知时，即可算出．但是，由于两接触面之间难免附着尘埃以及在接触时难免发生弹性形变，因而接触处不可能是一个几何点，而是一个圆斑，所以近圆心处mRrm2)12('Rmm环纹粗且模糊，以致难以确切判定环纹的干涉级数，即于涉环纹的级数和序数不一定一致．图3劈尖仪（2）劈尖对于劈尖如图3所示，将两块平板玻璃叠放在一起，一端用细丝(或薄片)将其隔开，则形成一劈尖形空气薄层．若用单色平行光垂直入射，在空气劈尖的上下表面反射的两束光将发生干涉，其光程差(为空气膜厚度)．因为空气劈尖厚度相等之处是一系列平行于两玻璃板接触处(即棱边)的平行直线，所以其干涉图样是与棱边平行的一组明暗相间的等间距的直条纹．（k=0，1，2，...）时，为干涉暗条纹．与k级暗条纹对应的薄膜厚度为由于k值一般较大，为了避免数错，在实验中可先测出某长度LX内的干涉暗条纹的间隔数x，则单位长度内的干涉条纹数为．若棱边与细丝的距离为L，则细丝处出现的暗条纹级数为k=nL：，可得细丝的直径为4.2迈克尔逊干涉仪2)12(k2khk2nLD2nLD2nLD图4迈克尔逊干涉仪光路图迈克尔逊干涉仪的光路图如图4所示，G1、G2是一对精密磨光的平面反射镜，G2一面镀上半透半反膜，M1、M2为平面反射镜，M1是固定的，M2和G1精密丝相连，使其可以向前后移动，最小读数为10-4mm，可估计到10-5mm,M1和M2后各有几个小螺丝可调节其方位。当M2和M1’严格平行时，M2会移动,表现为等倾干涉的圆环形条纹不断从中心“吐出”或向中心“吞进”。两平面镜之间的“空气间隙”距离增大时，中心就会“吐出”一个个条纹；反之则“吞进”。M2和M1’不严格平行时，则表现为等厚干涉条纹，在M2移动时，条纹不断移过视场中某一标记位置，M2平移距离d与条纹移动数N的关系满足。在图M2′是镜子M2经A面反射所成的虚像。调整好的迈克尔逊干涉仪，在标准状态下M1、M2′互相平行，设其间距为d.。用凸透镜会聚后的点光源S是一个很强的单色光源，其光线经M1、M2反射后的光束等效于两个虚光源S1、S2′发出的相干光束，而S1、S2′的间距为M1、M2′的间距的两倍，即2d。虚光源S1、S2′发出的球面波将在它们相遇的空间处处相干，呈现非定域干涉现象，其干涉花纹在空间不同的位置将可能是圆形环纹、椭圆形环纹或弧形的干涉条纹。通常将观察屏F安放在垂直于S1、S2′的连线方位，屏至S2′的距离为R，屏上干涉花纹为一组同心的圆环，圆心为O。设S1、S2′至观察屏上一点P的光程差为δ，则)1/)(41()2(222222222rRdRdrRrRrdR（1）一般情况下dR，则利用二项式定理并忽略d的高次项，于是有)(12)(816)(2)(4222222222222222rRRdrrRdRrRdRrRdRdrR（2）所以)sin1(cos22Rdd（3）由式(3)可知：1.0，此时光程差最大，d2，即圆心所对应的干涉级最高。旋转微调鼓轮使M1移动，若使d增加时，可以看到圆环一个个地从中心冒出，而后往外扩张；若使d减小时，圆环逐渐收缩，最后消失在中心处。每“冒出”(或“消失”)一个圆环，相当于S1、S2′的距离变化了一个波长大小。如若“冒出”(或“消失”)的圆环数目为N，则相应的M1镜将移动Δd，显然：Nd/2（4）从仪器上读出Δd并数出相应的N，光波波长即能通过式(4)计算出来。2.对于较大的d值，光程差δ每改变一个波长所需的的改变量将减小，即两相邻的环纹之间的间隔变小，所以，增大d时，干涉环纹将变密变细。4.3（1）全息记录①调节防震台。分别对三个低压囊式空气弹簧充气，注意三个气囊充其量要大致相同，然后成等腰三角形放置，气嘴应向外。然后再把钢板压上。用水平仪测量钢板的水平度，如果不平，可稍稍放掉一些某个气囊中的空气，直到调平为止。2.打开激光器，参照图5摆好光路，使光路系统满足下列要求：②物光和参考光的光程大致相等；③经扩束镜扩展后的参考光应均匀照在整个底片上，被摄物体各部分也应得到较均匀照明。④使两光束在底片处重叠时之间的夹角约为450。图5⑤在底片处物光和参考光的光强比约为1:2～1:6。2．关上照明灯（可开暗绿灯），确定曝光时间，调好定时曝光器。可以先练习一下快门的使用。53．关闭快门挡住激光，将底片从暗室中取出装在底片架上，应注意使乳胶面对着光的入射方向。静置三分钟后进行曝光。曝光过程中绝对不准触及防震台，并保持室内安静。4．显影及定影。显影液采用D－19，定影液采用F－5。它们由实验室提供。如室温较高，显影后底片应放在5%冰醋酸溶液中停显后再定影。显影定影温度以20摄氏度最为适宜。显影时间2～3分钟，定影时间5～10分钟。定影后的底片应放在清水中冲洗5～10分钟（长期保存的底片定影后要冲洗20分钟以上），晾干。（2）物像再现将全息照片放回原处，遮住物光，用参考光束照亮全息片，可观察到：i.物的虚像＋1级衍射光，在全息片后，用眼睛直接地观察，在原物处有物的虚像。改变观察角度，看到虚像有何不同？通过有小孔的纸片观察，在不同的部位看到的虚像有无不同？改变参考光束的强弱与远近，看到的情况有何不同？ii.物的共轭像―1级衍射光（在0级光的另一侧），用毛玻璃屏接收物体的共轭实像。五牛顿环实验可观察到明暗相间的同心圆环，中心为一暗斑，左右移动十字叉丝记录实验数据，计算可得到牛顿环的曲率半径；劈尖干涉实验观察到的是等间距的明暗相间条纹，记录实验数据，分析计算得到劈尖中金属丝的直径，因此该实验可以用来测量微小直径，在生活中也有广泛应用。激光全息照相经过曝光，漂洗，定影和再现光的干涉过程可在原来观察实体的方向看到与物体大小相同的立体虚像，在实验中由于小组的操作问题，没能观察到全息像，与其他小组交流观察到了立体虚像；可用来进行全息显示、全息干涉计量、全息光学元件、全息信息储存等。迈克尔逊干涉仪实验调节旋钮在屏幕上观察到干涉圆环，仔细操作仪器，并记录实验数据，通过计算得到光的波长；在角度测量、引力波测量、光谱测量等领域有广泛应用。六时间2015.11.17七参考文献：《大学物体实验》（许伯强）