物光实验报告

迈克逊干涉仪一、实验目的1、掌握迈克耳逊干涉仪的结构、原理、调节方法；2、用迈克耳逊干涉仪观察平板干涉条纹的特征，测定单色光波长；3、观察白光干涉条纹，测量光波的相干长度；二、仪器和装置HE-NE激光器、白炽灯、扩束镜、准直镜、会聚镜、迈克尔逊干涉仪。整个装置包括三部分：照明系统、干涉系统和观察系统，如图1所示。1干涉系统——迈克尔逊干涉仪，如图2所示G1分光镜，它是在第二表面镀以半反射介质膜的平行平面板。G2是一块与G1全同的平板，成为补偿板，它与G1平行。M1和M2都是平面反射板，两镜的背面各有三个调节螺钉，用来调整镜面的空间取向。M2的镜座上还有垂直安装的两只微调螺钉，用来对M2的空间取向作微调。2、观察系统为了观察不同类型的干涉，观察系统可以是望远镜、放大镜或者是人的眼睛。3、照明系统本实验单色光源为HE-NE激光器，激光经扩束准直，再经L2会聚。三、实验原理图1是迈克尔逊干涉仪的光路原理图。光源上一点发出的光线射到半透明层K上被分为两部分光线“1”和“2”。光线“2”射到M2上被反射回来后，透过G1到达E处；光2k1图1迈克尔逊干涉仪图2非定域干涉线“1”透过G2射到M1，被M1反射回来后再透过G2射到K上，反射到达E处。这两条光线是由一条光线分出来的，故它们是相干光。光线“1”也可看作是从M1在半透明层中的虚像M1ˊ反射来的。在研究干涉时，M1ˊ与M1是等效的。调整迈克尔逊干涉仪，使之产生的干涉现象可以等效为M1ˊ与M2之间的空气薄膜产生的薄膜干涉。用凸透镜会聚的激光束是一个很好的点光源，它向空间发射球面波，从21MM和反射后可看成由两个光源21SS和发出的（见图2），)(21SS或至屏的距离分别为点光源S从)(1211GMMG和或和反射至屏的光程，21SS和的距离为M1ˊ和M2之间距离d的二倍，即2d。虚光源21SS和发出的球面波在它们相遇的空间处处相干，这种干涉是非定域干涉。如果把屏垂直于21SS和的连线放置，则我们可以看到一组同心圆，圆心就是21SS和连线与屏的交点。如图2，由21SS到屏上的任一点A，两光线的光程差+可得：干涉场中某一点对应的两支相干光线的光程差为光波波长的整数倍时，+=mλ,(m=0,)则该点为亮条纹中心；干涉场中某一点对应的两支相干光线的光程差为光波波长的半整数倍时+=（m+1/2）λ,(m=0,)M1M2'1M激光器EG1G2d则该点为暗条纹中心；对于等倾圆环条纹，中心处于干涉级m0最高，由圆心向外，依次降低。当移动21MM的距离d增大时，圆心干涉级数越来越高，我们就可以看到圆条纹一个一个从中心“冒”出来，反之当d减小时，圆条纹一个一个地向中心“缩”进去。每当“冒”出或“缩”进一条条纹时，d就增加或减小2，所以测出“冒出”或“缩进”的条纹数目N，由已知波长就可求得1M移动的距离，这就是利用干涉测长法；反之，若已知1M移动的距离，则就可求得波长，它们的关系为：2hN（2）即Nh2（3）2、等厚干涉条纹若M1M2不相互垂直，这时候若用平行光照明或使用孔径很小的观察系统，使整个视场内入射角变化可以不计，则两支相干光束的光程差的变化只依赖于虚平面的厚度的变化。干涉条纹是虚平面厚度相同点的轨迹。当合h都不能视为常数时，将同时对光程产生影响，这时称为混合条纹。3、非定域干涉如果光源是单色点光源，无论是在等倾干涉还是在等厚干涉下，条纹都是非定域的，采用HE-NE激光器作光源，由于干涉性好，可以看成点光源。这时用毛玻璃屏插在干涉仪的出射光路中的任何位置，均可以观察到干涉条纹。4、白光条纹白光照明，当两路相干光束的光程差为零或者零程差附近的位置，可以观察到白光干涉条纹。中央零级为白或者黑色的彩色条纹。四、实验内容1、观察单色光等厚干涉条纹（1）调整及抱起使其光束基本平行于实验台面，并使光斑位于镜面中心。在毛玻璃上看到M1，M2反射形成的两套光斑，调整M1，M2，使光斑严格重合。（2）在入射光路中加入扩束镜，并调整。这时在毛玻璃上观察到弧形或圆形的干涉条纹。（3）加入准直透镜L1，调整L1位置，直到毛玻璃上出现直条纹，再插入L2，毛玻璃上出现圆环条纹。如果条纹很多，应该转动手轮移动M1，使条纹减少到1-3。（4）使用微调螺杆调整M2的倾斜方向，和移动M1。观察原干涉条纹的变化，并记录。2、观察单色光的等倾干涉条纹（1）在上一步观察到的等厚条纹基础上，微调，是等厚干涉间距逐渐变大，直到视场中仅有一条条纹。（2）L1后放置会聚镜L2，并使照明在M1和M2上的光斑尽可能小。（3）观察系统采用毛玻璃屏，可以看到等倾圆环。（4）移动M1观察等倾圆环的变化，并记录。3、测量单色光波长（1）转动粗动手轮，使屏上的等倾条纹的数目适中（2）转动微动手轮，可见到圆条纹缓缓向中心收缩，并在中心消失，记下读数S1；（3）继续向一个方向转动微调手轮，观察条纹在中心消失50个，记下读数S2；（4）重复三次，并作记录4、观察白光的彩色条纹（1）在观察到单色等倾条纹的基础上，移动M1，直到在视场中只剩下一个条纹。（2）移去毛玻璃屏，用一白炽灯照亮干涉仪，用眼睛观察，继续按原来方向转动手轮，直到出现彩色条纹。（3）调整M2观察彩色条纹的变化，移动M1观察彩色条纹的变化，并做记录。用法布里-珀罗干涉仪测钠黄光双波长差一、实验目的1、观察多光束干涉的条纹特征2、学会法布里-珀罗干涉仪的调整，及光波微小波长差的测量二、仪器和装置钠光灯、聚光灯、小孔光栏、准直镜、汇聚镜、法-珀干涉仪、滤色片三、实验原理法布里－珀罗（F-P）干涉仪是由两块内表面镀有高反射膜（介质膜或金属膜）的相互平行的高平面度玻璃板或石英板组成，根据平行平面板反射单色光的多光束叠加产生细窄明亮干涉条纹的基本原理制造的，如图所示，F-P干涉仪的主要部件是两块各有一面镀高反射膜的玻璃板G1和G2，使镀膜面相对，夹一层厚度均匀的空气膜，利用这层空气膜就能够产生多光束干涉现象。若有一定光谱宽度的单色扩展光源发出的发散光照明法-珀干涉仪，则在透镜L的焦面上将形成一系列细锐的等倾亮条纹，若透镜L的光轴和干涉仪的板面垂直，则在透镜焦面上形成一组同心圆亮条纹。通常多光束情况下观察透射光条纹，条纹细而锐，波长差非常小的两条光谱线的同级条纹角半径稍有不同而能清晰的被分开，从而能直接进行测量。所以，法-珀干涉仪（标准具）是一种高分辨率的光谱仪器，常用于研究谱线的精细结构。当光源发出有微小波长差△λ的两谱线时，由法-珀干涉仪产生多光束干涉条纹，对于干涉场的某一点，可写出两个相接近谱线的程差表示式：对于不同波长的光波，△所对应的干涉级差为：cos)()(122121mmm考虑干涉场中心附近的点（可认为θ≈0），则可计算波长差公式为：2211cos2cos2mhmheeh)(2)()(221式中，为21,的平均波长，一般由低分辨率仪器测定；△e为两波长同级条纹之相对位移，e是同一波长的条纹间距当改变法-珀干涉仪两板之间的间距h，两波长条纹之相对位移为（△e）=e，而相应的两板间距变化为（△h），则有)(2)()(2h测出两波长条纹从一次重合到再一次重合的间距变化，即可求得两谱线的微小波长差（△λ）四、实验内容法布里-珀罗干涉仪外形如图3所示，由迈克尔干涉仪改装而成，仪器的调节机构与迈克尔干涉仪相同1、在图4所示系统中，首先将两板间距大致调整到2~3mm左右(切勿使两反射面接触)前后调整准直镜的位置，使出射光为平行光。此时通过观察望远镜可以看到光阑的清晰的实像，及经平板多次反射产生的一系列光阑的反射像，调节两反射的微调螺丝，使反射像重合成一个，取下观察望远镜目镜，物镜△ee变为放大镜，此时可看到一组平行直条纹（多光束等厚干涉），再微调螺丝增大条纹间距，直致视场中亮度均匀一片，此时两反射面平行。图4实验装置原理简图2、观察钠黄光的多光束干涉条纹随后放入汇聚透镜，使在法-珀干涉仪平板上的光斑尽可能小，则在望远镜焦面上即可观察到钠黄光双线的多光束干涉条纹，条纹呈同心圆环。若圆环中心不在中央，可同时调节两反射镜微调螺丝，使两镜与入射光束垂直。3、测量钠双线的波长差调节微动机构，改变两镜距离，观察纳双线两组条纹从重合分离重合的变化全过程。测量两组条纹从一次重合时两镜间距的变化（△h），连测三次，求取钠双线波长差的平均值注意：为了减少误差，测出两组条纹从开始重合分开之间距变化，取其中间位置作为一次重合之位置进行计算。本实验主要是仪器及多光束干涉条纹的观察及测量。实验报告对仪器调整方法的原理及多光束干涉条纹的特征应着重讨论。激光平面干涉仪一、实验目的1.了解激光平面干涉的结构原理及装调方法；2.组装平面干涉仪，获取干涉图；3.学会从干涉图分析被测光学零件的面形误差。二、实验原理He-Ne激光器发出的激光经扩束准直后，直接入射到标准平板和待测平板。激光平面干涉仪是通过观察标准平面与被检平面之间的楔形空气层所产生的等厚干涉条纹的变形情况来检测待测平板的面形的。若通过CMOS接收到的等厚干涉条纹弯曲表明被测平面不平。经测得条纹弯曲的矢高为H，条纹间距为e，则被测平板的平面度为P=H/e，相应的平面偏差，即凹陷或凸起的厚度为：h=Hλ/2e.将标准平板两表面的反射光移出视场，观察由被测平板两表面反射产生的等厚干涉条纹，如果被测平板的面形误差、玻璃的不均匀性都很小，则测出的平行度即可视为是平板两表面的几何平行度，可以观察到一组平行等距的干涉条纹。若在直径为D的平行平板上观察到N个条纹，则平板的平行度用最大厚度Δh表示：Δh=Nλ/2n=Dλ/2ne其平板两面的楔角α为：α=Δh/D=λ/2ne三、实验步骤1.调整He-Ne激光器使其出射光束平行于光学平台。2.调整每个光学件的高度；3.加入分束镜，并转角；4.加入扩束镜和准直镜，用剪切干涉法获得平行光；5.加入标准平板和待测平板，并使标准平板后表面和待测平板前表面的光斑反射回扩束镜小孔；6.再加入衰减器及CMOS，找到合适的接收位置后，微调空气层楔角，直至视场里剩余3-5个条纹，保存图像，并进行数据处理计算平板的平面度和楔角。用法布里-珀罗标准具测量汞绿线的光谱精细结构一、实验目的1、了解法布里-珀罗标准具的结构，学会使用标准具2、用法布里-珀罗标准具测定汞绿线的精细结构二、实验仪器汞灯、聚光灯、光阑、准直镜、干涉滤光片、会聚镜、法-珀标准具、CMOS三、实验原理1.用高分辨率分光仪器可看到光谱线的细微结构，利用法布里－珀罗（F-P）标准具就可以观察汞绿线（=546.07nm）的精细结构。F-P标准具是两块内表面镀高反射膜相互平行的高平面度的玻璃板组成，在内表面之间形成多次发射而产生多光束间干涉（如下图）。两外表面与内表面做成小楔角以防止内表面反射光的干扰。2.若有一定光谱宽度的单色扩展光源发出的发散光照明法-珀干涉仪，则在透镜的焦面上将形成一系列细锐的等倾亮条纹，若透镜L的光轴和干涉仪的板面垂直，则在透镜焦面上形成一组同心圆亮条纹。多光束干涉条纹细而锐，则波长差很小的两条统计条纹的谱线能被清晰地分开，从而直接测量。3．若被测谱线的波长范围，用来测量此谱线精细结构的F-P标准具参数满足：其中=为自由光谱范围，=为标准具所能分辨最小波长差。4.由等倾干涉，在焦距f的透镜焦面上形成的干涉条纹中第p和第q个亮纹直径和=,则有[(q-1)-(p-1)]/)为波长干涉圆环中心干涉级小数。又由中心处的程差关系式：2nh=((,得到波长差表达式：)。式中为强度最大的主线波长，是同一波长多个干涉圆环直径求得的平均值。四、实验内容汞绿灯的精细结构主要由汞的同位素产生的谱线形成，本实验测量的是的谱级，干涉滤光片中心波长为546.1nm1.按要求安排光路使各元件等高2.标准具调整：选用间距h=5mm的F-P标准具，其反射面高反膜反射率为0.95，上有微调支架可左右微动10度左右。通过调整平行螺丝使光阑及其象完全重合，这时看到尽量清晰的圆条纹表明标准具两板基本平行。再细调其中一板的微动螺钉使得