双棱镜说明书2005.9.doc

双棱镜实验仪前言光的干涉现象是光波动说的基础，而有两束相干光是干涉的必要条件。在实验中，通常是把由同一光源发出的光分成两个相干光束。产生相干光的方式可以分为两种：分振幅的干涉和分波阵面的干涉，前者我们在迈克尔逊干涉仪的实验中已经学习过；本实验则是关于分波阵面干涉的典型例子。【实验目的】1.掌握菲涅耳双棱镜获得双光束干涉的方法；2.观察双棱镜产生的光的干涉现象和特点，掌握获得双束光干涉的另一种方法，进一步理解产生干涉的条件；3.用双棱镜测定光波的波长。【实验仪器】半导体激光器，扩束镜，双棱镜，二维调节架，透镜，光电接收组，数字检流计，光具座等【实验原理】图1所示为经典的杨氏双缝干涉实验，是英国科学家托马斯.杨在19世纪初设计的。点光源S发光，其波阵面经S1、S2双缝分为两束，当符合相干条件时，在两个子波阵面交会的区域干涉，形成明暗相间的平行直条纹。图1正是这个实验，给始于牛顿和惠更斯的关于光的本质的争论中的波动说增加了重要的砝码。然而，微粒说的拥护者对该实验提出质疑，认为明暗相间的条纹并非真正的干涉图样而是光经过狭缝时发生的复杂变化。对此非议，在接下来的几年间，菲涅尔设计了几个撇开狭缝的干涉实验，为杨的实验提供了强有力的支持，下面我们就介绍其中之一的双棱镜干涉实验。如图2所示，将一块平玻璃板的上表面加工成两楔形，两端与棱脊垂直，楔角较小（一般小于1度）。当单色光源照射在双棱镜表面时，经其折射后形成两束好像由两个光源发出的光，即两列光波的频率相同，传播方向几乎相同，相位差不随时间变化，那么，在两列光波相交的区域内，光强的分布是不均匀的，满足光的相干条件，称这种棱镜为双棱镜。图2图3所示就是菲涅尔1818年设计的双棱镜干涉实验示意图。杨氏干涉实验中的双狭缝被一个双棱镜所取代。光源S发出的光经双棱镜折射而形成两束光，可视为分别从虚光源S1、S2发出。在两光束相交的区域放置观察屏，在P1、P2区间就可以观察到干涉条纹。也就是说，虚光源等效于双狭缝形成了光波的分波阵面干涉。图3下面我们就来进一步研究它们同干涉条纹分布之间的对应关系。图4如图4所示，设两虚光源的间距为d，它们到观察屏的距离为L，观察点PX的光强为： 式中为入射光的波长，为的中点与PX点连线与光轴的夹角。当时，即干涉光强极大；当时，即干涉光强极小。因此在观察屏上可以看到明暗相间的干涉条纹。因为 ，角很小，有 故对于亮条纹， 即有： ；对于暗条纹， 即有：因此，相邻亮条纹（或暗条纹）的条纹间距为： 所以，在实验中只要测得条纹间距，就可以计算出干涉光源的波长： 【实验内容】1. 在半导体激光器光阑前旋上扩束镜；将半导体激光器，双棱镜，光电接收组放置在光具座上，用目视法调整它们中心等高。并使它们在平行于光具座的同一直线上，而且棱镜底边应垂直于此直线。实验装置图如图5所示。图5A 半导体激光器，B双棱镜，C凸透镜，D光电接收组2. 点亮光源，调整光源使亮度、高度适中。先不放置透镜C，调节二维调节架，使激光束能够均匀对称地照射到双棱镜的棱脊。在调节过程中可以先在光电接收组前先放置一白屏，用来观察干涉图样，调节A，B使得白屏上的干涉条纹清晰，条纹数目、间隔适中。3. 若条纹数目甚少，可增加双棱镜与光源的距离；若条纹太细，可减小双棱镜与光源的距离或增大双棱镜与白屏的距离。若条纹不清晰或倾斜，可以微调二维调节架的倾斜度，综合以上各个因素，直至能观察到十条左右的条纹，且每条宽度适当，条纹清晰可数为止。4. 移去白屏，用光电接收组上的移动尺测量干涉条纹的间距。为了提高测量精度，可以测出n条（例如6条）干涉条纹的间距，再除以n-1，即得。5. 测出L值，即光源到光电接收组接收面的距离。6. 保持以上光源、双棱镜、光电接收组（实验未完，切勿更动其之间的间距），在双棱镜和光电接收组之间放上凸透镜。如图5所示。移动凸透镜，寻找二虚光源S1，S2经透镜后生成的像，细心观察二象亮度和宽度的变化，注意辨认二虚光源的真实象，利用光电接收组的移动尺，测量图5中a和b之值。7. 由透镜成像放大公式得：两虚光源之间的间距，则算出干涉光源的波长：附录一【实验数据记录与处理】实验步骤和内容可参阅前面的实验内容和单缝实验使用说明书。本实验以记录n=6，共记录3组数据（一）微机型1.计算条纹间距微机型空间位置（ch值）总间距条纹间距1第1条1451（1706-1451）11m=2.805mm2.80550.561mm第6条17062第1条1500（1758-1500）11m=2.838mm2.8385=0.568mm第6条17583第1条1550（1810-1550）11m=2.860mm2.8605=0.572mm第6条18102.测量两虚光源经透镜后的像间距离，计算两虚光源间距离（注意辨认虚实）两虚光源经透镜成像后像间距离：=（1227-1002）11m=2.475mm计算两虚光源间的距离：（注意要加上CCD前面板至光敏面的距离4.5mm）3.计算实验中半导体激光的光波波长：（其中半导体激光器的参考波长为650nm）（二）示波器型1.计算条纹间距（“-”表示示波器中心以左的读数，“+”表示中心以右的读数）示波器型空间位置（小格数）总间距条纹间距1第1条-8.0第6条-3.22第1条-6.0第6条-1.03第1条-4.0第6条+0.52.测量两虚光源经透镜后的像间距离，计算两虚光源间距离（注意辨认虚实）两虚光源经透镜成像后像间距离：计算两虚光源间的距离：（注意要加上CCD前面板至光敏面的距离4.5mm）3.计算实验中半导体激光的光波波长：（其中半导体激光器的参考波长为650nm）附录二实验参考曲线图图1 双棱镜干涉曲线花样图（本实验中采用的CCD的分辨率为11m）图2 虚光源经