12级光学实验参考资料--hyq.doc

实验11 迈克尔逊干涉仪测光波波长五实验数据记录和数据处理（表格设计参考格式）应用非定域干涉测定HeNe激光波长干涉环变化数 Ni0306090120150M1镜的位置hi（mm）逐差法N=Ni +3Ni909090h=|hi+3-hi| (mm)=2h/N （10-4mm）列式计算平均值 列式计算测量波长的平均值：=写出代入数据的计算式 = (单位) 备注：以上部分在实验原始数据记录卡和实验报告上都必须写的。以下内容为操作课后在实验报告上完成。列式计算不确定度： = 写出代入数据的计算式 = (单位) (mm) = 写出代入数据的计算式 = (单位) = 写出代入数据的计算式 = (单位)与HeNe激光波长标准值（）比较，测量相对误差E= %六实验结果测量HeNe激光的波长为 (单位)；与标准值比较，测量相对误差E= %。七分析讨论 1、实验注意事项；2、引起误差的主要原因及对实验结果的影响分析；3、通过实验所取得的收获及对实验过程与结果的评价；4、实验方法或实验装置的改进建议。八思考题 P83页 做1，2题，抄题做在实验报告上预备问题 P80页 自选做2题，抄题做在预习报告上 实验12 光的等厚干涉五实验数据记录和数据处理（表格设计参考格式）1、牛顿环平凸透镜半径R的测量 （要求：堂上进行初步的数据计算处理）测量平凸透镜曲率半径R的数据记录表 牛顿环编号： 环序数mn30292827261514131211环直径位置左环 x左（mm）右环 x右（mm）环的直径Dm或Dn（mm）D2m，或D2n（mm2）逐差法 Dm2-Dn2（mm2）m-n=15，=5.89310-4mm。备注：以上部分在实验原始数据记录卡和实验报告上都必须写的。以下内容为操作课后在实验报告上完成。（1）用逐差法求R： （必做内容）计算要求：取（m-n）=15，即依次列式计算（D302-D152），（D262-D112）5个数值，求出平均值，求出平凸透镜的曲率半径R。代入数据计算 = （mm）（2）用作图法求R： （必做内容）根据，rm2与m成正比，其斜率为R；以D2为纵坐标，对应的环数m（n）为横坐标，描绘10个测量点，作一直线，在直线上另选两端A、B点坐标求直线的斜率a，由R= a /4计算平凸透镜的曲率半径R。 2、平板玻璃劈尖干涉测量与观察 （1）观察稍用力压劈尖上玻璃板时条纹变化的现象，并给予解释。（2）（必做）观察牛顿环和劈尖干涉条纹的疏密情况（各条纹粗细是否等宽？间隔是否均匀），并从理论上加以解释。六.实验结果1、用逐差法求凸透镜的曲率半径R= (mm) ；2、用作图法求凸透镜的曲率半径R= (mm)。七分析讨论 1、实验注意事项：测量过程鼓轮不能反转，避免鼓轮螺旋回程间隙引起回程误差，。调节M1M2时，移动眼睛不会有条纹移出和移入视场，这样才能确保是等倾，即M1、M2 两板平行。2、引起误差的主要原因及对实验结果的影响分析；3、通过实验所取得的收获及对实验过程与结果的评价；4、实验方法或实验装置的改进建议。（测量条纹直径比半径r更精确，）八思考题 P87页1、3，抄题做在实验报告上。预备问题 P84页 1，2，抄题做在预习报告上。实验11 迈克尔逊干涉仪测光波波长预备问题：1本实验中的干涉条纹有什么特点？如何测量He-Ne激光波长？提示：是等倾干涉；干涉条纹是明暗相间的同心圆环，条纹宽度不一，条纹间距与入射到M1镜子上的倾斜角度有关系，干涉级次中心最大，边缘最小，前后调节M1镜子，中心亮暗间隔交替出现。越靠近中心，光程差越大，级数越高，条纹间距变大。改变动镜的位置，两束光的光程差发生变化，因此干涉条纹也随之发生变化。当M1、M2之间的距离增大时，条纹向外扩展，圆心处有条纹涌出，当其间的距离减小时，条纹收缩，中心条纹消失。消失或涌出一条干涉条纹，动镜位置的变化为 / 2 ，设消失或涌出N个干涉圆环动镜位置的变化为h，根据空气中等倾干涉明条纹的条件，则He-Ne激光波长为。2怎样准确读出M1反射镜的位置？用迈克尔逊干涉仪观察等倾干涉现象的主要条件是什么？提示：确定M1的位置有三个读数装置： 主尺l1，在导轨的左侧面，最小刻度为毫米；读数窗l2，可读到0.01 mm；带刻度盘的微调读数鼓轮l3，可读到0.0001 mm，估读到10-5 mm。M1的位置l = l1 （主尺的整数部分）+ l2（读数窗的整数部分） + l3（读数鼓轮的读数）产生等倾干涉的要求M1、M2 两板平行，光源要求时间空间相干性好，符合干涉的三要数：必须有同频、同振动方向、固定相位差。3用钠灯做光源时，为什么会出现视见度为零的现象？提示：两种波长相差不大的光做光源，有各自产生干涉条纹，若各自光程差为=k1=（k+1/2）2，在一种光的明条纹处，另一条光产生暗条纹，在整个视场将看不见干涉条纹，从而出现零视见度。思考题：1迈克尔逊干涉仪中的G1和G2各起什么作用？用钠光或激光做光源时，没有补偿板G2能否产生干涉条纹？用白光做光源能否产生干涉条纹？提示： G1、G2的作用，参阅P81页实验原理部分。钠光和激光单色性好，若G1不太厚，没有补偿板G2能产生干涉条纹。（从光的单色性好坏考虑，）白光单色性差，包含多种波长的光，在光程差接近0时，能观察到彩带；而在光程差较大时，不同波长的光的干涉条纹会相互叠加，而难以清晰找到干涉条纹。2在迈克尔逊干涉仪的一臂中，垂直插入折射率为1.45的透明薄膜，此时视场中观察到15个条纹移动，若所用照明光波长为500 nm，求该薄膜的厚度。提示：插入透明薄膜前后光程差改变=2(n n0)h =N ，空气n0=1,所以，h=N/(2(n 1)=补充题：用迈克尔逊干涉仪可测量长度的微小变化，设入射光波长为534.9nm，等倾干涉条纹中心冒出了1204条条纹，求反射镜移动的微小距离。提示：反射镜移动的距离为h= N/2 =1204534.9/2 nm= 0.322mm实验12 光的等厚干涉预备问题干涉图样1什么是光的干涉现象？光的干涉条件是什么？什么是等厚干涉、定域干涉及半波损失？光的干涉现象就是两列或几列光波在空间相遇时相互迭叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。光的干涉条件的三要素：同频率、同振动方向、固定相位差。平行光照到一块透明介质的薄膜上时，薄膜厚度相同处产生同一级的干涉条纹，厚度不同处产生不同级的干涉条纹，这种干涉称为等厚干涉。牛顿环干涉是以接触点为中心的一组明暗相间、（外疏里密）间隔不等的圆环；越靠近中心的条纹级别越低、间隔越疏；越靠近边缘，条纹级别越高，间隔越密。牛顿环和楔形平板干涉都属等厚干涉。光源是扩展的光源（面光源）时，所生的干涉条纹都有一定的位置，这些干涉称为定位干涉。（等倾干涉定域在无穷远，等厚干涉定域在薄膜表面）当光从折射率小的光疏介质射向折射率大的光密介质时，在入射点，反射光相对于入射光有相位突变，即在入射点反射光与入射光的相位差为，由于相位差与光程差/2相对应，它相当于反射光多走了半个波长/2的光程，这种相位突变的现象叫做半波损失。 当光源为点光源时，与光源在同一边的空间的任一点都可得一定的干涉，称这种干涉为不定位干涉。2用读数显微镜测量出来的牛顿环直径是其真实大小吗？为什么？提示：是真实干涉圆环的直径大小。（不是牛顿环装置的曲率直径，也不是K级圆环的直径，因为牛顿环的中心位置是圆斑，所以级数K不能确定。）思考题 1从牛顿环装置的下方透射上来的光，能否形成干涉条纹？如果能的话，它和本实验反射光形成的干涉条纹有何不同？提示：（垂直）入射光束经过牛顿环装置的空气薄层分出来的两束透射光若是相干光，两束光相遇就会产生干涉。透射光和反射光形成的干涉条纹都是明暗相间的圆环，（因能量守恒，）透射光条纹与反射光条纹的明暗条纹互补而相反，在反射光形成明环的位置，透射光形成暗环；在反射光形成暗环的位置，透射光则形成明环。dndmDnDmhrnrmmn图A2假如在测量过程中，叉丝中心未与牛顿环中心重合，测得的是弦而不是直径，则对R的结果有无影响？为什么？提示：对实验结果没有影响。 因为两个同心圆的直径的平方差等于弦的平方差 。要求作图，写出证明过程，用勾股定理证明图A中是否能成立？3如果待测透镜是平凹透镜，观察到的干涉条纹将是怎样的？Rdn=1H图B提示：根据图B分析，可得明暗相间的同心干涉圆条纹，边缘条纹级次最低，越往中间条纹级次越高，空气厚度增加越慢，条纹越来越稀。平凹透镜之间是空气n=1时，中心位置的光程差为/2奇数倍时为暗环，光程差为整数倍时为亮环。4为什么明暗相间的牛顿圆环纹不等间距？提示：牛顿环是由入射光线和反射光线叠加形成干涉条纹，越往边缘部位， 上下两层膜厚d的减小率增大，则两束光波光程差的变化率加大（因为其光程差的变化率等于2倍膜厚的变化率，即d=2d d）。又因为形成明条纹的光程差是波长的整数被，形成暗条纹的光程差是半波长的奇数倍（即明、暗条纹的产生都与光程差有关），所以光程差的变化率越大，明条纹或暗条纹就越密了。 或 牛顿环暗环纹有，越往边缘部位，r越大，暗纹半径变化率减小，则暗条纹的间距越密。5本实验的牛顿环纹与迈克尔逊环纹有什么区别？提示：引起光程差变化的原因不相同。牛顿环是等厚干涉，光程差由空气膜的厚度形成的；空气膜越厚则光程差越大；同一厚度时，为同一级条纹；以接触点为中心的一组明暗相间、内疏外密的圆环；越靠近中心，圆环级数越低。迈克尔逊干涉是等倾干涉，光程差是由光源光线的入射角度造成的；也是一组明暗相间、内疏外密的同心圆环；但距离中心点越远，角度越大，光程差越小，圆环级数越低；而越靠近中心，级数越高，条纹间距变大。6用氦氖激光器发出的波长为633 nm的单色光做牛顿环实验，测得第k个暗环的半径为5.63 mm，第k + 5暗环的半径为7.96 mm，求平凸透镜的曲率半径R。提示：要统一单位1mm=106nm，。（1mm=103m=106nm（纳米）=107A（埃）7为什么只能在很小的劈尖上方才可以观察到清晰的干涉条纹？提示：很小时，一束垂直入射光束在劈尖上方有两反射光相干，相邻亮纹或暗纹间距。若太大，则条纹太密，间距b太小，不能清晰地观察干涉条纹，所以只能在很小的劈尖上方才可以观察到清晰的干涉条纹。8有一玻璃劈尖，放在空气中，劈尖夹角 = 8 10-5 rad，用波长 = 5.89 10-4 mm 的单色光垂直入射时，测得干涉条纹的宽度b = 2.4 mm，求玻璃的折射率。（提示： ）补充题1、劈尖干涉条纹的疏密密度是否均匀？从理论上加以解释。提示：光滑平直均匀的劈尖干涉，相邻亮纹或暗纹间距密度是均匀的。相邻亮