激光双棱镜干涉实验研究性报告

1、基础物理实验-研究性报告（激光干涉） 基础物理实验研究性报告 激光双棱镜/劳埃镜干涉实验（分波面法） 第一作者：赵麒 学号：14271140 第二作者：姜惠雯 学号：14011142 目录摘要2一、实验目的2二、实验原理21、菲涅耳双棱镜干涉22、劳埃镜干涉4三、实验方案51、光源选择52、测量方法53、光路组成6四、实验仪器6五、实验内容61、各光轴元件共轴调节6（1）调节激光束平行于光具座6（2）调双棱镜或劳埃镜与光轴平行7（3）粗调测微目镜和其他元件等高共轴7（4）粗调凸透镜与其他元件等高共轴7（5）用扩束镜使激光束变成点光源7（6）用二次成像法细调凸透镜和测微目镜等高共轴7（7）干涉条

2、纹调整82、波长的测量8（1）测条纹间距x8（2）测量虚光源缩小像间距b及透镜物距S8六、数据处理8七、误差分析11八、实验改进建议11九、实验收获及感想13摘要：两束光波产生干涉的必要条件事：1、频率相同，2、振动方向相同，3、相位差恒定。尽管干涉现象多种多样，但是为了满足上述的相干条件，总是把由同一光源发出的光分为两束或者两束以上的相干光，使它们经过不同的路径再次相遇而产生干涉。产生相干光的方式分为以下两种：分波阵面法和分振幅法。菲涅耳双棱镜干涉和劳埃镜干涉均属于分波面阵法。下面通过对实验结果误差分析，方案改进建议，更好的理解分波阵面法干涉。关键词：激光干涉、实验误差分析、实验改进一、 实

3、验目的1、熟悉掌握等高共轴调节的方法和技术；2、用实验研究菲涅耳双棱镜干涉和劳埃镜干涉并测定单色光波长；3、学习用激光进行实验时的调节方法；4、学会消视差和空程误差。二、实验原理1、菲涅耳双棱镜干涉菲涅耳双棱镜可以看成是有两块底面相接、棱角很小的直角棱镜合成。若置单色光源S0于双棱镜的正前方，则从S0射来的光束通过双棱镜的折射后，变为两束相重叠的光，这两束光仿佛是从光源S0的两个虚像S1和S2射出的一样。由于S1和S2是两个相干光源，所以若在两束光相重叠的区域内放置一个屏，即可观察到明暗相间的干涉条纹。如图所示，设虚光源S1和S2的距离是a，D是虚光源到屏的距离。令P为屏上任意一点，r1和r2

4、分别为从S1和S2到P点的距离，则从S1和S2发出的光线到达P点得光程差是：L= r2-r1令N1和N2分别为S1和S2在屏上的投影，O为N1N2的中点，并设OP=x，则从S1N1P及S2N2P得：r12=D2+(x-)2 r22=D2+(x+)2两式相减，得：r22- r12=2ax另外又有r22- r12=(r2-r1)(r2+r1)=L(r2+r1)。通常D较a大的很多，所以r2+r1近似等于2D，因此光程差为：L=如果为光源发出的光波的波长，干涉极大和干涉极小处的光程差是：L= = k (k=0,±1, ±2,) 明纹= (k=0,±1, ±2,

5、) 暗纹由上式可知，两干涉条纹之间的距离是：x=所以用实验方法测得x，D和a后，即可算出该单色光源的波长=x2、劳埃镜干涉劳埃镜实验是由一块普通的平板玻璃构成的反射镜实现分波前干涉。缝光源S与反射镜面MN平行，来自缝光源的光向反射镜掠入射（即入射角接近90度），再从反射镜反射，这部分反射光与从S直接射过来的光时从同一波前分出来的，所以它们是相干的，在两光波重叠区域内产生干涉，从观察者来看，两相干光分别来自S和S',S'是光源S在反射镜中的虚像。 从上图中可以看到，在屏幕P上看不到波程差为零的干涉条纹，除非将屏幕移到N点。又由于空气是光疏介质，玻璃板是光密介质，光波由光

6、疏介质射向光密介质的表面时，在镜面反射过程总要产生半波损失现象，即相位突变的数值为，故在N点观察到的暗点，同理在屏幕P上本来是亮点的地方由于半波损失而变成了暗点。 现在更具波动理论中的干涉条件来讨论光源（其中一个为虚光源S和S'所发出的光在屏上产生的干涉条纹的分布情况。如上图，设光源S与S¢的距离为a，D是虚光源到屏的距离。令P为屏上的任意一点，r1和r2分别为从S和S'到P点的距离，则S和S'发出的光线到达P点的路程差是：L= r2-r1接下来和双棱镜干涉同理，可得到条纹间距为x=实验测得x，D和a后，则可以得到该单色光的波长=x三、实验方案1、光

7、源的选择当双棱镜（劳埃镜）与屏的位置确定之后，干涉条纹的间距x与光源的波长成正比。为了获得清晰的干涉条纹，本实验采用单色光源，如激光、钠光等。2、测量方法条纹间距x可直接用侧位目镜测出。虚光源间距a用二次成像的方法测得：当保持物、屏位置不变且间距D大于4f时，移动透镜可在其间的两个位置成清晰的实像，一个是放大像，一个是缩小像。设b为虚光源缩小像间距，b为放大像间距，则两虚光源的实际距离为a=，其中b和b由测微目镜读出，同时根据两次成像的规律，若分别测出呈缩小像和放大像时的物距S、S，则物到像屏之间的距离D=S+S。根据波长的计算公式，得波长和各测量值之间的关系是：=3、光路组成S K B P

8、E具体的光路如图所示，S为半导体激光器，K为扩束镜，B为双棱镜（劳埃镜），P为偏振片，E为测微目镜。L为测虚光源间距a所用的凸透镜，透镜位于L1位置将使虚光源S1S2在目镜处成方大像，透镜位于L2处将使虚光源在目镜出成缩小像。所有光学元件都放在光具座上，光具座上附有米尺刻度读出各元件的位置。四、实验仪器光具座，双棱镜，劳埃镜，测微目镜，凸透镜，扩束镜，偏振片，白屏，可调狭缝，半导体激光器。五、实验内容1各光学元件的共轴调解（1)调节激光束平行于光具座沿导轨移动白屏，观察屏上激光光点的位置是否改变，相应调解激光方向，直至在整根导轨上移动白屏时光点的位置不再变化，至此激光光束与导轨平行。（2)调双

9、棱镜或劳埃镜与光源共轴双棱镜干涉：将双棱镜插于横向可调支座上进行调节，使激光点打在棱脊正中位置，此时双棱镜后面的白屏上应观察到两个等亮并列的光点（这两个光点的质量对虚光源像距b及b的测量至关重要）。此后将双棱镜置于距激光器约30cm的位置。劳埃镜干涉：将劳埃镜放到导轨上，使劳埃镜面尽量与导轨平行，然后在白屏上观察到双光点，再微调劳埃镜，使双光源灯亮且相距较近。（3)粗调测微目镜与其它元件等高共轴将测微目镜放在距双棱镜约70cm处，调节测微目镜，使光点穿过其通光中心。此时激光尚未扩束，决不允许直视测微目镜内的视场，以防激光坐灼伤眼睛。（4)粗调凸透镜与其他元件等高共轴将凸透镜插于横向可调支座上，

10、放在双棱镜后面，调节透镜，使双光点穿过透镜的正中心。（5)用扩束镜使激光束变成点光源在激光器与双棱镜之间距双棱镜20cm处放入扩束镜并进行调节，使激光穿过扩束镜。在测微目镜前放置偏振片，旋转偏振片是测微目镜内视场亮度适中。（6)用二次成像法细挑凸透镜与测微目镜等高共轴通过“大像追小像”，不断调节透镜和测微目镜位置，直至虚光源大、小像的中心与测微目镜叉丝重合。（7)干涉条纹调整去掉透镜，适当微调双棱镜，使通过测微目镜观察到清晰的干涉条纹。2波长的测量（1)测条纹间距x连续测量20个条纹的位置xi 。如果视场内干涉条纹没有布满，则可对测微目镜的水平位置略作调整；视场太暗可旋转偏振片调亮。（2)测量

11、虚光源缩小像间距b及透镜物距S测b时应在鼓轮正反向前进时，各做一次测量。注意：i)不能改变扩束镜、双棱镜级测微目镜的位置；ii)用测微目镜读数时要消空程。3)用上述同方法测量虚光源放大像间距b及透镜物距S六、数据处理(1)原始数据表格1、激光双棱镜干涉扩束镜位置： 115.00cm测微目镜： 26.80cm1) 条纹位置（单位mm, = Xi+10-Xi）i12345678910Xi7.9757.7957.5647.2797.0156.8326.6566.4786.2325.987i11121314151617181920Xi+105.4625.2435.0364.8074.5934.3754

12、.2583.9313.6983.4922.5132.5522.5282.4722.4222.4572.4982.5472.5342.4952)成放大像和缩小像的物距S和S，单位cm；测微目镜中缩小像和放大像间距b和b（单位mm）Sb =|b1-b2|Sb=|b1-b2|从左到右 60.606.384-4.98931.606.251-2.158从右到左60.60|4.950-6.395|31.60|2.187-6.291|平均值 60.601.42031.604.098(2)数据处理用逐差法计算条纹间距x以及求其不确定度：激光波长的计算以及其不确定度的计算：2、激光劳埃镜干涉实验中对方法掌握不当

13、，因而实验并未来得及做出来，故在后面的实验改进和总结里会对劳埃镜干涉进行研究和讨论。七、误差分析1、等高共轴调节过程中和后续观察测量中，由于仪器存在一定的误差，导致调节过程中误差传递；2、实验中，采用二次成像法测虚光源间距时，对放大像和缩小像的判断存在视差，以致后面测出的虚光源间距存在一定的误差；3、测微目镜中的放大像、缩小像呈现光斑，在测定b,b过程中，光斑中心判断不一致，对后面b、b的值测量有影响，故结果自然有一定的误差；八、实验改进建议1、激光双棱镜干涉(1)将测微目镜移到较远的位置，测微目镜清晰看见干涉条纹的条件下，尽量增大扩束镜到双棱镜的距离，以达到增大两虚光源实际距离a，减小a的相

14、对误差，同时可以使测微目镜里出现更多干涉条纹，方便测量并且提高条纹间距的测量精度；(2)测量尽可能多的干涉条纹数，减小条纹间距测量存在的误差；(3)类似虚光源间距a测量方法（共轭法），测量D同样也采用这种方法，实验过程中，记录两次成像的数据b,b以及两次成像透镜移动的距离l,然后利用求出D，在后续的计算中，这样的测量方法可以修正系统误差，保证结果准确性；(4)登高共轴调节这个过程对整个实验的进行至关重要，改进调节工具，将各个元件的调节处采用摇柄式，这样可以减少手直接操纵元件所存在的不确定性和不方便性，提高了等高共轴调节的质量。2、激光劳埃镜干涉 (1)控制激光束和劳埃镜存在一定的缝隙（1mm左

15、右，过大过小都会对干涉条纹的形成、数目多少、清晰度有影响）；(2)扩束镜放置有要求，书上要求间隔劳埃镜20cm，我们在这里进行改进，让扩束镜紧挨着垂直的劳埃镜（或者扩束镜和劳埃镜的距离保持一个很小的范围）这样有利于激光在经过扩束镜后，光损减少，更多的掠入射劳埃镜，然后形成清晰稳定的干涉条纹；(3)D的测量方法采用虚光源间距测量的方法（共轭法），减小系统误差。由于之前实验操作不当和时间有限，故第一次没测出，第二次去申请利用一以上根据所查资料改进的方法进行实验，实验成功进行，并且得出以下数据：劳埃镜改进实验原始数据： 1)（扩束镜位置：96.15cm，测微目镜：14.90cm）2) 条纹位置（单位

16、mm, = Xi+10-Xi）i12345678910Xi1.7421.9792.2102.4472.6572.8403.1803.4103.6233.945i11121314151617181920Xi+104.1944.4384.6924.9005.2005.4055.6495.9536.1586.4542.4522.4592.4822.4532.5432.5652.4692.5432.5352.5092)成放大像和缩小像的物距S和S，单位cm；测微目镜中缩小像和放大像间距b和b（单位mm）Sb =|b1-b2|Sb=|b1-b2|从左到右 51.895.242-3.89134.495.6

17、84-2.090从右到左51.89|4.061-5.420|34.49|2.092-5.682|平均值 51.891.35534.493.596(2)数据处理用逐差法计算条纹间距x以及求其不确定度：激光波长的计算以及其不确定度的计算：（通过查询资料和对劳埃镜原理的分析，改进后的方案不仅对实验顺利进行起到了重要的作用，而且测量出数据的准确性也比较高。）九、实验收获及感想 光学实验，其实初中时候就接触过，觉得挺有意思。但是顺利做好光学实验并没有自己想象中的那么容易。虽然在实验前，做好了课前预习，对课本上的细节方面都仔细的预习了一遍，到实验室后，发现很多仪器的摆放和调整都是细活，在老师的指导下，了解了各个仪器的使用方法和实验的基本测量方法。俗话“师傅领进门，修行靠个人”，进行实验中总能发现自己还是很多地方不熟，在等高共轴的调节中，发现调节起来其实挺考验自己的动手能力，做到慢、细、精。特别是在劳埃镜实验中，这个更能体现出来。实验完之后也就是数据处理，这也是个考验自