牛顿环-光的等厚干涉的应用

1、-. z.实验十九 光的等厚干预的应用【预习思考题】光的干预条件是什么？附加光程差产生的条件是什吗？什么是等候干预？说出你所知道的测量微小长度的方法。光的干预是光的波动性的一种表现。假设将同一点光源发出的光分成两束，让它们各经不同路径后再相会在一起，当光程差小于光源的相干长度，一般就会产生干预现象。干预现象在科学研究和工业技术上有着广泛的应用，如测量光波的波长，准确地测量长度、厚度和角度，检验试件外表的光洁度，研究机械零件内应力的分布以及在半导体技术中测量硅片上氧化层的厚度等。牛顿环、劈尖是其中十分典型的例子，它们属于用分振幅的方法产生的干预现象，也是典型的等厚干预。【实验目的】观察和研究等厚

2、干预现象和特点。学习用等厚干预法测量平凸透镜曲率半径和薄膜厚度。熟练使用读数显微镜。学习用逐差法处理实验数据的方法。【实验仪器】测量显微镜，钠光光源，牛顿环，劈尖。【实验原理】牛顿环图1 牛顿环干预光路图1.读数鼓轮 2.物镜调节螺钉 图1 牛顿环干预光路图1.读数鼓轮 2.物镜调节螺钉 3.目镜 4.钠光灯 5.平板玻璃 6.物镜 7.反射玻璃片 8.平凸凹透镜 9.载物台 10.支架牛顿环装置是由一块曲率半径较大的平凸玻璃透镜，将其凸面放在一块光学玻璃平板平晶上构成的，如图2所示。平凸透镜的凸面与玻璃平板之间形成一层空气薄膜，其厚度从中心接触点到边缘逐渐增加。假设以平行单色光垂直照射到牛顿

3、环上，则经空气层上、下外表反射的二光束存在光程差，它们在平凸透镜的凸面相遇后，将发生干预。其干预图样是以玻璃接触点为中心的一系列明暗相间的同心圆环如图3所示，称为牛顿环。由于同一干预环上各处的空气层厚度是一样的，因此称为等厚干预。图2 牛顿环干预原理图图3 干预圆环与级条纹对应的两束相干光的光程差为 ： (1)为第级条纹对应的空气膜的厚度，为附加光程差。由干预条件可知，当=()0，1，2，3，. 时，干预条纹为暗条纹，即， ，得： 2设透镜的曲率半径为，与接触点相距为处空气层的厚度为，由图2所示几何关系可得：，由于，则可以略去 3由(2)和(3)式可得第级暗环的半径为： 4由(4)式可知，如果

4、单色光源的波长，只需测出第级暗环的半径，即可算出平凸透镜的曲率半径；反之，如果，测出后，就可计算出入射单色光波的波长。但是由于平凸透镜的凸面和光学平玻璃平面不可能是理想的点接触；接触压力会引起局部弹性形变，使接触处成为一个圆形平面，干预环中心为一暗斑；或者空气间隙层中有了尘埃等因素的存在使得在暗环公式中附加了一项光程差，假设附加厚度为有灰尘时，受压变形时则光程差为，由暗纹条件，得，将上式代人4得：上式中的不能直接测量，但可以取两个暗环半径的平方差来消除它，例如取第环和第环，对应半径为， -；-；两式相减可得： 5所以透镜的曲率半径为： (6)又因为暗环的中心不易确定，故取暗环的直径计算 7由上

5、式可知，只要测出与分别为第与第条暗环的直径的值，就能算出或。劈尖将两块光学平玻璃叠合在一起，并在其中一端垫入待测的薄片或细丝，则在两块玻璃片之间形成一空气劈尖。当用单色光垂直照射时，和牛顿环一样，在空气劈尖上、下两外表反射的两束相干光发生干预如图4所示，其干预条纹是一簇间距相等，宽度相等切平行于两玻璃片交线即劈尖的棱的明暗相间的平行条纹，如图5所示。图5 劈尖干预条纹图4 劈尖干预原理图图5 劈尖干预条纹图4 劈尖干预原理图由暗纹条件 =0，1，2，. 8可得，第级暗纹对应的空气劈尖厚度为；第+1级暗纹对应的空气劈尖厚度为，两式相减得 9上式说明任意相邻的两条干预条纹所对应的空气劈尖厚度差为。

6、又此可推出相隔个条纹的两条干预条纹所对应的空气劈尖厚度差为；再由几何相似性条件可得待测薄片厚度为 10实验中，假设取为最左侧劈尖暗条纹的左侧坐标，为最右侧劈尖条纹右侧坐标，为个条纹间的距离，它们可由读数显微镜测出。则： 11【实验仪器介绍】读数显微镜如图6所示，读数显微镜的主要局部为放大待测物体用的显微镜和读数用的主尺和附尺。转动测微手轮，能使显微镜左右移动。显微镜有物镜、目镜和十字叉丝组成。使用时，被测量的物体放在工作台上，用压片固定。调节目镜进展视度调节，使叉丝清晰。转动调焦手轮，从目镜中观察，使被测量的物体成像清晰，调整被测量的物体，使其被测量局部的横面和显微镜的移动方向平行。转动测微手

7、轮，使十字叉丝的纵线对准被测量物体的起点，进展读数读数由主尺和测微等手轮的读数之和。读数标尺上为刻线，每一格的值为，读数鼓轮圆周等分为格，鼓轮转动一周，标尺就移动一格，即，所以鼓轮上每一格的值为。为了防止回程误差，应采用单方向移动测量。1.目镜2.锁紧圈 3.锁紧螺丝4.调焦手轮 5.镜筒支架6.物镜7.弹簧压片8.台面玻璃 9.旋转手轮 10.反光镜11.底座 12.旋手 13.方轴 14.接头轴 15.测微手轮 16.标尺图6 读数显微镜构造图2钠光光源灯管内有两层玻璃泡，装有少量氩气和钠，通电时灯丝被加热，氩气即放出淡紫色光，钠受热后汽化，渐渐放出两条强谱线和，通常称为钠双线，因两条谱线

8、很接近，实验中可认为是比拟好的单色光源，通常取平均值作为该单色光源的波长。由于它的强度大，光色单纯，是最常用的单色光源。使用钠光灯时应注意：1灯点燃后，需等待一段时间才能正常使用起燃时间约。2每开、关一次对灯的寿命有影响，因此不要轻易开、关。另外，在正常使用下也有一定消耗，使用寿命只有，因此应作好准备工作，使用时间集中。3开亮时应垂直放置，不得受冲击或振动。【实验内容】1利用牛顿环测平凸透镜曲率半径1将牛顿环放置在读数显微镜工作台毛玻璃中央，并使显微镜镜筒正对牛顿环装置中心，点燃钠光灯，使其正对读数显微镜物镜的反射镜。2调节读数显微镜调节目镜：使分划板上的十字刻线清晰可见，并转动目镜，使十字刻

9、线的横刻线与显微镜的移动方向平行。调节反射镜：使显微镜视场中亮度最大，这时根本满足入射光垂直于待测透镜的要求。转动手轮：使显微镜筒平移至标尺中部，并调节调焦手轮，使物镜接近牛顿环装置外表。对读数显微镜调焦：缓缓转动调焦手轮，使显微镜筒由下而上移动进展调焦，直至从目镜视场中清楚地看到牛顿环干预条纹且无视差为止；然后再移动牛顿环装置，使目镜中十字刻线交点与牛顿环中心大致重合。3观察条纹的分布特征。4测量暗环的直径。转动读数显微镜读数鼓轮，同时在目镜中观察，使十字刻线由牛顿环中央缓慢向一侧移动至25环然后退回第24环，自第24环开场单方向移动十字刻线，每移动一环记下相应的读数直到第15环，然后再从同

10、侧第14环开场摇到第1环；穿过中心暗斑，从另一侧第1环开场依次数到第14环，然后从第15环开场读数直至第24环。并将所测数据记入数据表格中。2.利用劈尖测量薄片的厚度1 将牛劈尖放置在读数显微镜工作台毛玻璃中央，并使显微镜镜筒正对劈尖装置中心，点燃钠光灯，使其正对读数显微镜物镜的反射镜。2调节读数显微镜调节目镜：使分划板上的十字刻线清晰可见，并转动目镜，使十字刻线的横刻线与显微镜的移动方向平行。调节反射镜：使显微镜视场中亮度最大。转动手轮：使显微镜筒平移至标尺中部，并调节调焦手轮，使物镜接近劈尖装置外表。对读数显微镜调焦：缓缓转动调焦手轮，使显微镜筒由下而上移动进展调焦，直至从目镜视场中清楚地

11、看到装置干预条纹且无视差为止；然后再移动劈尖装置，使目镜中十字刻线纵线与劈尖条纹平行。3观察条纹的分布特征。4 测量劈尖厚度。从最左侧的暗条纹开场，从左向右依次读出10个暗条纹对应的读数注意不要回程。读数时，使目镜中的十字刻线纵线与暗条纹左侧相切。用目镜中的十字刻线纵线最左侧暗条纹左侧相切，记下坐标，转动显微镜手轮直至到最后一个条纹，并使目镜中的纵向叉丝与最后侧条纹右侧相切注意不要回程，记下坐标，则，并将纪录数据填表。【考前须知】1牛顿环仪、劈尖、透镜和显微镜的光学外表不清洁，要用专门的擦镜纸轻轻揩拭。2读数显微镜的测微鼓轮在每一次测量过程中只能向一个方向旋转，中途不能反转。3当用镜筒对待测物聚焦时，为防止损坏显微镜物镜，正确的调节方法是使镜筒移离待测物即提升镜筒。【数据记录及处理】1数据处理：根据计算式，对，分别测量次，因而可得个值，于是有，我们要得到的测量结果是。下面简要介绍一下的计算。由不确定度的定义知，其中，A分量为 B分量为 为单次测量的B分量由显微镜的读数机构的测量精度可得mm于是有 ；仿照上述分析过程，自己进展劈尖测量数据分析。2数据记录表1用牛顿环测透镜的曲率半径附表：用牛顿环测透镜的曲率半径数据记录表分 组12345678910级 数mi242322