双棱镜干涉装置的改进

双棱镜干涉实验装置的改进研究——李海滨，张波，李嫣然摘要：本文对双棱镜实验进行了改进，采用He-Ne激光器、扩束器和两个偏振片组成的光强调节器代替钠光灯和原光细缝，使干涉图样较之以前更清晰，简化了实验操作，光路调节更加比较方便，并对He-Ne激光器作光源的可行性进行了科学的论证。关键词：He-Ne激光双棱镜干涉实验偏振片扩束镜一.引言双棱镜干涉实验是大学物理实验中重要光学实验之一，它是利用双棱镜对光波折射二次成像获得两个虚相干光源，使产生的两束光波发生干涉。双棱镜干涉实验装置简单,原理易懂,但初学者容易出现调节失败、图样不清及测试者眼睛疲劳等问题。钠光灯是非相干光源，其作为光源是造成以上问题的主要原因。钠光灯光强太弱,在调节光具共轴时不易观察,增加了仪器调整的困难。激光能量集中，对于光路的调节很有好处，但如果对激光不进行处理，直接用肉眼观察干涉图样或虚光源成的实像，往往会造成操作者眼睛的伤害许多的实验人员尝试改进这个实验装置，比如用半导体激光或He-Ne激光代替钠光，虽然都采用了一定的方法对激光进行了处理，但都存在一定的不足。针对这个问题笔者进行了反复的实验和研究，充分用现有的实验器材，利用偏振原理，用两个偏振片组成光强连续衰减器，成功地解决了这个问题，在实验中取得了很好的效果。二.实验原理介绍这个实验之前，下面回顾一下原有的实验装置。如图一所示，双棱镜是有两个棱角很小（小于1°）的直角棱镜组成。自S发出的光波经双棱镜的折射，将波振面分为不同方向传播的两部分，如同由两个虚光源S1和S2发出的一样，在两重叠区域内发生干涉，就可以在观察屏上看到明暗相间的干涉条纹。实验时需测出光源S到干涉区域中某一平面M的距离D，并利用测微目镜测出M面相邻条纹的间距△x,使用二次成像法测出S1和S2的间距。双棱镜干涉实验类似于杨氏双缝干涉实验，利用λ=(d/D)·△x，从而可以求出微米数量级的光波波长S1S111S222dSD△x图一实验原理图 二.改进的实验装置改进的装置由He-Ne激光器、两个偏振片组成的光强调节器、扩束器、双棱镜及移动支架、测微目镜、凸透镜、光具座组成，实验装置如图1所示。7.测微目镜6.二次成像透镜5.透镜4.双棱镜1.He-Ne激光2.偏振片7.测微目镜6.二次成像透镜5.透镜4.双棱镜1.He-Ne激光2.偏振片P1P23.扩束器图二改进的实验装置示意图(1)He-Ne激光器He-Ne激光器替代钠光灯作为双棱镜干涉实验测波长实验的光源，它具有单色性好、相干性强、能量集中和方向性好等特点。He-Ne激光器作为双棱镜干涉实验的光源，克服了钠光强弱、相干性差、调节共轴时不易观察的缺点。激光相干性强，有利于快速调节出干涉条纹；激光单色性好且亮度高，调出的干涉条纹清晰。（2）偏振片由两个偏振片组成的光强衰减器，前面的偏振片作为起偏器，使入射的自然光成为线偏振光出射，后面的偏振片是作为检偏器。线偏振光通过偏振片后的强度，其光强服从马吕斯定律。由两个偏振片组成的光强衰减器工作原理如下所述：假设入射光为自然光，入射光强为,起偏器与检偏器透振方向之间的夹角为。通过起偏器后光强,最后从检偏器出射的光强。当固定不动时，转动时，通过的光强随着而改变。当时透射光强最大，随着增大透过的光强逐渐减小，当透过的光强为零。这样可以根据实验的要求，实现光强从零到最大连续调节。例如在共轴调节是要求光强大，在观察干射条纹是要求光强较弱。这点不同于其它使用激光器做光源实验装置。(3)扩束器He-Ne激光器对光束起扩展作用。由于激光束非常的细，可以近似的看成一条光线，激光束通过扩束镜扩束，打在双棱镜上才能观察的干涉现象；否则由于激光光束太细，经双棱镜的上部折向下，而在下部折向上，折射的两光束在光屏上不相遇，观察不到现象。激光束是平行光束，扩束后是球面波,它一定有发射中心,它的中心就是扩束镜的焦点.这样,我们就用点光源代替了原来的线光源。不仅使干涉条纹图样清晰规整了,而且使仪器调节也简化了。在没改进之前,调节单缝与双棱镜棱铅直平行且同心是较麻烦的。（4）双棱镜当光源发出的一束光波经双棱镜的折射，产生两束相重叠的相干光，这两束相干光好像是从处于同一平面上的虚光源和发出的一样。在两束光的相重叠的区域内产生明暗的干涉条纹。（5）凸透镜凸透镜5的作用是汇聚干涉图样，凸透镜6插到双棱镜和测微目镜之间，用二次成像法测虚光源间距d和虚光源与光屏之间的距离D。通过测量两虚光源所成实像之间的距离，代入公式和（t是两次成像透镜移动的距离）求解。（6）测微目镜用于观察双棱镜干涉现象，测量明暗条纹间距Δx，测量虚光源的像距。测微目镜对光有汇聚作用，要求观察干涉条纹和像的亮度要小。本实验装置的光强连续调节很好的适应了这一实验要求。三.实验装置改进的优点采用改进的实验装置进行实验,降低了实验调节难度,方便了实验调节，明显缩短了时间,干涉现象清晰可见。改进后的实验具有以下几个优点:(1)所得到的干涉条纹数量多、条纹明暗反差大。整个测微目镜的视场内都可看到清晰的条纹,在可进行测量的范围内可看到30余条。(2)改进的实验装置去掉了狭缝，免除了狭缝与棱脊平行调节的操作，简化了实验操作，节省了操作者的时间和精力。（3）改进后的装置中有两个偏振片，在共轴调节时、寻找虚光源成的像时，调小偏振片的夹角将激光亮度调大，可用白纸接收观察激光斑或是二次成像时两虚光源所成的清晰实像；方便共轴调节和图像的寻找。在观察干涉图样、测量明暗条纹间距和两虚光源所成实像间距时，调大偏振片夹角，将激光削弱至可以直接观察图样。这样，可根据需要，从零到最大连续调节光强。(4)因为激光方向性好,亮度大,所以学生可在明亮通风的实验室内做此实验，对室内的光线要求低。四.改进前后实验结果对比改进的实验装置不仅简化了实验操作，降低了实验的难度，使实验的可操作性增强，缩短了实验时间，而且试验结果的精确度也有了明显的提高。笔者运用新旧两种实验装置进行了实验，得到下面的试验结果：试验次数12345678910平均改进前测测相对误差（%）4.324.164.304.284.424.514.244.334.314.304.32改进后测量相对误差（%）1.341.461.531.291.371.421.511.301.441.271.26表一改进前后试验结果对比表从表一可以看出改进后实验的相对误差有了明显的减小，改进后的试验相对误差是改进前的大约是三分之一，实验结果的精确度得到了很大的提高。经多次试验验证改进后的实验装置使实验操作难度降低，精度得到明显提高，效果良好。五.结束语通过在He-Ne激光器前面加两个偏振片和扩束器等措施，实现了He-Ne激光替代钠光进行双棱镜干涉法测量光波波长实验。在这之前笔者查阅了大量的关于双棱镜干涉实验改进的文献，有的改经方案中也运用了激光器，但都存在同样的一个问题就是激光的强度过大，在用测微目镜观察干涉条纹和与的像时对眼睛刺激大。如鲍丽莎等人采用去掉半导体激光器的聚光透镜和利用镀膜狭缝的方法，但实验对激光器造成了一定的损坏，还需要调节狭缝和棱脊平行，这个操作比较麻烦。万国章在实验的改进中使用了减光板，用读数显微镜替代测微目镜，在观察干涉现象和测量两虚光源实像距时，使用不同黑度的减光板，需要在实际的实验过程中选择出合适的黑度，需要一定的实验经验。本实验装置在激光器的后面加了两个偏