FP標準具試驗講義

1、YCB型F-P標準具特性研究及 高準確度波長測定儀實驗講義長春禹衡時代光電科技有限公司本企業(yè)通過IS09001: 2008質量管理體系認證一、實驗目的 1二、實驗儀器和用具 1三、實驗原理及儀器結構 1四、實驗步驟 5五、注意事項 101一、實驗目的1、了解并掌握F-P標準具干涉圓環(huán)的調節(jié)；2、F-P標準具特性研究：（1）測量自由光譜區(qū)；（2）計算干涉條紋細度；（3）繪制干涉環(huán)直徑的平方與氣壓的關系曲線。3、利用小數重合法三波長準確測 F-P標準具的間隔；4、由F-P標準具間隔的厚度定未知譜線波長；5、 與塞曼效應實驗儀配合使用，準確測量磁場強度B,研究電磁 鐵的I-B關系。、實驗儀器和用具3

2、YCB型F-P標準具特性研究及高準確度波長測定儀，塞曼效應實 驗儀（第5項實驗用）。三、實驗原理及儀器結構1、實驗原理小數重合法求解&的二次方程圖1儀器原理示意圖如圖1所示，光源1與光源2發(fā)出的光分別經反射鏡透射與反射后合為一組光，合光經透鏡1后變?yōu)槠叫泄?，一部分光譜經濾光片后 被濾掉，某一波長為 入的漫射單色光經間隔為 d的F-P標準具后， 在成像物鏡的焦面上形成直徑為 Di的一系列同心圓環(huán)，這就是我們 所要獲得的干涉圓環(huán)。設圓環(huán)Di對應的F-P標準具出射光束與對稱軸 的夾角為0,它與Di的關系為：cos2r = (1 Dj2/(4f2)-1 。設在干涉圖樣中由內向外第一個亮環(huán)的干涉

3、級次為正整數ko,直徑為Di的亮環(huán)對應級次依次為ki=ko+i (i= -1,-2,-3)，圓環(huán)中心D=0ki7 22dko -；處所對應的干涉級次為ko+s=2d/A &為正小數，可得:(1)整理后可得:i2i 3弋噲-4k?"一般有/k° ：二：1及-i/ko<<1，文獻中僅給出保留到一階小量的近似式，對于現代通常的儀器條件及實際測量要求，宜給出保留到(i/ko)2項的近似式:Dj2 =8f28f2k0 I 2k0 丿 k0 I k0 丿1i竺1k02 k0i2對于多個已知波長 M j=1,2,3,)計算出對應干涉圓環(huán)級次的小 數部分 恥雖然級次整數

4、部分 心尚未確知，但其為一定范圍內的正整 數。對選定的合適波長用小數重合法可求出滿足下式的標準具間隔d:d專5 j j準直線模型的加權回歸為簡化計算，引入新變量r二1-1.5 i，式中k取k0的近似估計值。 由于修正項的誤差影響是高階小量，i*仍可看作是誤差為 0的準確 值”式可改寫為：8f2ko 12 8f2首先找到同一波長下的內外側各三組同心圓環(huán)，在每個圓環(huán)上分 別采集8組點位坐標，利用我們儀器配套的專用程序中圓回歸方法得 到直徑Di及其標準偏差SD，進而算出Di2和標準差sD2Di8Di 0得到以 i*為自變量、以Di2為因變量的準直線方程。標準差Sd2不相等，須作2加權回歸。因變量的權

5、因子取Wi=(SD2，對式兩邊分別乘以 応， 可得以.Wi Di2為等精密度因變量、以.W7和i* w為兩個新自變量的截 距為零的方程：WiDi2碗 b i* W，可求出干涉級次中的小數部分由截距斜率之比邑、-1-1.5b ikobi加權回歸分別得到 類不確定度s小為：:bo、b1及它們之間的相關系數rbo，貝U &的ASs S14丿lb丿關于Di2的B類不確定度，文獻中指出條紋中心點的瞄準誤差限4>0 bi；-bo bi2rb)b(8)取為條紋寬度的10%°對于一定細度F的F-P標準具，條紋全寬度對 應的波數差a為自由光譜區(qū)S的2/F倍，S對應的半徑差近似取相鄰級次條

6、紋平均間距ri-ri+1"Di-1-Di+1)/4。則條紋的細度為：F=2SVa,若 只考慮條紋中心點的瞄準誤差限，可得相應直徑平方Di2的B類不確定度分量為:Di23=2DU Di 32 Di10%2亠F 4TDi12(9)干涉級次小數& j的求解過程由千分尺或測量顯微鏡測出F-P標準具內間隔圈的厚度do求出 四組波長入的整數級次koj的近似估計值koj。利用式（6）,加權擬合求 得bo,j和bi,j,再由式、（8）,得到p Sj及其自由度吃。j的B類不確定度可由下述方法估計：對于直線 D=boj+biji*j, 由于直徑平方Di2的B類不確定度Ud2,b的存在，而使擬合直

7、線在橫軸 的交點可能有附加平移，如圖2所示。iID2jBU D2j,B1 maxk，B圖2 U汩示意圖13粗實線為擬合直線，由于UD2，E的存在，粗直線兩側的平行虛線區(qū) 間近似表示相應于 劃時E的 誤差帶”帶內的最大斜率線用細實線表 示。細實線與橫軸交點相對于粗實線與橫軸交點 （-bo/bi,O）的偏移量,近似看作p的B類不確定度分量uB。由示意圖的幾何關系可得:(10)式中ij為各波長測得級次的平均值，將s&a和u,b 3合成求得 u曠怦sa 2+Q翻，用 Welch-Satterthwaite公式由v和v求得有效 自由度（其中 v-20）:S ；A進而可得擴展不確定度：u ； =

8、t .eff , P = 0.95 U ；（12）2、儀器結構12116QQ1、平臺組；2、氦氖放電管組；3、高壓筆型汞燈組；4、反射鏡組;5、透鏡及濾光片組；6、F-P標準具組；7、磁力表座組；8、鏡頭組；9、照相機；10、氣壓計組；11、精密泄壓閥；12、抽氣泵組； 13、電源箱；14、測量望遠鏡；15、半導體激光器圖3儀器結構圖如圖3所示，該儀器是由平臺主體1、7組磁力表座7、電源箱13、光路調整工裝一半導體激光器 15及11組附件組成。四、實驗步驟（一）F-P標準具干涉圓環(huán)的調整及拍攝（如圖 3）。1、用半導體激光器15打光路，調整各組件的同軸等高。1）將半導體激光器的磁力表座 7緊靠

9、在鋼板標尺的一端并加磁, 先將激光器調整水平，且與鋼板標尺平行。2） 在鋼板標尺的另一端分別放置測量望遠鏡14、鏡頭組8、F-P 標準具組6透鏡及濾光片組5,調整它們的同軸等高。3）如圖4所示擺放光路，通過調整反射鏡組 4的升降、旋轉及俯仰（在反射鏡框和反射鏡之間墊紙條）使激光器分別在位置1及位置2時所發(fā)出的光線在通過反射鏡的中心后，光斑落在透鏡及濾光片組 的中心位置上（可將一畫有十字線的白紙貼在透鏡及濾光片組的框上， 使兩次光斑都正好落在十字線的交叉處）。位置1位疊2反射鏡組圖44）將半導體激光器的光線分別對準氦氖放電管 2及高壓筆型汞燈 3,調整氦氖放電管及汞燈的高低，使光斑落在它們的出光

10、口的中心。2、將反射鏡組、高壓筆型汞燈光源、透鏡及濾光片組按圖3所示 的位置擺好，各組件之間緊湊一些，通過微移汞燈光源和透鏡及濾光 片組，使從出光方向向透鏡及濾光片組里面觀察時，汞燈光源的黃光 均勻充滿透鏡及濾光片組，（觀察時，可輕微的晃動頭部，用一只眼對 準光路）。3、 將F-P標準具放入光路中，靠近透鏡及濾光片組，微調F-P 標準具的前后位置及轉角，從出光方向向 F-P標準具內觀察，能看到 清晰的干涉圓環(huán)，（觀察時用一只眼對準光路，輕微晃動頭部），若此 時干涉環(huán)不全，可微動汞燈光源的位置，及高低。4、將鏡頭組8放入光路中，將焦距調到150mm鏡頭前端與F-P 標準具的調整手輪端面之間約有

11、8mm勺距離，將照相機9安放在鏡頭 組上，將鏡頭蓋取下，將相機開機，從相機顯示屏上觀察干涉圓環(huán)。 如干涉環(huán)不在顯示屏的中心位置，可通過調整兩個磁力表座的相對位 置及升降來調整鏡頭的轉角及俯仰，使干涉環(huán)大致在顯示屏的中央。5、此時，觀察一下干涉圓環(huán)的亮度是否均勻， 若不均勻就調整一 下汞燈光源的位置及高低，使圓環(huán)的亮度均勻。6微調鏡頭組前端的對焦環(huán)，使兩干涉環(huán)能清晰的成像，并明顯 的分開。7、如果此時相機顯示屏上的兩干涉圓環(huán)不夠細銳，不夠清晰就微 調F-P標準具和透鏡及濾光片組的轉角，使干涉環(huán)盡可能清晰。8、若干涉環(huán)還是不夠清晰，就微調F-P標準具上的三個調整手輪 （三手輪要相互配合的調整），找

12、到干涉圓環(huán)最清晰的位置，此時再微調鏡頭的對焦環(huán)，使干涉環(huán)成像更清晰（在此調整的過程中，可用相 機拍照，然后放大圖片，看清晰的程度）。9、反復進行第8步調整，直到調到干涉環(huán)最清晰，然后將各組件 的鎖緊機構鎖死，將磁力表座的扳手扳到“ ON。10、將氦氖放電管光源放入光路中，并微調它的前后、左右、轉 角位置及高低，在顯示屏上觀察，使兩光源的光亮完全重合，注意氦 氖的亮度不要過強（可通過調整氦氖與反射鏡之間的距離來調整它的 亮度。11、將汞燈光用遮光布遮上，單獨看氦氖的干涉條紋，若不能清 晰的分開兩干涉環(huán)，就再次調整氦氖的位置。直到在相機顯示屏上能 拍到兩個氦氖清晰均勻的干涉環(huán)為止。12、以上步驟調

13、好后，分別擋住一個光源，拍攝另一光源的干涉 環(huán)圖片，兩個光源的干涉環(huán)圖片的拍攝條件應相同，且應間隔時間盡 量小。如拍出的兩個光源的干涉環(huán)圖片有 3組完整的清晰的2條干涉 圓環(huán)，另加4組多于2/3區(qū)域清晰的2條干涉圓環(huán)，此儀器為調整結 束，否則，反復進行第 & 10、11步調整。13、接通氣壓計10的電源，待氣壓計顯示穩(wěn)定后，拍攝F-P標準 具的干涉圓環(huán)照片，并記錄拍攝時的氣壓值及溫度值。在拍攝照片時，相機按以下參數進行設置：1）拍攝模式：M2）拍攝質量：LSF RAW3）像素數：最大4）拍攝方式：延時2S5）光圈：F5.6 （根據具體情況，可略微調整）6）曝光時間：1”（根據具體情況，

14、可略微調整）（二）F-P標準具特性的研究。在Hg光源的干涉圓環(huán)照片上讀取相應的點位坐標，計算出干涉 條紋的全寬度a及自由光譜區(qū)3,根據公式a/ S=2/F，計算出干涉圓 環(huán)的細度F。坐標與直徑均以像元間隔為單位。（三）利用小數重合法三波長準確測F-P標準具的間隔do1、分別在Hg光源及He-Ne放電管光源的干涉圓環(huán)照片上讀取 2 種波長的由圓心起內外側各三組干涉圓環(huán)，每一個圓環(huán)上的 8個坐標 值（x）o2、將這些坐標值分別對應輸入儀器配套的專用程序的“ 2算D” 工作表中的C15H163的黃色背景的18行內相應位置處，C15H15、C35H 35、C55H 55、C75H 75、C95H 95

15、、C115H 115 C135H 135、C155H 155內輸入的是干涉環(huán)的級次，根據實驗數據的選取做 相應的調整。3、在“ 1算入”工作表中的相應位置處輸入拍攝干涉環(huán)照片時的 大氣參量一一“大氣壓”和“溫度值”（紅色數字，注意單位的換算）。4、查看“2算D”工作表的第CD27CD169的Sei值，當 亦0.7 時為正常結果，否則，說明數據測量不準確，就要檢查此圓環(huán)的坐標 點數據，直至合格為止。5、在“ 3求e ”工作表的C1位置處輸入上述計算的干涉圓環(huán)細度F值（此處F值的輸入數要略小于實際計算值）6在“ 4d new”工作表中的Y2AB2位置處輸入計算用波長序 號,可重復但不能為空,如&q

16、uot;1,2,3,4"，然后查看T2、V2、X2位置處的d、 d/d、 d的結果。T1處的值可按照P1格中的說明更改，使T3處顯 示為唯一解。（四）由F-P標準具間隔的厚度d定未知譜線的準確波長。1、將實驗步驟（三）中的第四條譜線作為未知譜線，但我們知道 這條譜線的粗略波長值為4，則此譜線的整數級次k04的近似估計值 04由公式04 : 2d / 4計算出。2、由“3求e ”工作表的X3位置處可以查得4的干涉圓環(huán)級次 的小數部分e，由“4d new”工作表的T2位置處可以查得d值，再 由公式4 =2d/（04 ；4）可以求出,的準確值。（五）繪制氣壓與干涉環(huán)直徑平方的關系曲線。1、

17、如圖3所示，關閉氦氖放電管光源2,只允許高壓筆型汞燈光 源3的光通過光路。2、用測量望遠鏡代替鏡頭組8及照相機9觀察干涉圓環(huán)，調整測 量望遠鏡的前后、俯仰、轉角位置及目鏡的位置，使在目鏡中能同時 看清楚十字分劃線和干涉圓環(huán)。3、將精密泄壓閥11的手輪旋松后，接通氣壓計10和抽氣泵12 的電源，待氣壓計的顯示正常后，打開抽氣泵的開關，待抽氣泵正常 工作后，將精密泄壓閥旋緊，同時觀察氣壓計的氣壓示值，待氣壓顯 示值為65KPa時，立即關閉抽氣泵的電源開關，若此時氣壓計的示值 變化的很快（每10秒鐘超過0.02KPa），請檢查精密泄壓閥的旋輪是 否旋緊。4、 用測微目鏡測量出此時同一波長的內起第二級

18、干涉圓環(huán)A和第 三級干涉圓環(huán)B的直徑DA1和DB1，同時記錄氣壓及溫度示值。5、 邊觀察干涉圓環(huán)邊慢慢旋松精密泄壓閥的旋輪進行放氣， 放氣 時，保持數顯氣壓計的氣壓每變化一次在 0.05KPa以內，待數顯表的 氣壓值變化約1.5KPa時，旋緊閥門旋輪，用測量望遠鏡測量第二級干 涉圓環(huán)A的變大的直徑，記為DAi （i=2 , 3, 4），同時記錄氣壓及溫 度示值。6、反復進行第5步，直到干涉圓環(huán)的直徑再無變化， 氣壓計顯示 為當地的正常大氣壓為止（氣壓值變化約1.5KPa是經驗值，滿足氣壓 值在65KPa-1大氣壓范圍內測量約20個數據點即可）。D2繪制出干涉環(huán)直徑的平方的函數 Y 一廠（i=1，2, 3）與dBdAi氣壓的關系曲線。（六）測量磁場強度B,研究電磁鐵的I-B關系。1、將此儀器的F-P標準具安裝在塞曼效應實驗儀上， 替換塞曼原 有的F-P標準具。2、此時，不要調整F-P標準具的調節(jié)手輪，按照塞曼效應實驗儀 的調整步驟調整出清晰的干涉圓環(huán)，進行實驗測量，并計算結果，繪 制出電磁鐵的I-B關系曲線。由于該儀器的F-P標準具的間隔d是利用小數重合法三波長準確 測得的，故可以準確的測量出磁場強度 B。五、注意事項1、儀器應在實驗室內使用，工作環(huán)境要求穩(wěn)定、清潔、室溫在 +10+30C、相對濕度不大于 8