牛頓環(huán)-光的等厚干涉的應(yīng)用

1、-. z.實(shí)驗(yàn)十九 光的等厚干預(yù)的應(yīng)用【預(yù)習(xí)思考題】光的干預(yù)條件是什么？附加光程差產(chǎn)生的條件是什嗎？什么是等候干預(yù)？說出你所知道的測量微小長度的方法。光的干預(yù)是光的波動性的一種表現(xiàn)。假設(shè)將同一點(diǎn)光源發(fā)出的光分成兩束，讓它們各經(jīng)不同路徑后再相會在一起，當(dāng)光程差小于光源的相干長度，一般就會產(chǎn)生干預(yù)現(xiàn)象。干預(yù)現(xiàn)象在科學(xué)研究和工業(yè)技術(shù)上有著廣泛的應(yīng)用，如測量光波的波長，準(zhǔn)確地測量長度、厚度和角度，檢驗(yàn)試件外表的光潔度，研究機(jī)械零件內(nèi)應(yīng)力的分布以及在半導(dǎo)體技術(shù)中測量硅片上氧化層的厚度等。牛頓環(huán)、劈尖是其中十分典型的例子，它們屬于用分振幅的方法產(chǎn)生的干預(yù)現(xiàn)象，也是典型的等厚干預(yù)?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹坑^察和研究等厚

2、干預(yù)現(xiàn)象和特點(diǎn)。學(xué)習(xí)用等厚干預(yù)法測量平凸透鏡曲率半徑和薄膜厚度。熟練使用讀數(shù)顯微鏡。學(xué)習(xí)用逐差法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法?！緦?shí)驗(yàn)儀器】測量顯微鏡，鈉光光源，牛頓環(huán)，劈尖。【實(shí)驗(yàn)原理】牛頓環(huán)圖1 牛頓環(huán)干預(yù)光路圖1.讀數(shù)鼓輪 2.物鏡調(diào)節(jié)螺釘 圖1 牛頓環(huán)干預(yù)光路圖1.讀數(shù)鼓輪 2.物鏡調(diào)節(jié)螺釘 3.目鏡 4.鈉光燈 5.平板玻璃 6.物鏡 7.反射玻璃片 8.平凸凹透鏡 9.載物臺 10.支架牛頓環(huán)裝置是由一塊曲率半徑較大的平凸玻璃透鏡，將其凸面放在一塊光學(xué)玻璃平板平晶上構(gòu)成的，如圖2所示。平凸透鏡的凸面與玻璃平板之間形成一層空氣薄膜，其厚度從中心接觸點(diǎn)到邊緣逐漸增加。假設(shè)以平行單色光垂直照射到牛頓

3、環(huán)上，則經(jīng)空氣層上、下外表反射的二光束存在光程差，它們在平凸透鏡的凸面相遇后，將發(fā)生干預(yù)。其干預(yù)圖樣是以玻璃接觸點(diǎn)為中心的一系列明暗相間的同心圓環(huán)如圖3所示，稱為牛頓環(huán)。由于同一干預(yù)環(huán)上各處的空氣層厚度是一樣的，因此稱為等厚干預(yù)。圖2 牛頓環(huán)干預(yù)原理圖圖3 干預(yù)圓環(huán)與級條紋對應(yīng)的兩束相干光的光程差為 ： (1)為第級條紋對應(yīng)的空氣膜的厚度，為附加光程差。由干預(yù)條件可知，當(dāng)=()0，1，2，3，. 時(shí)，干預(yù)條紋為暗條紋，即， ，得： 2設(shè)透鏡的曲率半徑為，與接觸點(diǎn)相距為處空氣層的厚度為，由圖2所示幾何關(guān)系可得：，由于，則可以略去 3由(2)和(3)式可得第級暗環(huán)的半徑為： 4由(4)式可知，如果

4、單色光源的波長，只需測出第級暗環(huán)的半徑，即可算出平凸透鏡的曲率半徑；反之，如果，測出后，就可計(jì)算出入射單色光波的波長。但是由于平凸透鏡的凸面和光學(xué)平玻璃平面不可能是理想的點(diǎn)接觸；接觸壓力會引起局部彈性形變，使接觸處成為一個(gè)圓形平面，干預(yù)環(huán)中心為一暗斑；或者空氣間隙層中有了塵埃等因素的存在使得在暗環(huán)公式中附加了一項(xiàng)光程差，假設(shè)附加厚度為有灰塵時(shí)，受壓變形時(shí)則光程差為，由暗紋條件，得，將上式代人4得：上式中的不能直接測量，但可以取兩個(gè)暗環(huán)半徑的平方差來消除它，例如取第環(huán)和第環(huán)，對應(yīng)半徑為， -；-；兩式相減可得： 5所以透鏡的曲率半徑為： (6)又因?yàn)榘淡h(huán)的中心不易確定，故取暗環(huán)的直徑計(jì)算 7由上

5、式可知，只要測出與分別為第與第條暗環(huán)的直徑的值，就能算出或。劈尖將兩塊光學(xué)平玻璃疊合在一起，并在其中一端墊入待測的薄片或細(xì)絲，則在兩塊玻璃片之間形成一空氣劈尖。當(dāng)用單色光垂直照射時(shí)，和牛頓環(huán)一樣，在空氣劈尖上、下兩外表反射的兩束相干光發(fā)生干預(yù)如圖4所示，其干預(yù)條紋是一簇間距相等，寬度相等切平行于兩玻璃片交線即劈尖的棱的明暗相間的平行條紋，如圖5所示。圖5 劈尖干預(yù)條紋圖4 劈尖干預(yù)原理圖圖5 劈尖干預(yù)條紋圖4 劈尖干預(yù)原理圖由暗紋條件 =0，1，2，. 8可得，第級暗紋對應(yīng)的空氣劈尖厚度為；第+1級暗紋對應(yīng)的空氣劈尖厚度為，兩式相減得 9上式說明任意相鄰的兩條干預(yù)條紋所對應(yīng)的空氣劈尖厚度差為。

6、又此可推出相隔個(gè)條紋的兩條干預(yù)條紋所對應(yīng)的空氣劈尖厚度差為；再由幾何相似性條件可得待測薄片厚度為 10實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)取為最左側(cè)劈尖暗條紋的左側(cè)坐標(biāo)，為最右側(cè)劈尖條紋右側(cè)坐標(biāo)，為個(gè)條紋間的距離，它們可由讀數(shù)顯微鏡測出。則： 11【實(shí)驗(yàn)儀器介紹】讀數(shù)顯微鏡如圖6所示，讀數(shù)顯微鏡的主要局部為放大待測物體用的顯微鏡和讀數(shù)用的主尺和附尺。轉(zhuǎn)動測微手輪，能使顯微鏡左右移動。顯微鏡有物鏡、目鏡和十字叉絲組成。使用時(shí)，被測量的物體放在工作臺上，用壓片固定。調(diào)節(jié)目鏡進(jìn)展視度調(diào)節(jié)，使叉絲清晰。轉(zhuǎn)動調(diào)焦手輪，從目鏡中觀察，使被測量的物體成像清晰，調(diào)整被測量的物體，使其被測量局部的橫面和顯微鏡的移動方向平行。轉(zhuǎn)動測微手

7、輪，使十字叉絲的縱線對準(zhǔn)被測量物體的起點(diǎn)，進(jìn)展讀數(shù)讀數(shù)由主尺和測微等手輪的讀數(shù)之和。讀數(shù)標(biāo)尺上為刻線，每一格的值為，讀數(shù)鼓輪圓周等分為格，鼓輪轉(zhuǎn)動一周，標(biāo)尺就移動一格，即，所以鼓輪上每一格的值為。為了防止回程誤差，應(yīng)采用單方向移動測量。1.目鏡2.鎖緊圈 3.鎖緊螺絲4.調(diào)焦手輪 5.鏡筒支架6.物鏡7.彈簧壓片8.臺面玻璃 9.旋轉(zhuǎn)手輪 10.反光鏡11.底座 12.旋手 13.方軸 14.接頭軸 15.測微手輪 16.標(biāo)尺圖6 讀數(shù)顯微鏡構(gòu)造圖2鈉光光源燈管內(nèi)有兩層玻璃泡，裝有少量氬氣和鈉，通電時(shí)燈絲被加熱，氬氣即放出淡紫色光，鈉受熱后汽化，漸漸放出兩條強(qiáng)譜線和，通常稱為鈉雙線，因兩條譜線

8、很接近，實(shí)驗(yàn)中可認(rèn)為是比擬好的單色光源，通常取平均值作為該單色光源的波長。由于它的強(qiáng)度大，光色單純，是最常用的單色光源。使用鈉光燈時(shí)應(yīng)注意：1燈點(diǎn)燃后，需等待一段時(shí)間才能正常使用起燃時(shí)間約。2每開、關(guān)一次對燈的壽命有影響，因此不要輕易開、關(guān)。另外，在正常使用下也有一定消耗，使用壽命只有，因此應(yīng)作好準(zhǔn)備工作，使用時(shí)間集中。3開亮?xí)r應(yīng)垂直放置，不得受沖擊或振動?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】1利用牛頓環(huán)測平凸透鏡曲率半徑1將牛頓環(huán)放置在讀數(shù)顯微鏡工作臺毛玻璃中央，并使顯微鏡鏡筒正對牛頓環(huán)裝置中心，點(diǎn)燃鈉光燈，使其正對讀數(shù)顯微鏡物鏡的反射鏡。2調(diào)節(jié)讀數(shù)顯微鏡調(diào)節(jié)目鏡：使分劃板上的十字刻線清晰可見，并轉(zhuǎn)動目鏡，使十字刻

9、線的橫刻線與顯微鏡的移動方向平行。調(diào)節(jié)反射鏡：使顯微鏡視場中亮度最大，這時(shí)根本滿足入射光垂直于待測透鏡的要求。轉(zhuǎn)動手輪：使顯微鏡筒平移至標(biāo)尺中部，并調(diào)節(jié)調(diào)焦手輪，使物鏡接近牛頓環(huán)裝置外表。對讀數(shù)顯微鏡調(diào)焦：緩緩轉(zhuǎn)動調(diào)焦手輪，使顯微鏡筒由下而上移動進(jìn)展調(diào)焦，直至從目鏡視場中清楚地看到牛頓環(huán)干預(yù)條紋且無視差為止；然后再移動牛頓環(huán)裝置，使目鏡中十字刻線交點(diǎn)與牛頓環(huán)中心大致重合。3觀察條紋的分布特征。4測量暗環(huán)的直徑。轉(zhuǎn)動讀數(shù)顯微鏡讀數(shù)鼓輪，同時(shí)在目鏡中觀察，使十字刻線由牛頓環(huán)中央緩慢向一側(cè)移動至25環(huán)然后退回第24環(huán)，自第24環(huán)開場單方向移動十字刻線，每移動一環(huán)記下相應(yīng)的讀數(shù)直到第15環(huán)，然后再從同

10、側(cè)第14環(huán)開場搖到第1環(huán)；穿過中心暗斑，從另一側(cè)第1環(huán)開場依次數(shù)到第14環(huán)，然后從第15環(huán)開場讀數(shù)直至第24環(huán)。并將所測數(shù)據(jù)記入數(shù)據(jù)表格中。2.利用劈尖測量薄片的厚度1 將牛劈尖放置在讀數(shù)顯微鏡工作臺毛玻璃中央，并使顯微鏡鏡筒正對劈尖裝置中心，點(diǎn)燃鈉光燈，使其正對讀數(shù)顯微鏡物鏡的反射鏡。2調(diào)節(jié)讀數(shù)顯微鏡調(diào)節(jié)目鏡：使分劃板上的十字刻線清晰可見，并轉(zhuǎn)動目鏡，使十字刻線的橫刻線與顯微鏡的移動方向平行。調(diào)節(jié)反射鏡：使顯微鏡視場中亮度最大。轉(zhuǎn)動手輪：使顯微鏡筒平移至標(biāo)尺中部，并調(diào)節(jié)調(diào)焦手輪，使物鏡接近劈尖裝置外表。對讀數(shù)顯微鏡調(diào)焦：緩緩轉(zhuǎn)動調(diào)焦手輪，使顯微鏡筒由下而上移動進(jìn)展調(diào)焦，直至從目鏡視場中清楚地

11、看到裝置干預(yù)條紋且無視差為止；然后再移動劈尖裝置，使目鏡中十字刻線縱線與劈尖條紋平行。3觀察條紋的分布特征。4 測量劈尖厚度。從最左側(cè)的暗條紋開場，從左向右依次讀出10個(gè)暗條紋對應(yīng)的讀數(shù)注意不要回程。讀數(shù)時(shí)，使目鏡中的十字刻線縱線與暗條紋左側(cè)相切。用目鏡中的十字刻線縱線最左側(cè)暗條紋左側(cè)相切，記下坐標(biāo)，轉(zhuǎn)動顯微鏡手輪直至到最后一個(gè)條紋，并使目鏡中的縱向叉絲與最后側(cè)條紋右側(cè)相切注意不要回程，記下坐標(biāo)，則，并將紀(jì)錄數(shù)據(jù)填表?！究记绊氈?牛頓環(huán)儀、劈尖、透鏡和顯微鏡的光學(xué)外表不清潔，要用專門的擦鏡紙輕輕揩拭。2讀數(shù)顯微鏡的測微鼓輪在每一次測量過程中只能向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，中途不能反轉(zhuǎn)。3當(dāng)用鏡筒對待測物聚焦時(shí)，為防止損壞顯微鏡物鏡，正確的調(diào)節(jié)方法是使鏡筒移離待測物即提升鏡筒?！緮?shù)據(jù)記錄及處理】1數(shù)據(jù)處理：根據(jù)計(jì)算式，對，分別測量次，因而可得個(gè)值，于是有，我們要得到的測量結(jié)果是。下面簡要介紹一下的計(jì)算。由不確定度的定義知，其中，A分量為 B分量為 為單次測量的B分量由顯微鏡的讀數(shù)機(jī)構(gòu)的測量精度可得mm于是有 ；仿照上述分析過程，自己進(jìn)展劈尖測量數(shù)據(jù)分析。2數(shù)據(jù)記錄表1用牛頓環(huán)測透鏡的曲率半徑附表：用牛頓環(huán)測透鏡的曲率半徑數(shù)據(jù)記錄表分 組12345678910級 數(shù)mi242322