浙江大學(xué)物理光學(xué)實驗報告綜述

\本科實驗報告課程名稱姓 名系：專 業(yè)學(xué) 號指導(dǎo)教師

物理光學(xué)實驗郭天翱光電信息工程學(xué)系信息工程（光電系3100101228蔣凌穎2012年1127日專業(yè)：光電信息工程姓名：郭天翱學(xué)號：3100101228日期：2012年月日地點：紫金港東1A407專業(yè)：光電信息工程姓名：郭天翱學(xué)號：3100101228日期：2012年月日地點：紫金港東1A407課程名稱物理光學(xué)實_指導(dǎo)老師成績實驗名稱：邁克爾遜干涉儀實驗 實驗類型 一、實驗?zāi)康暮鸵螅ū靥睿?二、實驗內(nèi)容和原理（必填）三、主要儀器設(shè)備（必填） 四、操作方法和實驗步驟五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理 六、實驗結(jié)果與分析（必填七、討論、心得一、實驗?zāi)康暮鸵?、掌握邁克耳遜干涉儀的結(jié)構(gòu)、原理、調(diào)節(jié)方法；2、用邁克耳遜干涉儀觀察平板干涉條紋的特征，測定單色光波長；3、觀察白光干涉條紋，測量光波的相干長度；二、實驗原理圖1是邁克爾遜干涉儀的光路原理圖。光源上一點發(fā)出的光線射到半透明K1”和“2“2”M裝 2

上被反射回來后，透過G到達(dá)E處；光圖2 非定域干圖2 非定域干2d訂 M2dM'2 1G線 k GG1 21激光 M1圖1邁克爾遜干涉儀E透過

MM反射回來后再透過

射到K上，反射到達(dá)E處。這2 1 1 2兩條光線是由一條光線分出來的，故它們是相干光。光線“1”也可看作是從M1在半透明層中的Mˊ反射來的。在研究干涉時，MˊM1 1 1MˊM1 2用凸透鏡會聚的激光束是一個很好的點光源，它向空間發(fā)射球面波，從M和M1

反射后可看成由兩個光源S和S1 2

發(fā)出的（見圖2S1

(或S2

)至屏的距離分別為點光源S從 GM1 1

(或M

和G)反射至屏的光程，S和S的距2 1 1 21MˊM之間距離d2d。虛光源SS發(fā)出的球面波在它們相1 2 1 2遇的空間處處相干，這種干涉是非定域干涉。1、等傾干涉（定域干涉）M2M1M2’M1hM1M2用望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。干涉場中某一點所對應(yīng)的兩支相干光線的光程差為光波波長的整數(shù)倍時，即該點為亮條紋中心；而光程差為光波長的半整數(shù)倍時，即該點為暗條紋中心。m0和.這是如果轉(zhuǎn)動絲桿使M2hNM2到引用源。，便可計算出光波長。2、等厚干涉條紋（定域干涉）M2M1M2’M1（如人眼hM1M2察這種條紋需要采用放大鏡，或者人眼直接觀察虛平板表面。h傾等厚之間，稱為混合條紋。3、非定域干涉HE-NE2觀察到干涉條紋。4、白光條紋到白光干涉條紋。中央零級為白（或黑）的彩色條紋。三、主要儀器設(shè)備HE-NE激光器、白熾燈、擴(kuò)束鏡、準(zhǔn)直鏡、會聚鏡、邁克爾遜干涉儀。整個裝置包括三部分：照明系統(tǒng)、干涉系統(tǒng)和觀察系統(tǒng)，如圖1所示。1干涉系統(tǒng)——邁克爾遜干涉儀，如圖2所示3G1分光鏡，它是在第二表面鍍以半反射介質(zhì)膜的平行平面板。G2是一塊與G1全同的平板，成為補(bǔ)償板，它與G1平行。M1M2間取向。M2M2微調(diào)。2、觀察系統(tǒng)為了觀察不同類型的干涉，觀察系統(tǒng)可以是望遠(yuǎn)鏡、放大鏡或者是人的眼睛。3、照明系統(tǒng)本實驗單色光源為HE-NE激光器，激光經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直，再經(jīng)L2會聚。四、實驗內(nèi)容1、觀察單色光等厚干涉條紋M1，M2M1，M2，使光斑嚴(yán)格重合。干涉條紋。L1L1毛玻璃上出現(xiàn)圓環(huán)條紋。如果條紋很多，應(yīng)該轉(zhuǎn)動手輪移動M1，使條紋減少到1-3。M2M1。觀察原干涉條紋的變化，4并記錄。2、觀察單色光的等傾干涉條紋到視場中僅有一條條紋。L1L2M1M2上的光斑盡可能小。觀察系統(tǒng)采用毛玻璃屏，可以看到等傾圓環(huán)。M1觀察等傾圓環(huán)的變化，并記錄。3、測量單色光波長轉(zhuǎn)動粗動手輪，使屏上的等傾條紋的數(shù)目適中轉(zhuǎn)動微動手輪，可見到圓條紋緩緩向中心收縮，并在中心消失，記下讀數(shù)S1；繼續(xù)向一個方向轉(zhuǎn)動微調(diào)手輪，觀察條紋在中心消失50個，記下讀數(shù)S2；重復(fù)三次，并作記錄4、觀察白光的彩色條紋在觀察到單色等傾條紋的基礎(chǔ)上，移動M1紋。動手輪，直到出現(xiàn)彩色條紋。調(diào)整M2觀察彩色條紋的變化，移動M1觀察彩色條紋的變化，并做記錄。五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理記錄在實驗過程中觀察到的現(xiàn)象，并加以解釋觀察單色光等厚干涉條紋時，微調(diào)螺桿（3）和（4），或微動手輪移動M1，觀察到原等厚干涉條紋發(fā)生移動，而且間距變大。M2’（虛鏡面）M1螺桿（3）和（4），M1M2’發(fā)生一定的變化，從而使得等厚干涉條紋發(fā)生移動或者間距發(fā)生變化。M2M1M2’之間的夾角，M1M2’之間的距離，可以觀察到彩色條紋由細(xì)變粗，然后又變細(xì)。S1S1(mm)S2(mm)h=|SS|12N2h(nm)N1()643.7nm312310.647400.663330.0159350637.620.663340.679360.0160250640.430.711360.727700.0163450653.2相對誤差：（643.7-632.8）/632.8*100%=1.7%5六、思考題G2答：補(bǔ)償板G2主要是為了平衡光線在平板G1中的光程差，G2板應(yīng)該和G1板完全一樣，并且擺放位置也要與G1板平行。為什么觀察等厚條紋時，一定要使L1紋是否為等厚條紋？條件不是等厚條紋。觀察等傾條紋時，要求入射光束只照亮M1處？

和M表面上較小區(qū)域，這有什么好2更加清晰，方便觀察和計數(shù)。請考慮利用干涉方法測量一塊均勻的已知厚度的透明平行薄片折射率的方法離為S，則2(n1)hS，由此可以求得薄片的折射率。6姓名：學(xué)號：姓名：學(xué)號：日期：2012年月日地點：紫金港東1A407課程名稱物理光學(xué)實_指導(dǎo)老師成績 實驗名稱：用F-P干涉儀測量鈉黃光波長差實驗 實驗類型 一、實驗?zāi)康暮鸵螅ū靥睿?二、實驗內(nèi)容和原理（必填）三、主要儀器設(shè)備（必填） 四、操作方法和實驗步驟五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理 六、實驗結(jié)果與分析（必填七、討論、心得一、實驗?zāi)康暮鸵?、觀察多光束干涉的條紋特征2、學(xué)會法布里-珀羅干涉儀的調(diào)整，及光波微小波長差的測量二、實驗內(nèi)容裝訂線法布里－珀羅（F-P）干涉儀是由兩塊內(nèi)表面鍍有高反射膜（介質(zhì)膜或金屬膜）的相互平行的高平面度玻璃板或石英板組成，根據(jù)平行平面板反射單色光的多光束疊加產(chǎn)生細(xì)窄明亮干涉條紋的基本G1裝訂線若有一定光譜寬度的單色擴(kuò)展光源發(fā)出的發(fā)散LL干涉儀（標(biāo)準(zhǔn)具）是一種高分辨率的光譜儀器，常用于研究譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)。當(dāng)光源發(fā)出有微小波長差△λ的兩譜線時，由法-珀干涉儀產(chǎn)生多光束干涉條紋，對于干涉場的某一點，可寫出兩個相接近譜線的程差表示式：2hcosm1 12hcosm2 27對于不同波長的光波，△所對應(yīng)的干涉級差為： 1 (m)mm () 1 1 2 2 1考慮干涉場中心附近的點（可認(rèn)為θ≈0，則可計算波長差公式為：()1 2

(2)2h e12為的平均波長，一般由低分辨率儀器測定；△e12級條紋之相對位移，e是同一波長的條紋間距△△ee當(dāng)改變法-珀干涉儀兩板之間的間距h，兩波長條紋之相對位移為（△e）=e，而相應(yīng)的兩板間距變化為（△h

()

(2)2(h)小波長差（△λ）三、主要儀器設(shè)備鈉光燈、聚光燈、小孔光欄、準(zhǔn)直鏡、匯聚鏡、法-珀干涉儀、濾色片四、操作方法和實驗步驟法布里-珀羅干涉儀外形如圖3所示，由邁克爾干涉儀改裝而成，儀器的調(diào)8節(jié)機(jī)構(gòu)與邁克爾干涉儀相同1、調(diào)整干涉儀使兩平板內(nèi)表面平行42~3mm此時可看到一組平行直條紋（多光束等厚干涉，再微調(diào)螺絲增大條紋間距，直致視場中亮度均勻一片，此時兩反射面平行。圖4實驗裝置原理簡圖2、觀察鈉黃光的多光束干涉條紋隨后放入會聚透鏡，使在法-珀干涉儀平板上的光斑盡可能小，則在望遠(yuǎn)鏡9不在中央，可同時調(diào)節(jié)兩反射鏡微調(diào)螺絲，使兩鏡與入射光束垂直。3、測量鈉雙線的波長差h，連測三次，求取鈉雙線波長差的平均值。注意：為了減少誤差，測出兩組條紋從開始重合分開之間距變化，取其中間位置作為一次重合之位置進(jìn)行計算。本實驗主要是儀器及多光束干涉條紋的觀察及測量。實驗報告對儀器調(diào)整方法的原理及多光束干涉條紋的特征應(yīng)著重討論。五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理h2(mm)(開始分離位置)3.4560122(h)13.311010.290010.59873.166003.4550023.319450.271100.64053.183903.467330.620733.328280.278110.62433.189223.4601143.319960.280310.6194h1(mm)(開始重合位置)h1(mm)(開始重合位置)hhh12(mm) h(mm) 2(nm) (nm)3.17980存在較大誤差。六、思考題用已學(xué)過的知識，解釋這一現(xiàn)象。由公式=2e可知，當(dāng)程差發(fā)生變化，即h發(fā)成變化時，e也將發(fā)生變化。2he隨著e的變化，干涉條紋從重合的一套條紋變成了兩套條紋，因此會覺得條紋10從模糊變清晰或者從清晰變模糊。的方法。d后由公式eD

來計算波長。M2，失的個數(shù)m。由公式(m1)m()得m11姓名：學(xué)號：姓名：學(xué)號：日期：2012年月日地點：紫金港東1A407課程名稱物理光學(xué)實_指導(dǎo)老師成績實驗名稱：牛頓環(huán)實驗 實驗類型 一、實驗?zāi)康暮鸵螅ū靥睿?二、實驗內(nèi)容和原理（必填）三、主要儀器設(shè)備（必填） 四、操作方法和實驗步驟五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理 六、實驗結(jié)果與分析（必填七、討論、心得一、實驗?zāi)康暮鸵?、觀察光的等厚干涉現(xiàn)象，熟悉光的等厚干涉的特點；2、用牛頓環(huán)測定平凹透鏡的曲率半徑；二、實驗內(nèi)容裝訂線圖裝訂線圖3 實驗原理圖（4所示環(huán)。由于同一干涉環(huán)上各處的空氣層厚度是相同的，因此它屬于等厚干涉。12圖4 實驗光路圖3ｒ度為ｄ，其幾何關(guān)系式為：R2(Rd)2r2R22Rdd2r2由于Ｒ>>ｄ，可以略去d2得r2d2R

(1)光線應(yīng)是垂直入射的，計算光程差時還要考慮光波在平玻璃板上反射會有半波損失，從而帶來/2的附加程差，所以總程差為：產(chǎn)生暗環(huán)的條件是：

2d2(2k1)2

(2)(3)其中ｋ＝0，1，2，3，...為干涉暗條紋的級數(shù)。綜合(1)、(2)和(3)式可得第ｋ級暗環(huán)的半徑為：r2kR (4)由(4)式可知，如果單色光源的波長已知，測出第ｍ級的暗環(huán)半徑rm

，即可得出平凸透鏡的曲率半徑Ｒ；反之，如果Ｒ已知，測出rm

后，就可計算出入射單色光波的波長。但是用此測量關(guān)系式往往誤差很大，原因在于凸面和平面不可能是理想的點13環(huán)的半徑rm

和r的平方差來計算曲率半徑Ｒ。因為nr2mRm

r2nRn兩式相減可得rm

2r2R(mn)nr2r2

2D2所以Rm n 或R m n(mn) 4(mn)

（5）由上式可知,只要測出Dm

D（分別為第m與第n條暗環(huán)的直徑）的值，就能n算出Ｒ或中心位置的困難。三、主要儀器設(shè)備牛頓環(huán)儀、讀數(shù)顯微鏡、鈉燈四、操作方法和實驗步驟一、用牛頓環(huán)測量透鏡的曲率半徑141、調(diào)節(jié)牛頓環(huán)儀上螺釘，用眼睛觀察使牛頓環(huán)的中心處于牛頓環(huán)儀的中心；2、將牛頓環(huán)儀置于移測顯微鏡平臺上，開啟鈉光燈，調(diào)節(jié)半反射鏡使鈉黃光充滿整個視場，此時顯微鏡中的視場由暗變亮；3、調(diào)節(jié)顯微鏡，直至看清干涉條紋；4、觀察條紋的分布特征。查看各級條紋的粗細(xì)是否一致，條紋間隔是否一樣，并解釋；5、測量透鏡的直徑。6、自擬表格記錄實驗數(shù)據(jù)。五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理觀察條紋的分布特征，可以發(fā)現(xiàn)牛頓環(huán)中心是暗斑，粗細(xì)和間隔不一致。r2kR間距會越小。序號m序號mnR（mm)1133.684.892.2002.1372465.416.252.078311156.627.342.132六、思考題能否用牛頓環(huán)裝置測量非球面的曲率？如果曲率變化比較慢的情況下，可以將非球面近似為球面，因此可以測量。若看到的牛頓環(huán)局部不圓，這說明了什么？說明被測量的透鏡表面有缺陷，如凸出，凹陷等。15姓名：學(xué)號：姓名：學(xué)號：日期：2012年月日地點：紫金港東1A407課程名稱物理光學(xué)實_指導(dǎo)老師成績實驗名稱：汞綠線精密譜線測量實驗 實驗類型 一、實驗?zāi)康暮鸵螅ū靥睿?二、實驗內(nèi)容和原理（必填）三、主要儀器設(shè)備（必填） 四、操作方法和實驗步驟五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理 六、實驗結(jié)果與分析（必填七、討論、心得一、實驗?zāi)康暮鸵?、了解法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的結(jié)構(gòu)，學(xué)會使用標(biāo)準(zhǔn)具。2、用法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具測定汞綠線（λ=546.07nm）的精細(xì)結(jié)構(gòu)。二、實驗內(nèi)容裝訂線構(gòu)，這些細(xì)微結(jié)構(gòu)稱為光譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)，利用法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具可以觀察到汞綠線（λ裝訂線法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具是由兩塊內(nèi)表面鍍有高反射膜的相互平行的高平面度玻璃板組成，在內(nèi)表面之間形成多次反射以產(chǎn)生多光束之間的干涉（圖1，兩外表面與內(nèi)表定式的，一般是由膨脹系數(shù)很小的銦鋼制成空心圓柱形間隔器。用有一定光譜寬度的單色擴(kuò)展光源發(fā)出的發(fā)散光照射法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具，則在16能被清晰地分開，從而能直接進(jìn)行測量。若錯誤！未找到引用源。是被測譜線的波長范圍，則用來測量此譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)的法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的參數(shù)選配應(yīng)滿足條件式中 ，稱錯誤！未找到引用源。為標(biāo)準(zhǔn)具常數(shù)或自由光譜范圍，他表示與間距h相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)具所能測量的最大波長范圍；稱 為標(biāo)準(zhǔn)具的分辨本領(lǐng)，錯誤未找到引用源。為相h，R時標(biāo)準(zhǔn)具所能分辨的最小波長差。另外，由等傾干涉知識可知，在焦距f的透鏡焦面上形成的干涉條紋中，從中心向外數(shù)第N個亮圓條紋的直徑為 ，式中錯誤！未找到引用源。是干涉級小數(shù)。因此，測出第p和第q個亮紋的直徑Dp、Dq，則有關(guān)系式故有：錯誤！未找到引用源。，式中，錯誤！未找到引用源。是波長錯誤！未找到引用源。的干涉圓環(huán)中心干涉級小數(shù)。如對各個波長的圓環(huán)分別求出中心干涉小數(shù)錯誤！未找到引用源。，則由中心處的光程差關(guān)系式：可得到波長差表式：17長的多個干涉圓直徑求得的錯誤！未找到引用源。的平均值。三、主要儀器設(shè)備汞燈、聚光燈、光闌、準(zhǔn)直鏡、干涉濾光片、會聚鏡、法-珀標(biāo)準(zhǔn)具、CMOS四、操作方法和實驗步驟2FP上形成汞綠產(chǎn)生未找到引用源。線是汞綠線的主線，中心波長，本實驗測量546.1nm。2布置大致安排光路，使各元件等高；標(biāo)準(zhǔn)具調(diào)整h=5mm的法布里-R=0.95,標(biāo)準(zhǔn)具上配有一個微調(diào)支架，支架可前后左右微動10右。18到理想的等傾條紋。3、精細(xì)結(jié)構(gòu)的測量（1）2所示光路放入準(zhǔn)直物鏡，利用自準(zhǔn)直方法調(diào)整準(zhǔn)直鏡位置，使（或發(fā)散）光照明標(biāo)準(zhǔn)具，并在標(biāo)準(zhǔn)具上有足夠啊的光斑，加入接收系統(tǒng)，使從標(biāo)準(zhǔn)具出射的光照射另一會聚鏡，并在其后焦面上形成清晰地同心圓條紋。（2）用COMS（或讀數(shù)顯微鏡）接收干涉圖樣，用“干涉圖樣標(biāo)測”測出中心附近（即所對應(yīng)的像素值五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理干涉圖樣如圖：19x(mm)

Dxxr r

D2(D2D2(mm2)

(nm)x4923x 3x4582線x 2

p q 1 1(mm)355 12602545936 -0.743283 80089 -0.724x4081

182

46965

-0.705 0.00868x 1x5013x 3x4682

372

45968 -1.010線x 2

304 92416 -1.015x4251

216

45760

-1.020x 1x5093x 3x4772線x 2x4361

388 324 238 56644

45568 -1.304 0.00665-1.23848332 -1.172x 198120六、思考題D2D2

是常數(shù)由實驗數(shù)據(jù)可知，

r r2αD2D

=92901（nm2）r r2βD2D

=91728（nm2）r r2rγDr

D2r

=93900（nm2）可以求出三者的均值為92843，標(biāo)準(zhǔn)差為887，相對于差值來說這個標(biāo)準(zhǔn)差很小，D2

是常數(shù)r r2對光譜進(jìn)行精細(xì)結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)什么條件選擇法-h=5mm的法-珀標(biāo)準(zhǔn)具，試分析原因。答：用法珀標(biāo)準(zhǔn)具測量兩相近波長的波長差，目標(biāo)光線的波長差須滿足：△λ)min<△λ△λ)s.h=5m，所以（s.r=0.0298n，大于所要測的波長差，因此可以用來測量。用本實驗裝置能否測定鈉雙線？為什么？答：不能。因為那雙線的波長差為0.6nm，而該標(biāo)準(zhǔn)具的測量范圍為0.000487nm~0.0298nm，其不在該標(biāo)準(zhǔn)具的測量范圍之內(nèi)。21姓名：學(xué)號：姓名：學(xué)號：日期：2012年月日地點：紫金港東1A407課程名稱物理光學(xué)實_指導(dǎo)老師成績實驗名稱：激光平面干涉儀實驗 實驗類型 一、實驗?zāi)康暮鸵螅ū靥睿?二、實驗內(nèi)容和原理（必填）三、主要儀器設(shè)備（必填） 四、操作方法和實驗步驟五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理 六、實驗結(jié)果與分析（必填七、討論、心得一、實驗?zāi)康暮鸵?、了解激光平面干涉的結(jié)構(gòu)原理及裝調(diào)方法；2、組裝平面干涉儀，獲取干涉圖；3、學(xué)會從干涉圖分析被測光學(xué)零件的面形誤差。三