雙棱鏡干涉裝置的改進(jìn)

雙棱鏡干涉實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)研究——李海濱，張波，李嫣然摘要：本文對(duì)雙棱鏡實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，采用He-Ne激光器、擴(kuò)束器和兩個(gè)偏振片組成的光強(qiáng)調(diào)節(jié)器代替鈉光燈和原光細(xì)縫，使干涉圖樣較之以前更清晰，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作，光路調(diào)節(jié)更加比較方便，并對(duì)He-Ne激光器作光源的可行性進(jìn)行了科學(xué)的論證。關(guān)鍵詞：He-Ne激光雙棱鏡干涉實(shí)驗(yàn)偏振片擴(kuò)束鏡一.引言雙棱鏡干涉實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中重要光學(xué)實(shí)驗(yàn)之一，它是利用雙棱鏡對(duì)光波折射二次成像獲得兩個(gè)虛相干光源，使產(chǎn)生的兩束光波發(fā)生干涉。雙棱鏡干涉實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單,原理易懂,但初學(xué)者容易出現(xiàn)調(diào)節(jié)失敗、圖樣不清及測(cè)試者眼睛疲勞等問題。鈉光燈是非相干光源，其作為光源是造成以上問題的主要原因。鈉光燈光強(qiáng)太弱,在調(diào)節(jié)光具共軸時(shí)不易觀察,增加了儀器調(diào)整的困難。激光能量集中，對(duì)于光路的調(diào)節(jié)很有好處，但如果對(duì)激光不進(jìn)行處理，直接用肉眼觀察干涉圖樣或虛光源成的實(shí)像，往往會(huì)造成操作者眼睛的傷害許多的實(shí)驗(yàn)人員嘗試改進(jìn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，比如用半導(dǎo)體激光或He-Ne激光代替鈉光，雖然都采用了一定的方法對(duì)激光進(jìn)行了處理，但都存在一定的不足。針對(duì)這個(gè)問題筆者進(jìn)行了反復(fù)的實(shí)驗(yàn)和研究，充分用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)器材，利用偏振原理，用兩個(gè)偏振片組成光強(qiáng)連續(xù)衰減器，成功地解決了這個(gè)問題，在實(shí)驗(yàn)中取得了很好的效果。二.實(shí)驗(yàn)原理介紹這個(gè)實(shí)驗(yàn)之前，下面回顧一下原有的實(shí)驗(yàn)裝置。如圖一所示，雙棱鏡是有兩個(gè)棱角很?。ㄐ∮?°）的直角棱鏡組成。自S發(fā)出的光波經(jīng)雙棱鏡的折射，將波振面分為不同方向傳播的兩部分，如同由兩個(gè)虛光源S1和S2發(fā)出的一樣，在兩重疊區(qū)域內(nèi)發(fā)生干涉，就可以在觀察屏上看到明暗相間的干涉條紋。實(shí)驗(yàn)時(shí)需測(cè)出光源S到干涉區(qū)域中某一平面M的距離D，并利用測(cè)微目鏡測(cè)出M面相鄰條紋的間距△x,使用二次成像法測(cè)出S1和S2的間距。雙棱鏡干涉實(shí)驗(yàn)類似于楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，利用λ=(d/D)·△x，從而可以求出微米數(shù)量級(jí)的光波波長(zhǎng)S1S111S222dSD△x圖一實(shí)驗(yàn)原理圖 二.改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)的裝置由He-Ne激光器、兩個(gè)偏振片組成的光強(qiáng)調(diào)節(jié)器、擴(kuò)束器、雙棱鏡及移動(dòng)支架、測(cè)微目鏡、凸透鏡、光具座組成，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。7.測(cè)微目鏡6.二次成像透鏡5.透鏡4.雙棱鏡1.He-Ne激光2.偏振片7.測(cè)微目鏡6.二次成像透鏡5.透鏡4.雙棱鏡1.He-Ne激光2.偏振片P1P23.擴(kuò)束器圖二改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖(1)He-Ne激光器He-Ne激光器替代鈉光燈作為雙棱鏡干涉實(shí)驗(yàn)測(cè)波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)的光源，它具有單色性好、相干性強(qiáng)、能量集中和方向性好等特點(diǎn)。He-Ne激光器作為雙棱鏡干涉實(shí)驗(yàn)的光源，克服了鈉光強(qiáng)弱、相干性差、調(diào)節(jié)共軸時(shí)不易觀察的缺點(diǎn)。激光相干性強(qiáng)，有利于快速調(diào)節(jié)出干涉條紋；激光單色性好且亮度高，調(diào)出的干涉條紋清晰。（2）偏振片由兩個(gè)偏振片組成的光強(qiáng)衰減器，前面的偏振片作為起偏器，使入射的自然光成為線偏振光出射，后面的偏振片是作為檢偏器。線偏振光通過偏振片后的強(qiáng)度，其光強(qiáng)服從馬呂斯定律。由兩個(gè)偏振片組成的光強(qiáng)衰減器工作原理如下所述：假設(shè)入射光為自然光，入射光強(qiáng)為,起偏器與檢偏器透振方向之間的夾角為。通過起偏器后光強(qiáng),最后從檢偏器出射的光強(qiáng)。當(dāng)固定不動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過的光強(qiáng)隨著而改變。當(dāng)時(shí)透射光強(qiáng)最大，隨著增大透過的光強(qiáng)逐漸減小，當(dāng)透過的光強(qiáng)為零。這樣可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求，實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)從零到最大連續(xù)調(diào)節(jié)。例如在共軸調(diào)節(jié)是要求光強(qiáng)大，在觀察干射條紋是要求光強(qiáng)較弱。這點(diǎn)不同于其它使用激光器做光源實(shí)驗(yàn)裝置。(3)擴(kuò)束器He-Ne激光器對(duì)光束起擴(kuò)展作用。由于激光束非常的細(xì)，可以近似的看成一條光線，激光束通過擴(kuò)束鏡擴(kuò)束，打在雙棱鏡上才能觀察的干涉現(xiàn)象；否則由于激光光束太細(xì)，經(jīng)雙棱鏡的上部折向下，而在下部折向上，折射的兩光束在光屏上不相遇，觀察不到現(xiàn)象。激光束是平行光束，擴(kuò)束后是球面波,它一定有發(fā)射中心,它的中心就是擴(kuò)束鏡的焦點(diǎn).這樣,我們就用點(diǎn)光源代替了原來的線光源。不僅使干涉條紋圖樣清晰規(guī)整了,而且使儀器調(diào)節(jié)也簡(jiǎn)化了。在沒改進(jìn)之前,調(diào)節(jié)單縫與雙棱鏡棱鉛直平行且同心是較麻煩的。（4）雙棱鏡當(dāng)光源發(fā)出的一束光波經(jīng)雙棱鏡的折射，產(chǎn)生兩束相重疊的相干光，這兩束相干光好像是從處于同一平面上的虛光源和發(fā)出的一樣。在兩束光的相重疊的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生明暗的干涉條紋。（5）凸透鏡凸透鏡5的作用是匯聚干涉圖樣，凸透鏡6插到雙棱鏡和測(cè)微目鏡之間，用二次成像法測(cè)虛光源間距d和虛光源與光屏之間的距離D。通過測(cè)量?jī)商摴庠此蓪?shí)像之間的距離，代入公式和（t是兩次成像透鏡移動(dòng)的距離）求解。（6）測(cè)微目鏡用于觀察雙棱鏡干涉現(xiàn)象，測(cè)量明暗條紋間距Δx，測(cè)量虛光源的像距。測(cè)微目鏡對(duì)光有匯聚作用，要求觀察干涉條紋和像的亮度要小。本實(shí)驗(yàn)裝置的光強(qiáng)連續(xù)調(diào)節(jié)很好的適應(yīng)了這一實(shí)驗(yàn)要求。三.實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)采用改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn),降低了實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)難度,方便了實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)，明顯縮短了時(shí)間,干涉現(xiàn)象清晰可見。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):(1)所得到的干涉條紋數(shù)量多、條紋明暗反差大。整個(gè)測(cè)微目鏡的視場(chǎng)內(nèi)都可看到清晰的條紋,在可進(jìn)行測(cè)量的范圍內(nèi)可看到30余條。(2)改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置去掉了狹縫，免除了狹縫與棱脊平行調(diào)節(jié)的操作，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作，節(jié)省了操作者的時(shí)間和精力。（3）改進(jìn)后的裝置中有兩個(gè)偏振片，在共軸調(diào)節(jié)時(shí)、尋找虛光源成的像時(shí)，調(diào)小偏振片的夾角將激光亮度調(diào)大，可用白紙接收觀察激光斑或是二次成像時(shí)兩虛光源所成的清晰實(shí)像；方便共軸調(diào)節(jié)和圖像的尋找。在觀察干涉圖樣、測(cè)量明暗條紋間距和兩虛光源所成實(shí)像間距時(shí)，調(diào)大偏振片夾角，將激光削弱至可以直接觀察圖樣。這樣，可根據(jù)需要，從零到最大連續(xù)調(diào)節(jié)光強(qiáng)。(4)因?yàn)榧す夥较蛐院?亮度大,所以學(xué)生可在明亮通風(fēng)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)做此實(shí)驗(yàn)，對(duì)室內(nèi)的光線要求低。四.改進(jìn)前后實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置不僅簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作，降低了實(shí)驗(yàn)的難度，使實(shí)驗(yàn)的可操作性增強(qiáng)，縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，而且試驗(yàn)結(jié)果的精確度也有了明顯的提高。筆者運(yùn)用新舊兩種實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得到下面的試驗(yàn)結(jié)果：試驗(yàn)次數(shù)12345678910平均改進(jìn)前測(cè)測(cè)相對(duì)誤差（%）4.324.164.304.284.424.514.244.334.314.304.32改進(jìn)后測(cè)量相對(duì)誤差（%）1.341.461.531.291.371.421.511.301.441.271.26表一改進(jìn)前后試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表從表一可以看出改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)的相對(duì)誤差有了明顯的減小，改進(jìn)后的試驗(yàn)相對(duì)誤差是改進(jìn)前的大約是三分之一，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度得到了很大的提高。經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置使實(shí)驗(yàn)操作難度降低，精度得到明顯提高，效果良好。五.結(jié)束語通過在He-Ne激光器前面加兩個(gè)偏振片和擴(kuò)束器等措施，實(shí)現(xiàn)了He-Ne激光替代鈉光進(jìn)行雙棱鏡干涉法測(cè)量光波波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)。在這之前筆者查閱了大量的關(guān)于雙棱鏡干涉實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的文獻(xiàn)，有的改經(jīng)方案中也運(yùn)用了激光器，但都存在同樣的一個(gè)問題就是激光的強(qiáng)度過大，在用測(cè)微目鏡觀察干涉條紋和與的像時(shí)對(duì)眼睛刺激大。如鮑麗莎等人采用去掉半導(dǎo)體激光器的聚光透鏡和利用鍍膜狹縫的方法，但實(shí)驗(yàn)對(duì)激光器造成了一定的損壞，還需要調(diào)節(jié)狹縫和棱脊平行，這個(gè)操作比較麻煩。萬國章在實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)中使用了減光板，用讀數(shù)顯微鏡替代測(cè)微目鏡，在觀察干涉現(xiàn)象和測(cè)量?jī)商摴庠磳?shí)像距時(shí)，使用不同黑度的減光板，需要在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中選擇出合適的黑度，需要一定的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)裝置在激光器的后面加了兩個(gè)偏