實(shí)驗(yàn)319 等厚干涉的應(yīng)用

1、3.19 等厚干涉的應(yīng)用【實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介】光的干涉是重要的光學(xué)現(xiàn)象之一。同一光源發(fā)出的光被分成兩束光，它們經(jīng)過(guò)不同的路徑相遇時(shí)，一般會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。對(duì)相鄰兩干涉條紋來(lái)說(shuō)，形成干涉條紋的兩束光的光程差的變化等于相干光的波長(zhǎng)。因此，測(cè)量干涉條紋數(shù)目和間距的變化，可以知道光程差的變化，從而可以推知以光波波長(zhǎng)為單位的微小長(zhǎng)度變化或微小折射率差值等。所以，干涉現(xiàn)象在科學(xué)研究和工業(yè)測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用，如測(cè)量光波波長(zhǎng)，測(cè)量微小角度或薄膜厚度，檢驗(yàn)光學(xué)表面加工質(zhì)量，測(cè)量液體折射率等。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)牛頓環(huán)測(cè)平凸透鏡的曲率半徑，劈尖測(cè)量薄膜的厚度，加深對(duì)光的波動(dòng)性和等厚干涉的理解，掌握光干涉法測(cè)量的基本思想?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

2、1觀察光的等厚干涉現(xiàn)象并熟悉其特點(diǎn)。2掌握用牛頓環(huán)測(cè)量球面曲率半徑的原理和方法。3掌握等厚干涉法測(cè)量微小直徑或薄膜厚度的方法。 4熟悉讀數(shù)顯微鏡的調(diào)整和使用方法。【預(yù)習(xí)思考題】1用牛頓環(huán)測(cè)球面的曲率半徑時(shí)，能否先測(cè)得某一圓環(huán)的直徑，用公式計(jì)算值?為什么?2使用讀數(shù)顯微鏡時(shí)要注意哪些問(wèn)題？如何用讀數(shù)顯微鏡測(cè)量牛頓環(huán)的直徑？【實(shí)驗(yàn)儀器】鈉光燈、牛頓環(huán)儀、，劈尖，讀數(shù)顯微鏡?！緦?shí)驗(yàn)原理】1用牛頓環(huán)測(cè)定透鏡的曲率半徑如圖，在平板玻璃DCE上，放置一塊曲率半徑R很大的平凸透鏡ACB，以凸 圖3.19.1面相接觸，除了接觸點(diǎn)外，兩玻璃間便形成一厚度不均勻的空氣膜層，其厚度相等的地方是以接觸點(diǎn)為中心的同心圓

3、。如果光由上方垂直入射，則空氣薄膜上、下表面反射的兩束光之間發(fā)生干涉現(xiàn)象。光程差相等的地方是以C點(diǎn)為中心的同心圓，因此干涉條紋是一族以C為中心的同心圓環(huán)，稱為牛頓環(huán)。設(shè)入射光是波長(zhǎng)為的單色光，與C相距處的空氣膜厚,則空氣膜上、下表面反射的兩束光之間的光程差（空氣折射率近似為1）為： （）其中是光由DCE表面反射時(shí)，發(fā)生的半波損失。由圖中幾何關(guān)系知 （）當(dāng) ， （）時(shí)，產(chǎn)生暗條紋。將（）式代入（3.19.3）式，得第級(jí)暗環(huán)的半徑。 （）若已知，由實(shí)驗(yàn)測(cè)量出第級(jí)暗環(huán)的半徑，就可由式（）算出。但由于平凸透鏡和平面玻璃板的接觸處附有塵埃而未能接觸或接觸時(shí)受力產(chǎn)生了形變，故接觸處不可能是一個(gè)幾何點(diǎn)，而是

4、一個(gè)圓斑，以致難以判定干涉環(huán)的中心和級(jí)次，因此要利用（3.19.4）式來(lái)測(cè)量實(shí)際上是不可能的。在實(shí)際測(cè)量中，常將（3.19.4）式變?yōu)槿缦滦问剑?（）式中：和分別為第級(jí)和第級(jí)暗環(huán)的直徑。由式（）可知，只要數(shù)出所測(cè)各環(huán)的環(huán)序差，而無(wú)需確定各環(huán)的級(jí)數(shù)。此外，為了減小測(cè)量誤差，應(yīng)選取距中心較遠(yuǎn)的、比較清晰的兩個(gè)環(huán)來(lái)測(cè)量，且使值取大些。這樣將成倍地減小讀數(shù)顯微鏡的測(cè)量叉絲與干涉條紋對(duì)準(zhǔn)時(shí)產(chǎn)生的定位誤差，提高測(cè)量的精密度。2用劈尖測(cè)量薄膜厚度（或細(xì)絲直徑）將兩塊平板玻璃迭放在一起，一端夾入厚度為的薄膜（或細(xì)絲），則二平板玻璃間形成一劈尖形空氣薄膜，如圖。當(dāng)光由上方垂直入射時(shí)，劈尖上、下表面反射的兩束光產(chǎn)

5、生干涉，由于光程差相等的地方是與兩平板玻璃交線平行的直線，所以干涉條紋是一組與交線平行且等間距的直條紋。圖3.19.2 設(shè)入射光是波長(zhǎng)的單色光，由（）和（3.19.3）式可得 （）一般來(lái)說(shuō)值很大，且干涉條紋細(xì)密，直接數(shù)出干涉條紋數(shù)難免出現(xiàn)差錯(cuò)，因此可先測(cè)出單位長(zhǎng)度上的條紋數(shù)，再測(cè)出薄膜（或細(xì)絲）與兩玻璃板交線的距離L，則總的干涉條紋數(shù)代入（）式得薄膜（或細(xì)絲）直徑為 （）【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】1熟悉讀數(shù)顯微鏡的結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)原理及方法。 圖3.19.31目鏡調(diào)焦手輪 2鏡筒 3物鏡調(diào)焦手輪 4立柱 5橫桿 6刻度手輪 7物鏡 8透反鏡 9載物臺(tái) 2用牛頓環(huán)儀測(cè)量平凸透鏡的曲率半徑 2.1 將牛頓環(huán)儀置

6、于讀數(shù)顯微鏡載物臺(tái)上，調(diào)節(jié)鈉燈高度，使其與物鏡下方的透反鏡等高。點(diǎn)燃鈉光燈，翻轉(zhuǎn)載物臺(tái)下方反射鏡，使之不能反射鈉光，轉(zhuǎn)動(dòng)物鏡下方透反鏡，使顯微鏡視場(chǎng)中亮度大且光場(chǎng)分布均勻。 2.2 轉(zhuǎn)動(dòng)目鏡調(diào)焦手輪使目鏡視場(chǎng)中叉絲清晰，然后轉(zhuǎn)動(dòng)物鏡調(diào)焦手輪，使鏡筒慢慢由下向上移動(dòng)（為什么？），同時(shí)從目鏡中觀察，直至看到清晰的干涉條紋為止。觀察并記錄牛頓環(huán)產(chǎn)生的干涉條紋特征。 2.3 調(diào)節(jié)讀數(shù)顯微鏡叉絲使豎叉絲與顯微鏡筒移動(dòng)方向垂直。轉(zhuǎn)動(dòng)刻度手輪使顯微鏡筒位于行程的中間位置。輕移牛頓環(huán)使叉絲對(duì)準(zhǔn)牛頓環(huán)的中心。2.4 轉(zhuǎn)動(dòng)刻度手輪，觀察能夠清楚看到干涉條紋的級(jí)數(shù)范圍（比如30級(jí)），移過(guò)30級(jí)，反方向移動(dòng)顯微鏡，退

7、到第25環(huán)，依次記下第25、2420級(jí)、第15、1410級(jí)暗環(huán)環(huán)心左側(cè)位置、右側(cè)位置，計(jì)算各級(jí)干涉圓環(huán)的直徑，利用逐差法求時(shí)對(duì)應(yīng)的直徑平方差2.5 利用式（）計(jì)算平凸透鏡的曲率半徑，正確表示測(cè)量結(jié)果。估算時(shí)把波長(zhǎng)和看做常數(shù)，儀器誤差可取讀數(shù)顯微鏡的示值誤差限，。3觀察劈尖產(chǎn)生的干涉，利用劈尖干涉測(cè)量細(xì)絲的直徑（薄膜厚度）自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，利用（）式完成薄膜厚度的測(cè)量?！咀⒁馐马?xiàng)】1. 為消除螺距差，應(yīng)保證測(cè)量的數(shù)據(jù)是顯微鏡向一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)所測(cè)得的數(shù)據(jù)，中途不可倒轉(zhuǎn)。2. 測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，叉絲豎線應(yīng)與干涉環(huán)相切，注意消除視差，正確讀取有效數(shù)字。【數(shù)據(jù)記錄與處理】表 牛頓環(huán)直徑的測(cè)量 環(huán)序 25 24 23 22 2120環(huán)位置/ 環(huán)直徑/ 環(huán)序 15 14 13 12 1110 環(huán)位置/ 環(huán)直徑/ / /令 ； ； ； ； ； ； 。【思考題】1用什么方法