用双棱镜测钠黄光波长的不确定度计算
双棱镜干涉测钠光波长
北京航空航天大学基础物理实验 ------研究性实验 实验题目双棱镜干涉测钠光波长 一、摘要 法国科学家菲涅耳（Augustin J.Fresnel）在1826年进行的双棱镜实验证明了光的干涉现象的存在，它不借助光的衍射而形成分波面干涉，用毫米级的测量得到纳米级的精度，其物理思想、实验方法与测量技巧至今仍然值得我们学习。 二、实验原理 如果两列频率相同的光波沿着几乎相同的方向传播，并且这两列光波的位相差不随时间而变化，那么在两列光波相交的区域内，光强的分布不是均匀的，而是在某些地方表现为加强，在另一些地方表现为减弱(甚至可能为零)，这种现象称为光的干涉。 菲涅尔镜双棱镜可以看作是由两块底面相接、棱角很小的直角棱镜合成。若置单色光源S于双棱镜的正前方，则从S射来的光束通过双棱镜的折射后，变成两束相互重叠的光，这两束光放佛是从光源的两个虚像S1 和S2是两个相干光源，所以若在两
束光想重叠的区域内放置一屏，即可观察到明暗相间的干涉条纹。 菲涅耳利用如图1所示装置，获得了双光束的干涉现象．图中双棱镜B 是一个分割波前的分束器，它的外形结构如图2所示．将一块平玻璃板的上表面加工成两楔形板，端面与棱脊垂直，楔角较小(一般小于1°). 当狭缝S 发出的光波投射到双棱镜B 上时，借助棱镜界面的两次折射，其波前便分割成两部分，形成沿不同方向传播的两束相干柱波．通过双棱镜观察这两束光，就好像它们是由虚光源1S 和2S 发出的一样，故在两束光相互交叠区域内产生干涉．如果狭缝的宽度较小且双棱镜的棱脊和光源狭缝平行，便可在光屏Q 上观察到平行于狭缝的等间距干涉条纹。 双棱镜的干涉条纹图 设d 代表两虚光源1S 和2S 间的距离，D 为虚光源所在的平面(近似地在光源狭缝S 的平面内)至观察屏Q 的距离，且D d <<，任意两条相邻的亮（或暗）条纹间的距离为x ?，则实验所用光波波长λ可由下式表示：（根据形成明、暗条纹的条件，当光 程差为半波长的偶数倍时产生明条纹，当光程差为半波长的奇数倍时产生暗条纹） (1) 上式表明，只要测出d 、D 和x ?，就可算出光波波长。 三、实验仪器 双棱镜、可调狭缝、凸透镜、观察屏、光具座、测微目镜、钠光灯、白屏。 1、测微目镜简介 测微目镜（又名测微头）一般作为光学精密计量仪器的附件，也可以单独使用，主要用于测量微小长度。如图3()a 所示，测微目镜主要由目镜、分划板、读数鼓轮组 x D d ?=λ
实验二 用双棱镜干涉测钠光波长(05)
实验二用双棱镜干涉测钠光波长 [实验目的] 1、观察双棱镜产生的双光束干涉现象，进一步理解产生干涉的条件； 2、学会用双棱镜测定光波波长。 [实验仪器] 双棱镜，可调狭缝，会聚透镜（f=20cm,Φ=35mm两片），测微目镜(JX8)，光具座(JZ-2)，滑块（5块）、滑块支架（5个）、白屏，钠光灯(Gp20Na)。 [实验原理] 如果两列频率相同的光波沿着几乎相同的方向传播，并且这两列光波的位相差不随时间而变化，那么在两列光波相交的区域内，光强的分布不是均匀的，而是在某些地方表现为加强，在另一些地方表现为减弱（甚至可能为零），这种现象称为光的干涉。 菲涅耳利用图（一）所示装置，获得了双光束的干涉现象。图中双棱镜AB是一个分割波前的分束器，它的外形结构如图（二）所示，将一块平玻璃板的上表面加工成两楔形板，端面与棱脊垂直，楔角A 较小（一般小于10）。从单色光源M 发出的光波经透镜L会聚于狭缝S， 使S成为具有较大亮度的线状光源。 当狭缝S发出的光波投射到双棱镜 AB上时，经折射后，其波前便分割 成两部分，形成沿不同方向传播的 两束相干柱波。通过双棱镜观察这 两束光，就好像它们是由虚光源S1 和S2发出的一样，故在两束光相互 交叠区域P1P2内产生干涉。如果狭缝的宽度较小且双棱镜的棱脊和光源狭缝平行，便可在白屏P上观察到平行于狭缝的等间距干涉条纹。
设d '代表两虚光源S 1和S 2间的距离，d 为虚光源所在的平面（近似地在光源狭缝S 的平面内）至观察屏P 的距离，且d '＜＜d ，干涉条纹宽度为x ?，则实验所用光波波长λ可由下式表示： x d d ?= ' λ…………………………① 上式表明，只要测出d '、d 和x ?，就可算出光波波长λ。这是一种光波波长的绝 对测量方法，通过使用简单的米尺和测微目镜，进行毫米量级的长度测量，便可推算出微米量级的光波波长。 由于干涉条纹宽度x ?很小，必须使用测微目镜进行测量。两虚光源间的距离d '，可用一已知焦距为f '的会聚透镜L ， 置于双棱镜与测微目镜之间，如图（三），由透镜 两次成像法求得。只要使测目镜到狭缝的距离d ＞4f ，，，前后移动透镜，就可以在L ， 的两个不同位置上从测微目镜中看到两光源S 1和S 2，其中之一组为放大的实像，另一组为缩小的实像。如果分别测得二放大像的间距d 1和二缩小像的间距d 2，则根据下式： 21'd d d =…………………………② 即可求得两虚光源之间的距离d ， 。 [实验内容] 1、 调节共轴 （1） 将单色光源M 、会聚透镜L 、狭缝S 、双棱镜AB 与测微目镜P ，按图 （一）所示次序放置在光具座上，用目视粗略地调整它们中心等高、共轴，并使双棱镜的底面与系统的光轴垂直，棱脊和狭缝的取向大体平行。 （2） 点亮光源M ，通过透镜照亮狭缝S ，用手执白屏在双棱镜后面检查： 经双棱镜折射后的光束，有否叠加区P 1P 2（应更亮些），叠加区能否进入测微目镜，当白屏移动时叠加区是否逐渐向左、右或上下偏移根据观测到的现象，作出判断，再进行必要的调节（共轴）。 2、 调节干涉条纹 （1） 减小狭缝宽度（以提高光源的空间相干性），一般情况下（在近处）可 从测微目镜观察到不太清晰的干涉条纹。若远一点观察不到干涉条纹，
用双棱镜干涉测光波波长 (2)
用双棱镜干涉测光波波长 【实验目的】 1．掌握用双棱镜获得双光束干涉的方法，加深对干涉条件的理解． 2．学会用双棱镜测定钠光的波长. 【仪器和用具】 光具座，单色光源（钠灯），可调狭缝，双棱镜，辅助透镜（两片），测微目镜，白屏. 【实验原理】 如果两列频率相同的光波沿着几乎相同的方向传播，并且它们的位相差不随时间而变化，那么在两列光波相交的区域，光强分布是不均匀的，而是在某些地方表现为加强，在另一些地方表现为减弱（甚至可能为零），这种现象称为光的干涉， 菲涅耳利用图1所示的装置，获得了双光束的干涉现象，图中AB 是双棱镜，它的外形结构如图2所示，将一块平玻璃板的一个表面加工成两楔形板，端面与棱脊垂直，楔角A 较 小（一般小于10 ）．从单色光源发出的光经透镜L 会聚于狭缝S ，使成S 为具有较大亮度的线状光源．从狭缝S 发出的光，经双棱镜折射后，其波前被分割成两部分，形成两束光，就好像它们是由虚光源1S 和2S 发出的一样，满足相干光源条件，因此在两束光的交叠区域 21P P 内产生干涉．当观察屏P 离双棱镜足够远时，在屏上可观察到平行于狭缝S 的、明暗 相间的、等间距干涉条纹．
图1双棱镜干涉实验光路 图2 双棱镜结构 设两虚光源1S 和2S 之间的距离为d ，虚光源所在的平面（近似地在光源狭缝S 的平面内）到观察屏P 的距离为D ，且D d <<，干涉条纹间距为x ?，则实验所用光源的波长λ为 x D d ?= λ (1) 因此，只要测出d 、D 和x ?，就可用(1)式计算出光波波长． 【实验内容】 1．调节共轴 (1)按图1所示次序，将单色光源0S ，会聚透镜L ，狭缝S ，双棱镜AB 与测微目镜P 放置在光具座上．用目视法粗略地调节它们中心等高、共轴，棱脊和狭缝S 的取向大体平行． (2)点亮光源0S ，通过透镜L 照亮狭缝S ，用手执白纸屏在双棱镜后面检查：经双棱镜折射后的光束，有否叠加区21P P （应更亮些）?叠加区能否进入测微目镜？当移动白屏时，叠加区是否逐渐向左、右（或上、下）偏移？ 根据观测到的现象，作出判断，进行必要的调节使之共轴． 2．调节干涉条纹 (1)减小狭缝S 的宽度，绕系统的光轴缓慢地向左或右旋转双棱镜A B ，当双棱镜的棱脊与狭缝的取向严格平行时，从测微目镜中可观察到清晰的干涉条纹． (2)在看到清晰的干涉条纹后，为便于测量，将双棱镜或测微目镜前后移动，使干涉条纹的宽度适当．同时只要不影响条纹的清晰度，可适当增加狭缝S 的缝宽，以保持干涉条纹有足够的亮度．（注：双棱镜和狭缝的距离不宜过小，因为减小它们的距离，1S 和2S 间距也将减小，这对d 的测量不利．） 3．测量与计算 (1)用测微目镜测量干涉条纹的间距如，为了提高测量精度，可测出n 条（10～20条）干涉条纹的间距x ，除以n ，即得x ?.测量时，先使目镜叉丝对准某亮纹（或暗纹）的中心，然后旋转测微螺旋，使叉丝移过n 个条纹，读出两次读数，重复测量几次，求出x ?. (2)用光具座支架中心间距测量狭缝至观察屏的距离 D.由于狭缝平面与其支架中心不重合，且测微目镜的分划板（叉丝）平面也与其支架中心不重合，所以必须进行修正，以免
双棱镜干涉测光波波长
/d U u d x D d ?=?=，λ，UD x u d x D d ?=?=/λ222/22)()()()()(/v u u u d u x u D u u v u d x D +++?+=?λλ双棱镜干涉测光波波长 [预习思考题] 1、公式 中各量的物理意义是什么？实验中需测哪些物理量？ 答：二式中各量的物理意义：λ是待测光波长；d 是狭缝的两个虚像之间的距离；D 为狭缝到观察屏的距离；ΔX 为干涉条纹间距；U 为物距（狭缝到透镜的距离）；υ为像距（透镜到测微目镜的距离。目镜视场中有d 的像）； d ／为虚光源间距d 的像。 实验中需要测量的量有：D 、ΔX 、U 、υ、d 。 2、导出λ的不确定度传播式。 解：对上式取对数，求偏导，作方均根处理后即可得到： 3、导轨上的光学器件都等高共轴后，仍看不到干涉条纹，可能的原因主要有哪两个？ 答：① 狭缝过宽；② 双棱镜棱脊未与狭缝平行。 4、使用测微目镜时应注意什么？ 答：① 消除目的物与叉丝之间的视差（二者处于同一平面）； ② 消除空回误差（鼓轮应沿一个方向转动，中途不能反转）； ③ 叉丝的移动范围必须控制在毫米标度线所示的区域内（视场中的
，d D λ，x D d ?=λ0～8mm 以内），以防损坏读数机构。 [实验后思考题] 1、为什么双棱镜的折射角α必须很小？ 答：双棱镜的折射角α如过大，形成的虚光源的像就大而散，导致干涉 条纹不清晰；另外，干涉条纹间距ΔX= 若折射角α增大，虚光源间距d 就随之增大， ΔX 就会变小,ΔX 太小则无法分辨，故双棱镜折射角α一般为0.5°～1°。 2、根据实际情况，说明狭缝宽度与干涉效果的关系。 答：狭缝过宽，则干涉条纹不清晰；狭缝过窄，又会因光通量太少使视场过暗，干涉条纹亮处不亮。 3、移动双棱镜，增大或缩小双棱镜与狭缝的间距、干涉条纹的疏密将如何变化？为什么？ 答：当狭缝和测微目镜都固定后，若增大双棱镜与狭缝的距离，干涉条 纹将变密，反之变稀。根据式 λ和D 不变，当双棱镜移向测微目镜时，d 将变大，所以ΔX 变小。
物理实验研究性实验报告——钠黄光双线波长差的测量及其应用概要
研究型实验报告 院（系）名称机械工程及自动化学院专业名称机械工程及自动化 实验作者学生姓名学生学号第一作者王路明11071172 第二作者马天行11071160 第三作者吴宏宇11071167
钠黄光双线波长差的测量及其应用 王路明11071172 马天行11071160 吴宏宇11071167 摘要：迈克逊干涉仪是一种精密干涉仪，其测量结果可精确到与波长相比拟。本文从实验的原理和方法等方面对用此仪器精确测定钠黄双线差及钠的相干长度进行了讨论， 并用实验数据验证了理论值，达到了预期的效果。 关键词：迈克尔逊干涉仪，双线波长差，钠黄光，光程差，玻璃折射率， 一．实验基本要求 1．掌握迈克尔逊干涉仪的工作原理和结构，学会它的调整方法和技巧； 2．利用干涉条纹变化的特点测定光源波长； 3．了解光源的非单色性对干涉条纹的影响； 4．学会用迈克尔逊干涉仪测透明玻璃片折射率。 二．仪器简介 He 激光器、钠光灯、毛玻璃、扩束镜、千分尺、透明玻璃等迈克尔逊干涉仪、Ne 三．实验原理 迈克尔逊干涉仪是l883年美国物理学家迈克尔逊（A.A.Michelson）和莫雷（E.W.Morley）合作，为研究“以太漂移实验而设计制造出来的精密光学仪器。用它可以高度准确地测定微小长度、光的波长、透明体的折射率等。后人利用该仪器的原理，研究出了多种专用干涉仪，这
些干涉仪在近代物理和近代计量技术中被广泛应用。 1.波长差的测量 钠黄光中包含波长为λ1=589.6nm 和λ2=589.0nm 的两条黄谱线，当用它做光源时，两条谱线形成各自的干涉条纹，在视场中的两套干涉条纹相互叠加。由于波长不同，同级条纹之间会产生错位，当变化两束光的光程差时，干涉条纹的清晰度发生周期性变化 ()() L k I L I ?+=?101cos 1()() L k I L I ?+=?202cos 1 ? ?? ?? ???? ???+???? ????+=L k k L k I I 2cos 2cos 1221021k k k -=? 衬比度：?? ? ????=L k 2cos γ半周期：λ λ?≈ ?22 0L L ? γ 图1.钠黄光双线结构使干涉条纹的衬比度随ΔL 做周期性变化 在视场E 中心处λ 1 和λ2两种单色光干涉条纹相互叠加。若逐渐增大镜M1与M2的间距d ，当λ1得第k1级亮纹和的第k2级暗纹相重合时，叠加而成的干涉条纹清晰度最低，此时增大d ，条纹由逐渐清晰，直到光程差δ的改变达到 22112λ2 1 k λk 2d δ）（+=== （1） 时，叠加而成的干涉条纹再次变得模糊。可得 2112λ1m m λd d 2）（）（+==-（2） 则λ1和λ2的波长差为 Δd 2λλλ-λΔλ2 121= = （3） Δd=d2-d1 ，当λ1和λ2的波长差相差很小时，λ2 λλλλ2 121=+= (λ=589.3nm )， 则可得 d 22 21?=-=? λ λλλ （4）
双棱镜测激光波长
双棱镜测氦氖激光波长 一．实验目的 1.查找资料，了解双棱镜测激光波长原理和方法 2.熟悉实验器材 3.了解实验内容，掌握实验器材的使用方法以及实验操作的具体步骤 4.了解双棱镜干涉法测定激光波长的原理 5.学会在光具座上布置和调整光路系统 6.熟练使用读数显微镜 二，实验原理 双棱镜干涉 设光波照明一个单缝S(视为线光源)，令双棱镜顶角平行于单缝，且平分入射光波的波面，则经双棱镜折射所产生的两束光波好像是从S 1和S 2(两虚光源)处发出来的(见图 1)。若在两光波迭加区域内设置一观察屏如毛玻璃，则屏上就形成一系列明暗交替的平行匀排直条纹，借助读数显微镜即可进行观测。 若单缝离屏的距离为D ，在屏的x 轴上任取一点P(x)(如图2)，则从S 1和S 2两虚光源发出的两列波到达P 点时的光程差为(1)式所示。 D x d ?=? (1) 式中D>>d 、x ，根据干涉明、暗条纹之间的条件有 ?? ???+==?)()21()(暗明λλk k D dx (2) 故P 点为明或暗条纹时，应满足如下关系
???????+=) ()21()(暗明λλk d D k d D x (3) 不难求得，任何两相邻的明条或暗条的间距应为 λd D x =? (4) 由此可见，条纹间距正比于D 和λ，反比于d(两虚光源间距)。根据此式，测定x ?、D 和d ，便可求得光波长λ。 为测量两虚光源的间距d ，本实验采用透镜成像法，即用透镜将虚光源成像在屏上，一读数显微镜测量虚光源的像间距d’。为了避免测量上产生较大误差，充分发挥读数显微镜精确测量的功能，我们可以采取透镜两次成像法，分别测得两次虚光源所成像的间距d’和d ”，则两虚光源间距可由下式求得 d d d '''= (5) 三．实验内容 1．调节光柱的水平度 2．把狭缝器、双棱镜和毛玻璃屏，显微镜放置于一条直线上 3．开启激光器调节倾角，直到用尺测得的光源的出口到桌面的高度与毛玻璃屏中心点到桌面的高度相等，然后调节狭缝器、双棱镜和读数显微镜共轴等高，移动狭缝器并调节大小，在双棱镜处用一挡光片，可以看到衍射光斑，微调双棱镜片，微调双棱镜使衍射光斑的中心点通过棱镜的脊背，在微调毛玻璃屏使干涉条纹大多落在屏的中心，调节显微镜目镜使叉丝最清晰，调节显微镜的物镜，使看到的衍射条纹和干涉条纹相结合的干涉条纹最清晰为止。 4．然后测量两相邻干涉条纹的间距，微微移动显微镜，或转动物镜使竖叉丝与干涉条纹平行，然后旋转调节器使显微镜筒往一个方向移动，最后记下相邻两干涉条纹之间的间距 5．用两次成像法进行测量两虚光源的间距 ，把透镜至于毛玻璃屏与双棱镜之间，调整透镜可以看到两个不同间距的光源，最后测量呈放大和缩小的两个点的间距，然后代入公式可以求得两虚光源的间距d ，并多次测量，最后把测得的数据代入公式可求得激光的波长 四．实验数据 ∴d d d '''= =2.245mm ∴x D d ?= λ=6.314×10-7m
钠黄光双线波长差的测定
钠黄光双线波长差的测定方案 一．实验题目 钠黄光双线波长的测定方案 二．实验目的 1．进一步掌握迈克耳逊干涉仪的调节和使用方法． 2．加深对各种分振幅干涉图形的认识和理解． 3．测定钠光双线的波长差． 三．实验仪器 M—干涉仪、纳光灯、毛玻璃片(带格线)。 四．实验原理 （一）.实验意义及说明 低压钠灯因其光谱中的黄双线波长差小而强度特别大，常直接作为单色光源使用。但是在用迈克耳孙干涉仪测波长实验里，由于波长差约0.6mm的双线影响，在干涉仪可移动反射镜微动过程中，计量干涉条纹变化数目时，伴随着干涉条纹可见度的起伏，而时间相干性可表述为辐射场中某点在不同时刻发生的光扰动之间的相位相关性，常用相干长度来衡量。本实验应用迈克耳孙干涉仪对这两个课题做初步研究。 （二）.等倾干涉条纹的可见性周期性变化 低压钠灯发出的黄光包括两种波长相近的单色光(λ1=58965.930?，λ2= 5889.963?)。这两条光谱线是钠原子从3P态跃迁到3S态的辐射，用扩展的钠光灯照射迈克耳孙干涉仪得到的等倾干涉圆环是两种单色光分别产生的干涉图样的叠加。 若以d表示M1/、M2间距(参见迈克耳孙干涉仪原理图)，则当2d=kλ(k=0,1,2，…)时，环中心是亮的，而当2d= (2k+1) λ/2 (k=0,1,2,…)时，环中心是暗的，若继续移动M2，则当M1/，M2的间距增大到d1，且同时满足 2d1 = kλ1 (1) 2d1 =(k+1/2)λ2 (λ1>λ2)(2) 两个条件时，因为λ1和λ2相差不大，λ1的各级暗环恰好与λ2的各级亮环重合
条纹的可见度几乎为0，难以分辨，继续移动反射镜，当M1/、M2间距增到d1时，又使λ1和λ2的各亮环重合，条纹又清晰可见，随着M2的继续移动，当M1/、M2间距d2满足 (4) (5) 时，条纹几乎消失.由（4）式减去（1）式，（5）式减去（2）。M1/、M2间距增加量△d 满足 （6） （7） 时，条纹的可见度出现上述一个周期的循环，式中△k 为干涉条纹级次的增加量。 由（7）减去（6）式的 （8) 由（6）式可得 △k=2△d/λ1 (9) 把（9）式代入8式的 △λ=λ1λ2/2△d=21λ/2△d （10） （其中21λ可为二波长平均值的平方） 六．实验步骤 1．等顷干涉条纹的调节 (1)在钠光灯前覆盖一片毛玻璃，即成扩展面光源。 (2)旋转粗调手轮，使M1、M2与分光板G 的距离大致相等。 (3)检查两个反射镜后的调节螺丝，使其松紧适当，两个微调拉簧螺丝取适中位置，留有双向调节余量。 (4)先后调节M1和M2镜后的螺丝，使分别由两个反射镜反射的毛玻璃格子像相互接近、重合，直到出现干涉条纹(若条纹很模糊，转动粗调手轮约半周即有改善。)，再用两个拉簧螺丝仔细地调节M2镜的方位，使干涉条纹变粗，曲率变大，把条纹的圆心调至视场中央，直到眼睛左右移动时环心处无明暗变化，M2与M1/即达到完全平行，出现清晰的等倾干涉条纹。 2．测量钠黄双线的波长差 (1)转动粗调手轮，使M2镜逐渐远离分划板，找到调纹变模糊位置，调好 ()2 1 2d k k λ =+?()1 22221d k k λ=++?+???? 2 2(1)d k λ?=?+2 12k λλλλ?=-= ?1 2d k λ?=?
用双棱镜干涉测光波波长的实验报告
用双棱镜干涉测光波波长的实验报告 【实验目的】 1．掌握用双棱镜获得双光束干涉的方法，加深对干涉条件的理解． 2．学会用双棱镜测定钠光的波长． 【实验仪器】 光具座，单色光源(钠灯)，可调狭缝，双棱镜，辅助透镜(两片)，测微目镜，白屏． 【实验原理】 如果两列频率相同的光波沿着几乎相同的方向传播，并且它们的位相差不随时间而变化，那么在两列光波相交的区域，光强分布是不均匀的，而是在某些地方表现为加强，在另一些地方表现为减弱(甚至可能为零)，这种现象称为光的干涉． 菲涅耳利用图1所示的装置，获得了双光束的干涉现象．图中AB 是双棱镜，它的外形结构如图2所示，将一块平玻璃板的一个表面加工成两楔形板，端面与棱脊垂直，楔角A 较小(一般小于10)．从单色光源发出的光经透镜L 会聚于狭缝S ，使S 成为具有较大亮度的线状光源．从狭缝S 发出的光，经双棱镜折射后，其波前被分割成两部分，形成两束光，就好像它们是由虚光源S1和S2发出的一样，满足相干光源条件，因此在两束光的交叠．区域P1P2内产生干涉．当观察屏P 离双棱镜足够远时，在屏上可观察到平行于狭缝S 的、明暗 相间的、等间距干涉条纹． 图1 图2 设两虚光源S1和S2之间的距离为d '，虚光源所在的平面(近似地在光源狭缝S 的平面内)到观察屏P 的距离为d ，且d d <<'，干涉条纹间距为x ?，则实验所用光源的波长λ为 x d d ?'= λ 因此，只要测出d '、d 和x ?，就可用公式计算出光波波长． 【实验内容】 1．调节共轴 (1)按图1所示次序，将单色光源M ，会聚透镜L ，狭缝S ，双棱镜AB 与测微目镜P 放置在光具座上．用目视法粗略地调节它们中心等高、共轴，棱脊和狭缝S 的取向大体平行． (2)点亮光源M ，通过透镜L 照亮狭缝S ，用手执白纸屏在双棱镜后面检查：经双棱镜折射后的光束，有否叠加区P1P2 (应更亮些)?叠加区能否进入测微目镜? 当移动白屏时，叠加
菲涅尔双棱镜干涉测波长
实验17 菲涅耳双棱镜干涉测波长 利用菲涅耳双棱镜可以获得两束相干光以实现光的干涉。双棱镜实验和双平面反射镜实验及洛埃镜实验一起，在确立光的波动学说的历史过程中起了重要作用。同时它也是一种用简单仪器测量光波波长的主要元件。 双棱镜是利用分波阵面法获得相干光的光学元件，本实验用双棱镜实验装置测单色光的波长。 实验目的和学习要求 1. 学习用双棱镜干涉测量单色光波长的原理和方法； 2. 进一步掌握光学系统的共轴调整； 3. 学会测微目镜的使用； 4. 练习逐差法处理数据和计算不确定度。 实验原理 如果两列光波其频率相同，振动方向相同，相位相同或位相差恒定，且振幅差别不太悬殊的情况下，它们在空间相遇时叠加的结果，将使空间各点的光振幅有大有小，随地而异，形成光的能量在空间的重新分布。这种在空间一定处光强度的稳定加强或减弱的现象称为光的干涉。获得相干光源，依其原理不同可分为分振幅法和分波阵面法，牛顿环和劈尖干涉是分振幅的干涉，双棱镜是利用分波阵面法而获得相干光源的。 菲涅耳双棱镜可以看作是由两块底面相接、棱角很小（约为1°）的直角棱镜合成的。若置波长为λ的单色狭条光源S0于双棱镜的正前方，则从S0射来的光束通过双棱镜的折射后，变为两束相重叠的光，这两束光仿佛是从光源S0的两个虚像S1和S2射出的一样。由于S1和S2是两个相干光源，所以若在两束光相重叠的区域内再放一屏，即可观察到明暗相间的干涉条纹。（如图17-1）因为干涉场范围比较窄，干涉条纹的间距也很小，所以一般要用测量显微镜或测微目镜来观察。 图17-1 双棱镜干涉光路 现在讨论屏上干涉条纹的分布情况，分别从相干光源S1和S2发出来的光相遇时，若它们之间的光程差δ恰等于半波长（λ/2）的奇数倍，则两光波叠加后为光强极小值；若δ恰等于波长λ的整数倍，两光波叠加后得光强极大值。即 暗纹条件δ = （2－1）λ / 2 = ± 1, ±2 ,……（17-1）明纹条件δ = λ= 0 , ± 1, ±2 , ……（17-2）如图（17-2）所示，设S1和S2是双棱镜所产生的两相干虚光源，其间距为，屏幕到S1S2平面的距离为D，若屏上的P0点到S1和S2的距离相等，则S1和S2发出的光波到P0的光程也相等，因而在P0点相互加强而形成中央明条纹。
利用双棱镜干涉法测He-Ne激光波长
实验题目：利用双棱镜干涉法测He-Ne 激光波长 实验目的：1观察双棱镜产生的双光束干涉现象，进一步理解产生干涉的条件 2学会用双棱镜测定光波波长。 实验仪器：光具座，He-Ne 激光器，双棱镜，扩束激光透镜及镜架，成像透镜及镜架， 测微透视观察屏卷尺等 实验原理： 设d 代表两虚光源1S 和2S 间 的距离，D 为虚光源所在的平面(近似地在光源狭缝S 的平面内)至观察屏Q 的距离，且d 《D ，任意两条相邻的亮（或暗）条纹间的距离为ΔX ，则实验所用光波波长λ可由下式表示： λ= D d ΔX 由于干涉条纹宽度ΔX 很小，必须使用测微目镜进行测量．两虚光源间的距离d ，可用一已知焦距为f 的会聚透镜L ，置于双棱镜与测微目镜之间，由透镜两次成像法求得．只要使测微目镜到狭缝的距离大于4f ，前后移动透镜，就可以在透镜的两个不同位置上从测微目镜中看到两虚光源1S 和2S 经透镜所成的实像，其中之一为放大的实像，另一个为缩小的实像．如果分别测得两放大像的间距1d ，和两缩小像的间距2d ， d= 21d d 实验步骤：1调节光学元件等高共轴：调节光源狭缝，双棱镜，测微目镜等高共轴，并使狭缝方向与双棱镜棱脊沿竖直方向平行
2调节出清晰的干涉条纹：开启光源调节放置位置及光路，使光通过狭缝对称地照到双棱镜棱脊两侧，将缝调至适当宽度，微调狭缝的倾角，以从目镜中看到清晰的条文为准。 3测x和D：调节缝屏之间的间距适中，固定狭缝，双棱镜，测微目镜位置不变，移动测微目镜读数骨轮，测缝屏之间的距离 4测a：用凹透镜成像法测虚光源间距a=ua`/v 注意事项：1先粗调后细调。测量要满足无视差要求。注意消除测微目镜 鼓轮的空程误差。 2单缝面到支座中心距离为42.00mm，测微目镜叉丝面到支座中心距离为37.15mm。 3使用测微目镜时，首先要确定测微目镜读数装置的分格精度；要注意防止回程误差；旋转读数鼓轮时动作要平稳、缓慢；测量装置要保 持稳定． 实验结果：表格数据 实验思考：1实验中用透视观察屏测量条纹间隔及虚光源像的距离，为何不用白屏观察 和测量 2可以更具像距焦距测算出物距，也可以应用两次成像法计算，试比较哪种好，是否与成像透镜焦距长短有关？ 3仔细观察双棱镜扩束镜远近不同时，观察屏上干涉条纹间距如何变化？虚光源像的间距如何变化？在不同条件下成像时要保证成像同样清晰，成像透镜那个位置是否要变化？将观察结果进行理论分析。
用双棱镜干涉测半导体激光波长
用双棱镜干涉测半导体激光波长实验目的： 1、观察双棱镜产生的干涉现象，进一步理解产生干涉的条件。 2、熟悉干涉装置的光路调节技术，进一步掌握在光具座上多元件的等高 共轴调节方法。 3、学会用双棱镜测定光波波长。 实验仪器： 光学实验导轨、二维+LD、双棱镜、激光功率指示计、十二档光电探头+大一维位移架、凸透镜、白屏等。 实验原理： 双棱镜是由两个折射角很小（小于1度）的直角棱镜组成，且两个棱镜的底边连在一起（实际上是在一快玻璃上，将其上表面加工成两块楔形板而成），用它可实现分波前干涉。通过对其产生的干涉条纹间距等长度量（毫米量级）的测量，可推算出光波波长。 如图1所示，双棱镜AB的棱脊（即两直角棱镜底边的交线）与S的长度方向平行，H为观察屏，且三者都与光具座垂直放置。由半导体激光器发出的光，经透镜L1会聚与S点，由S出射的光束投射到双棱镜上，经过折射后形成两束光，好象是从两虚光源S1和S2发出的。由于这两束光满足相干条件，故在两束光相互重叠的区域（图中画斜线的区
域）内产生干涉，可在观察屏H上看到明暗交替的、等间距的直线条纹。中心O处因两束光的程差为零而形成中央亮纹，其余的各级条纹则分别排列在零级的两侧。 设两虚光源S1和S2间的距离为d，虚光源平面中心到屏的中心之间的距离为D；又设H屏上第k（k为整数）级亮纹与中心O相距为X k，因X k
(整理)用双棱镜测钠光波长
实验八 用双棱镜测钠光波长 【实验目的】： 1.观察双棱镜产生的光的干涉现象和特点，掌握获得双束光干涉的一种方法，进一步理解产生干涉的条件。 2.用双棱镜测定钠光的波长； 3.学习测微目镜等光学仪器的使用与调整方法。 4.观察光的干涉现象 【实验仪器】： 双棱镜、可调狭缝、辅助透镜、测微目镜、光具座、白屏、钠光灯。 【实验原理】： 由双棱镜干涉条件，光源发射的单色光经会聚透镜后会聚于单缝S 而成线光源，光从S 发出经双棱镜后，形成二虚光源S 1、S 2，该虚光源所发出的光满足干涉条件，在交迭区内产生干涉，成为平行于狭缝的等间距干涉条纹，由此可得： x D d ?=λ 其中：λ ：光源之波长。 ?x ：干涉条纹的间距。 d ：虚光源S 1、S 2间距。 D ：虚光源（狭缝S ）至观察处之距 离。 ?x ：可由测微目镜测量求出； D ：可由光具座标尺读数读出； d ：由二次成像法求出： 21d d d = 其中：d 1、d 2为辅助透镜二次成像成像到测微目镜分划板的二虚光源S 1、S 2之间的距离。 【实验步骤与内容】： 一、测钠光波长： 1．按实验要求安置光学元件，进行共轴调节 ，使光束能对称地照射于双棱镜之棱脊上；
2．调节测微目镜，使之能观察到清晰的干涉条纹； 3．按要求测量n 条条纹间距x ，测量5—7组数据（填入记录表格）。 测虚光源到测微目镜之距离（单次测量） D ， ? D （填入记录表格）。 按二次成像法测d 1d 2测量3—5组数据（填入记录表格） 二、数据处理要求：参照相关教材不确定度计算举例处理数据。 【注意事项】： 1.严格进行共轴调节 该实验对共轴性要求非常严格，调节时可用白屏在外观察双缝所产生之光束是否亮波均匀，狭缝宽度必须适当； 2.测微目镜读数时，必须顺一个方向旋转，以免产生回程误差； 3.旋转读数鼓轮时，动作要平稳、缓慢。 4.测虚光源到测微目镜之距离时要注意修正值。 复习思考题： 1、双棱镜和光源之间为什么要放一狭缝？为什么狭缝要很窄才可以看到清晰的干涉条纹？ 2、试证明公式21'd d d
用迈克尔逊干涉仪测量钠黄光双线波长差
用迈克尔逊干涉仪测量钠黄光双线波长差 摘要：介绍了利用迈克尔逊干涉仪测量钠黄光双线波长差的方法及测量过程中应该注意的 若干问题。 关键词：钠黄光，双线波差，迈克尔逊干涉仪 迈克尔逊干涉仪在近代物理学的发展和近代计量技术中起过重要作用。1883年迈克尔 逊和他的合作者莫雷曾经利用这种干涉仪完成了著名的迈克尔逊——莫雷“以太飘移”实验，实验结果否定了以太理论，促进了相对论的建立；此后迈克尔逊用干涉仪研究了光源干涉条 纹可见度随光程差变幻的规律，并以此推断光谱线的精细结构。由于很多重要的贡献，迈克 尔逊于1907年获得了诺贝尔物理学奖。由于迈克尔逊干涉仪的测量精度很高（1051-?mm ）,所以我们利用其优点，在本实验中对钠黄光双线波长差进行了较精确的测量。 1 实验原理 钠黄光中包含波长为λ1=589.6nm 和λ2=589.0nm 的两条黄谱线，当用它做光源时， 两条谱线形成各自的干涉条纹，在视场中的两套干涉条纹相互叠加。由于波长不同，同级条 纹之间会产生错位，当变化两束光的光程差时，干涉条纹的清晰度发生周期性变化。 图1 钠黄光双线波长差测量实验图 当M1与M2平行时，记，M1 M2=d ，则两束光在视场E 中心处的光程差为δ=2d ，对波长 λ的入射光，由光的干涉条件可知： P
当δ=2d=k λ时，在视场E 中心处干涉加强； 当δ=2d=（k + 2 1）λ 时，在视场E 中心处干涉减弱。 在视场E 中心处λ1 和λ2两种单色光干涉条纹相互叠加。若逐渐增大M1与M2的间距d ， 当λ1得第k1级亮纹和的第k2级暗纹相重合时，叠加而成的干涉条纹清晰度最低，此时 22111λ21k λk 2d δ）（+=== （1） 增大d ，条纹由逐渐清晰，直到光程差δ的改变达到 22112λ2 1k λk 2d δ）（+=== （2） 时，叠加而成的干涉条纹再次变得模糊。式（2）减式（1）可得 2112λ1m m λd d 2）（）（ +==- 则λ1和λ2的波长差为 Δd 2λλλ-λΔλ2121= = （3） 则Δd=d2-d1 ，当λ1和λ2的波长差相差很小时，λ2λλλλ2121=+= (λ=589.3nm )，则由式（3）可得 d 2221?=-=?λλλλ （4） 如果已知Δd 和λ即可计算出两种波长λ1和λ2的波长差Δλ。 2 方法 （1） 以钠光为光源，使之照到毛玻璃屏上，形成均匀的扩束光源。在E 处沿EPM1的方 向进行观察。调节M2镜后的微调螺钉，使观察到的双影完全重合，使出现干涉圆形条纹。 （2） 调好圆形干涉条纹后，缓慢移动M1镜，使视场中心的可见度最小，记下M1镜的位 置d1，再沿原来方向移动M1镜，直到可见度最小，记下此时M1镜的位置d2，即得到 Δd=∣d2-d1∣。 （3） 按上述步骤重复五次，求的d ?代入式（4），计算出钠光的双线波长差λ?。 3 数据处理 实验中测得的数据如下表
双棱镜干涉测光波波长
大学物理实验课教案 虞学红（）一、教学课题 双棱镜干涉（教材光学实验部分，第131页—134页） 二、实验目的 1. 观察描述双棱镜干涉现象。 2. 理解产生干涉的条件。 3. 掌握用双棱镜干涉测定光波波长的方法。 三、重点和难点 重点：测微目镜的使用。 难点：相干光源的获得；虚光源间距的测量。 四、实验仪器 1：钠光灯；2：可调狭缝；3：双棱镜；4：测微目镜； 5：凸透镜；6：像屏；7：光具座及附件 五、实验原理 1、相干光源的获得（难点） 图1：虚光源示意图 如图所示，双棱镜AB是由两个折射角很小的直角棱镜组成的。借助棱镜界面的两次折射，可将光源（单缝）发出的光的波阵面分成沿不同方向传播的两束光。这两束光相当于由虚光源S1、S2发出的两束相干光，于是它们在相重叠的空间区域内产生干涉。在接收装置——测微目镜上将看到明暗交替的干涉条纹。 2、波长计算公式的推导 图2：双棱镜干涉条纹计算图 设S1、S2的间距为d(右图)，由S1和S2到观察屏的距离为D。若观察屏中央O点与S1和S2距离相等，则有S1和S2射来的两束光的光程差等于零，在O点处两光波互相加强，形成中央明条纹。其余的明条纹分别排列在O点的两旁。假定P是观察屏上任意一点，
它离中央O 点的距离为X 。在D 较d 大很多时，则有 D x d ≈δ。 当λδk D xd == （???±±=2,1,0k ）或λk d D x = (???±±=2,1,0k )，则两束光在P 点相互加强，形成明条纹。当()212λδ-==k D xd （???±±=2,1,0k ）或()2 12λ-=k d D x （???±±=2,1,0k ），则两束光在P 点相互削弱，形成暗条纹。 相邻两明（或暗）条纹的距离为λD D x x x k k = -=?=1。测出D 、d 和相邻两条纹的间距△X 后，由上式即可求得光波的波长。x D d ?=λ 3、薄凸透镜两次成像法（共轭法）测虚光源间距（难点） 用透镜两次成像法测两虚光源的间距d 。保持狭缝与双棱镜原来的位置不变。在双棱镜和测微目镜之间放置一已知焦距为f 的会聚透镜L ，移动测微目镜使它到狭缝的距离大于4f 。前后移动透镜和光屏，使狭缝经双棱镜折射而成的虚光源通过透镜在屏上成一清晰的像。固定测微目镜于光屏的位置，分别测得两次清晰成像时实像的间距d1和d2。各测3次，取其平均值，再计算21d d d =值 图3：两次成像法测虚光源的间距d 六、数据记录 结合数据记录，重点介绍测微目镜的使用。介绍逐差法处理数据。 七、实验注意事项（在演示中强调并加以解释） 1 测微目镜读数时，读数鼓轮应始终沿同一个方向旋转，以免产生回程差。 2 保护光学元件，不可用手触摸光学面。 3 注意测微目镜的量程范围，不可使双刻线移动范围超出量程（0-8mm ）。 八、思考题（课堂随机布置，在实验报告中回答） 1．根据实验调节过程，说明得到清晰的、对比度好的干涉条纹的关键是什么？ 答：为获得对比度好、清晰的干涉条纹，调节好的光路必须满足以下条件：（1）光路中各元件同轴等高。（2）单缝与双棱镜棱脊严格平行，通过单缝的光对称地射在双棱镜的棱脊上。（3）单缝宽窄合适，否则干涉条纹对比度很差。 2．结合实验现象，讨论分析单缝宽度对干涉现象的影响，改变单缝与双棱镜的间距时，干涉条纹的变化规律以及移动测微目镜时干涉条纹的变化情况。
5 双棱镜干涉测波长及楔角实验讲义
实验12 双棱镜干涉测激光波长 实验目的 1．理解菲涅尔双棱镜干涉原理。 2．掌握光学系统共轴等高调节方法。 3．通过双棱镜干涉法测量激光波长及双棱镜楔角。 预习要点 1．理解菲涅尔双棱镜干涉原理，光学系统组成、理解双棱镜楔角测量原理、方法，了解所需测量的物理量。 2．掌握光学系统共轴等高调节方法和原则。 3．初步分析实验过程中影响实验结果的因素，实验注意事项。 实验原理 （一）菲涅尔双棱镜的结构 图12.1是菲涅尔双棱镜结构图。其结构是将一块平板玻璃的上表面加工成两楔形，两端与棱脊垂直，楔角较小，一般小于1度。当单色光照射棱镜表面时，经其折射后形成两束光波频率相同，相位差不随时间变化的光，那么在两列光波相交的区域内，形成明暗相间的干涉条纹。 图 12.1 菲涅尔双棱镜结构图 （二）菲涅尔双棱镜干涉 如图12.2所示，若置单色光源S 于双棱镜的正前方，则从S 射来的光束通过双棱镜的折射后，变为两束相重叠的光，这两束光仿佛是从光源S 的两个虚像S 1和S 2射出的一样。由于S 1和S 2是两个相干光源，所以若在两束光相重叠的区域内放置一个屏，即可观察到明暗相间的干涉条纹。 图 12.2 双棱镜干涉原理 棱脊 端面 楔角
设虚光源S1和S2的距离是a ，l 是虚光源到屏的距离。令P 为屏上任意一点，R1和R2分别为从S1和S2到P 点的距离，则从S1和S2发出的光线到达P 点得光程差是： △L= R 2- R 1 （12.1） 令N 1和N 2分别为S 1和S 2在屏上的投影，O 为N 1N 2的中点，并设OP=x ，则从△S 1N 1P 及△S 2N 2P 得： 2221()2a R l x =+- （12.2） 2222()2 a R l x =++ （12.3） 两式相减得：22212R R ax -= 2121()()2R R R R ax -+= 即： 22L l ax ??= ax L l ?= （12.4） 根据干涉条件： (0,1,2)21 (0,1,2)2 k k L k k λλ=±±????? ?=?+=±±?????明纹暗纹 （12.5） 由上式可知，两干涉条纹之间的距离是： l x a λ?= a x l λ=? （12.6） 因此，只要测得干涉条纹的间距△x ，两虚光源间距a ，以及虚光源到观察屏的距离l ， 就可以测得单色光的波长λ。 （三）测量两虚光源之间的距离 a 是两虚光源之间的距离，因而不能用直接的比较方法测得，但它们相当于两个发光点，它们之间的距离可用透镜成像的规律进行测量，通常采用共轭法。 由图12.3可得，a 为两虚光源时间的距离。如果物屏与像屏的距离 l 保持不变且大于4倍透镜焦距，移动辅助透镜，在屏上可获得一大、一小两次清晰的像（两个虚光源的像），分别用d 1和d 2代表两次成像时两虚光源的间距，则： a （12.8） 图 12.3 共轭法成像光路 （四）双棱镜楔角的测量（拓展）
双棱镜干涉测钠光波长
实验1 用双棱镜干涉测钠光波长 法国科学家菲涅耳（Augustin J.Fresnel）在1826年进行的双棱镜实验，证明了光的干涉现象的存在，它不借助光的衍射而形成分波面干涉，用毫米级的测量得到纳米级的精度，其物理思想、实验方法与测量技巧至今仍然值得我们学习。本实验通过用菲涅耳双棱镜对钠光波长的测量，要求掌握光的干涉的有关原理和光学测量的一些基本技巧，特别要学习在光学实验中如何计算测量结果的不确定度。 [实验目的] 1．观察双棱镜产生的双光束干涉现象，进一步理解产生干涉的条件； 2．学会用双棱镜测定光波波长． [实验原理] 如果两列频率相同的光波沿着几乎相同的方向传播，并且这两列光波的位相差不随时间而变化，那么在两列光波相交的区域内，光强的分布不是均匀的，而是在某些地方表现为加强，在另一些地方表现为减弱(甚至可能为零)，这种现象称为光的干涉。 图12-1 双棱镜的干涉条纹图 菲涅耳利用图12-1所示装置，获得了双光束的干涉现象．图中双棱镜B是一个分割波前的分束器，它的外形结构如图12-2所示．将一块平玻璃板的上表面加工成两楔形板，端面与棱脊垂直，楔角较小(一般小于1°). 当狭缝S发出的光波投射到双棱镜B上时，借助棱镜界面的两次折射，其波前便分割成两部分，形成沿不同方向传播的两束相干柱波．通过双棱镜观察这两束光，就好像它们是由虚光源S1和S2发出的一样，故在两束光相互交叠区域内产生干涉．如果狭缝的宽度较小且双棱镜的棱脊和光源狭缝平行，便可在光屏Q上观察到平行于狭缝的等间距干涉条纹． 设d代表两虚光源S1和S2间的距离，D为虚光源所在的平面(近似地在光源狭缝S的平面内)至观察屏Q的距离，且d<