物理化学电子教案-第六章.ppt

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1、白光干涉实验,实验目的,实验原理,仪器介绍,实验内容,思考练习,迈克尔逊简介,迈克尔逊（Albert Abraban Michelson，18521931）美国物理学家。曾从事光速的精密测量 工作。迈克尔逊首倡用光波波 长作为长度基准。1881年，他发明了一种 用以测定微小长度、折射率和光波波长的干涉 仪（迈克尔逊干涉仪）。他与美国物理学家E.W.莫雷合作，进行了著名的迈克尔逊莫雷实验，否定了“以太”的存在，为爱因斯坦建立狭义相对 论奠定了基础。由于创制了精密的光学 仪器和利用这些仪器所完成的光谱学和基本度量 学研究，迈克尔逊于1907年获诺贝尔物理学奖金。,1.实验目的,1、测量钠光D双线的

2、波长差；2、观察白光干涉条纹；3、测量白光的相干长度。,点光源S。分光镜G1，G1右表面镀有半透半反射膜，使入射光分成强度相等的两束。全反射镜M1和M2：M1为固定全反射镜，背部有三个粗调螺丝，侧面和下面有两个微调螺丝。M2为可动全反射镜，背部有三个粗调螺丝。,迈克尔逊干涉仪结构原理,迈克尔逊干涉仪的结构及光路,观察区域F，如到达F处的两束光满足相干条件，可发生干涉现象。G2为补偿扳，它与G1为相同材料，有相同的厚度，且平行安装，目的是要使参加干涉的两光束经过玻璃板的次数相等，波阵面不会发生横向平移。,2.实验原理,分光板把入射光分成两束强度几乎相等的光束（因此迈克尔逊干涉仪是分振幅干涉），这

3、两束光经过两个平面镜的反射之后汇集到分光板后面发生干涉，形成干涉条纹（因此迈克尔逊干涉仪是双光束干涉）。可动平面镜和固定平面镜的虚像形成了一个薄的空气层，这两束光可以看成是从该膜的上下底面上方反射回来的。这种干涉现象跟厚度为d的空气薄膜产生的干涉现象等效。因此迈克尔逊干涉仪的等效光路就是一个薄膜干涉。,1、如果光源是点光源，则产生非定域干涉2、如果光源是扩展光源，则产生定域干涉3、如果两个平面镜严格垂直，即空气膜厚度处 处相等，则形成等倾干涉条纹-同心圆环。4、如果两个平面镜稍有倾斜，即空气膜为一个 空气劈尖，则形成等厚干涉条纹-直条纹。5、如果利用扩展白光源，则可以看到彩色条纹。,干涉图样的

4、类型,激光源的等倾干涉图,白光干涉图,光谱双线波长差如前述的原理，当M1与M2互相平行时，得到明暗相间的圆形干涉条纹。如果光源是绝对单色的，则当M1镜缓慢移动时，虽然视场中心条纹不断涌出或陷入，但条纹的衬度不变，所谓条纹的衬度是指条纹的清晰程度，通常定义为,式中Imax和Imin分别为亮纹的光强和暗纹的光强。如果光源中包含有波长相近的两种光波1和2，则可遇到这样情况：两列光波（1）和（2）的光程差恰好为1的整数倍，而同时又为2的半整数倍，亦即,这时，1光波成亮环的地方，恰好是光波2被生成暗环的地方。如果这两列光波强度相等，则由定义，在这些地方条纹的衬度为零。从某一衬度为到相邻的下一次衬度为零，

5、即如果第一次衬度为零时，1为亮环，那么第二次它即为暗条纹，也就是光程差的变化L对1是半个波长的奇数倍，同时对2也是半个波长的奇数倍，又因这两个奇数是相邻的，故得,于是,对于视场中心来说，设M1镜在相继两次衬度为零时移动L应等于2d，所以,只要知道两波长的平均值 和M1镜移动的距离d，就可以求出两者的波长差，根据这原理，可以用实验测量钠光D双线的波长差。,考虑等倾条纹时视场中心处的 情况。对于任何一种光源，都存在一个dm值，时，视场中干涉场的可见度为零；只有当 时，才能出现干涉条纹。不同光源的dm值不同，即能够产生干涉条纹的最大光程差 不同。我们称 为该光源的相干长度。,相干长度,不同光源的相干

6、长度有很大差异：氦氖激光束单色性很好，单纵模氦氖激光束只有10-410-7nm，相干长度由数米到数公里；普通低压水银灯、钠灯的准单色光的约为10-2nm，相干长度只有数厘米；钨丝灯发射的光，其与0相近，相干长度仅数微米。,3.仪器介绍,仪器主体结构如右图所示，导轨（7）固定在一只稳定的底座上，由三只调平螺丝（9）支承调平后可以拧紧锁紧圈（10）以保持座架稳定。丝杆（6）螺距为1mm转动粗动手轮（2）经一对传动大约为2:1的齿轮付带丝杆旋转与丝杆啮合的可调螺母（4），通过防转挡块带动移动镜（11）在导轨面上滑动，实现精动，移动距离的毫米数可在机体侧面的毫米刻尺（5）上读得通过读数窗口，在刻度盘（

7、3）上读到0.001mm，移动镜（11）和参考镜（14）附近有两个微调螺丝（15）垂直的螺丝使镜面干涉图象上下微动水平螺丝则使干涉图象和水平移动，丝杆顶进力可通过滚花螺帽（8）来调整，仪器各部活动要求转动轻便，弹性元件接触力适宜。,分光板、补偿板和反射镜,当使用完毕，需存放一段时期时，导轨丝杆面应上防锈油，由于结构上原因，微动手轮正反空回，出厂时允许在0.03mm范围内，这对测试是无影响的。如果出现不圆整，不规则现象，应检查分光板和补偿板之间相互是否平行，照明光轴是否在视场上局中，与分光面成45等。也可调移动镜和参考镜粗微动螺钉来实现，以保证干涉条纹清晰。平时丝杆面上防锈油脂，加上T5精密仪表

8、油。,粗调和微调鼓轮,轨道上的标尺,4.实验内容,1.了解迈克尔逊干涉仪结构，熟悉每个旋钮的作用。,2.测量钠光D双线的波长差。,点亮HeNe激光器使之照射在前面的毛玻璃上，形成均匀的扩展光源。把HeNe激光器换成钠灯，调好等倾干涉条纹后，缓慢移动M1镜，使视场中心的衬度最小，记下M1镜的位置d1，沿原来方向移动M1镜，直至衬度又最小，记下M1镜的位置d2，即得 按上述步骤重复三次，求d的平均值，根据实验原理相关公式，计算钠灯D双线的波长差。,3.测量白光相干长度,利用激光束，调节M1和M2平行，仔细移动M2，使两束光光程差接近于零，即干涉条纹变为直线，产生白光干涉条件；换用白光光源，用微调手轮由b向a旋动，则可在ab间的某一位置看到处纸屏上出现彩色的白光条纹。花纹的中心就是M2、M1的交线，此时M1镜的位置准确地和M2镜重合，产生白光干涉条纹；利用等厚干涉条纹来测量测量白光相干长度。,5.思考练习,本实验中所用的麦克尔逊干涉仪粗调转动一圈代表M2镜移动多少距离？微调转动一圈又代表M2镜移动多少距离？在迈克尔逊干涉仪中，补偿板的作用是什么？试设计一个实验，利用迈克尔逊干涉仪测量薄玻璃片的折射率。,