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1、光的干涉光的干涉测量薄膜厚度量薄膜厚度 第1页，本讲稿共33页熟悉了解熟悉了解熟悉了解熟悉了解迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪主要内容：主要内容：1.了解迈克尔逊干涉仪结构及原理2.仪器的调节第2页，本讲稿共33页1.1.迈克尔逊干涉仪光路及结构迈克尔逊干涉仪光路及结构单单色色光光源源反反射射镜镜反射镜反射镜与与 成成 角角补偿板补偿板 分光板分光板 移动导轨移动导轨第3页，本讲稿共33页反射镜反射镜反反射射镜镜单单色色光光源源光程差光程差 的像的像当当 垂直于垂直于 时，可形成等倾时，可形成等倾干涉条纹干涉条纹.第4页，本讲稿共33页当当 不垂直于不垂直于 时，可形成
2、劈尖时，可形成劈尖型等厚干涉条纹型等厚干涉条纹.反反射射镜镜反射镜反射镜单单色色光光源源第5页，本讲稿共33页干涉干涉条纹条纹移动移动数目数目 迈克尔逊干涉仪的主要特性迈克尔逊干涉仪的主要特性 (1)两相干光束完全分开；两相干光束完全分开；(2)两光束的光程差可调两光束的光程差可调.移移动动距距离离移动反射镜移动反射镜第6页，本讲稿共33页 干涉条纹的移动干涉条纹的移动 当当 M1 与与 M2 之间距离变大时之间距离变大时，圆，圆形干涉条纹从中心一形干涉条纹从中心一个个长出个个长出,并向外扩张并向外扩张,干涉条纹变密干涉条纹变密；距距离变小时，圆形干涉离变小时，圆形干涉条纹一个个向中心缩条纹一
3、个个向中心缩进进,干涉条纹变稀干涉条纹变稀.第7页，本讲稿共33页等倾干涉条纹等倾干涉条纹M1M1与与M2重重 合合M2M2M1第8页，本讲稿共33页M1M2M2M1M2M1M1等厚干涉条纹等厚干涉条纹第9页，本讲稿共33页插入介质片光程差插入介质片光程差光程差变化光程差变化光程差光程差第10页，本讲稿共33页干涉条纹移动数目干涉条纹移动数目介质片厚度介质片厚度第11页，本讲稿共33页四，实验内容及步骤四，实验内容及步骤v1。使用前仪器的调节。使用前仪器的调节第12页，本讲稿共33页v（一）调整迈克尔逊干涉仪，观察非定域干涉、等倾干涉（一）调整迈克尔逊干涉仪，观察非定域干涉、等倾干涉的条纹的条
4、纹 对照实物和讲义，熟悉仪器的结构和各旋钮的作用；对照实物和讲义，熟悉仪器的结构和各旋钮的作用；点燃点燃HeNe激光器，使激光大致垂直激光器，使激光大致垂直M1。这时在屏。这时在屏上出现两排小亮点，调节上出现两排小亮点，调节M1和和M2背面的三个螺钉，使背面的三个螺钉，使反射光和入射光基本重合（反射光和入射光基本重合（两排亮点中最亮的点重合且与两排亮点中最亮的点重合且与入射光基本重合入射光基本重合）。这时，）。这时，M1 和和M2大致互相垂直，即大致互相垂直，即M1、M2大致互相平行。大致互相平行。第13页，本讲稿共33页 在光路上放入一扩束物镜组，它的作用是将一束激光汇在光路上放入一扩束物镜
5、组，它的作用是将一束激光汇聚成一个点光源，调节扩束物镜组的高低、左右位置使扩聚成一个点光源，调节扩束物镜组的高低、左右位置使扩束后的激光完全照射在分光板束后的激光完全照射在分光板G1上。这时在观察屏上就上。这时在观察屏上就可以观察到干涉条纹（如完全没有，请重复上面步骤）再可以观察到干涉条纹（如完全没有，请重复上面步骤）再调节调节M1下面的两个微调螺丝使下面的两个微调螺丝使M1、M2更加平行，屏更加平行，屏上就会出现非定域的同心圆条纹。上就会出现非定域的同心圆条纹。第14页，本讲稿共33页2.将薄膜放入光路进行实验将薄膜放入光路进行实验v设厚度为设厚度为e，折射率为，折射率为n，把薄膜放到其中一
6、条光路上，把薄膜放到其中一条光路上，光经过薄膜，光程差改变光经过薄膜，光程差改变2(n-1)e，再数出并记下实验，再数出并记下实验前后干涉条纹移动条数前后干涉条纹移动条数kv再利用公式：再利用公式：2(n-1)e=k 进行计算进行计算v记下实验结果记下实验结果v数据处理数据处理第15页，本讲稿共33页【注意事项】1、任何光学面不得用手摸，如需要用镜头纸轻轻擦拭。2、本实验的重点和难点是粗调即步骤，需反复调节M1和M2背面的三个螺钉，但必须均匀调节，否则会造成仪器的损坏。由于迈克尔逊干涉仪的测量精度较高，反方向转动微动手轮测量另一组数据时，一般需要转动20多圈方可消除“空回误差”，这时也可直接反
7、方向转动粗动手轮达到消除“空回误差”的目的第16页，本讲稿共33页迈克尔逊干涉仪的迈克尔逊干涉仪的 应用应用u微小位移测量微小位移测量u测折射率测折射率u测波长测波长可测量可测量10-7m 的微小位移的微小位移第17页，本讲稿共33页相关论文相关论文v迈克尔逊干涉仪实验论文迈克尔逊干涉仪实验论文v袁同庆袁同庆 网络一班网络一班 090602143v摘要：物理实验课的开设对激发学生的求知欲摘要：物理实验课的开设对激发学生的求知欲,拓宽其知拓宽其知识面识面,培养其创新思维能力等方面都具有重要意义培养其创新思维能力等方面都具有重要意义.本文以本文以迈克耳逊干涉仪实验为例迈克耳逊干涉仪实验为例,讨论了
8、怎么利用迈克尔逊干涉讨论了怎么利用迈克尔逊干涉仪测量透明介质的折射率和厚度仪测量透明介质的折射率和厚度 还讨论了转动手轮时干还讨论了转动手轮时干涉条纹的吞吐以及干涉条纹的疏密的原因涉条纹的吞吐以及干涉条纹的疏密的原因,而且还对能否而且还对能否用点光源做该实验以及把单色光换成白光来做此实验想看用点光源做该实验以及把单色光换成白光来做此实验想看到干涉条纹所满足的条件做出了讨论。到干涉条纹所满足的条件做出了讨论。v关键字关键字:折射率折射率,厚度厚度,干涉条纹吞吐干涉条纹吞吐,点光源点光源,白光干涉白光干涉 第18页，本讲稿共33页v这学期这学期,我们做了光学部分以及近代物理相关的实验我们做了光学部
9、分以及近代物理相关的实验,下面下面就对迈克尔逊干涉仪这个实验做深入讨论就对迈克尔逊干涉仪这个实验做深入讨论.通过做这个实通过做这个实验验,我熟悉了迈克尔逊干涉仪的结构和工作原理我熟悉了迈克尔逊干涉仪的结构和工作原理,掌握了迈掌握了迈克尔逊干涉仪的调节方法克尔逊干涉仪的调节方法,观察到了等倾干涉条纹观察到了等倾干涉条纹,并且测并且测量到了半导体激光的波长量到了半导体激光的波长,还了解到了时间的相干还了解到了时间的相干,但深入但深入思考思考,想到了一下几个问题想到了一下几个问题:v(1)怎么利用迈克尔逊干涉仪测量透明介质的折射率，怎怎么利用迈克尔逊干涉仪测量透明介质的折射率，怎么用迈克尔逊干涉仪测
10、量一个玻璃薄片的厚度。么用迈克尔逊干涉仪测量一个玻璃薄片的厚度。v(2)转动手轮时干涉条纹吞吐以及干涉条纹的疏密的原因转动手轮时干涉条纹吞吐以及干涉条纹的疏密的原因是什么是什么 第19页，本讲稿共33页v(3)迈克尔逊干涉仪实验能否用点光源迈克尔逊干涉仪实验能否用点光源 为什么。为什么。v(4)假如把单色光换成白光假如把单色光换成白光,想看到干涉条纹必须满足什么想看到干涉条纹必须满足什么条件。条件。v从扩展光源从扩展光源S射来的光在射来的光在G1处分成两部分处分成两部分,反射光反射光经经G1反射后向着反射后向着M2前进前进,透射光透射光透过透过G1向着向着M1前进前进,这两这两束光分别在束光分
11、别在M2,M1上反射后逆着各自的入射方向返回上反射后逆着各自的入射方向返回,最最后都达到后都达到E处处.因为这两束光是相干光因为这两束光是相干光,因而在因而在E处的观察者处的观察者就能够看到干涉条纹就能够看到干涉条纹.第20页，本讲稿共33页v由由M1反射回来的光波在分光板反射回来的光波在分光板G1的第二面上反射时的第二面上反射时,如如同平面镜反射一样同平面镜反射一样,使使M1在在M2附近形成附近形成M1的虚像的虚像M1,因而光在迈克尔逊干涉仪中自因而光在迈克尔逊干涉仪中自M2和和M1的反射相当于自的反射相当于自M2和和M1的反射的反射.由此可见由此可见,在迈克尔逊干涉仪中所产生在迈克尔逊干涉
12、仪中所产生的干涉与空气薄膜所产生的干涉是等效的的干涉与空气薄膜所产生的干涉是等效的.v当当M2和和M1平行时平行时(此时此时M1和和M2严格互相垂直严格互相垂直),将观将观察到环形的等倾干涉条纹察到环形的等倾干涉条纹.一般情况下一般情况下,M1和和M2形成一空形成一空气劈尖气劈尖,因此将观察到近似平行的干涉条纹因此将观察到近似平行的干涉条纹(等厚干涉条纹等厚干涉条纹).第21页，本讲稿共33页v(1)怎么利用迈克尔逊干涉仪测量透明介质的折射率怎么利用迈克尔逊干涉仪测量透明介质的折射率 怎么怎么用迈克尔逊干涉仪测量一个玻璃薄片的厚度用迈克尔逊干涉仪测量一个玻璃薄片的厚度 v现就假如已知某透明介质
13、的厚度现就假如已知某透明介质的厚度,要测该透明介质的折射要测该透明介质的折射率率,我们可以通过以下步骤来实现我们可以通过以下步骤来实现:v以钠光为光源调出等倾干涉条纹。以钠光为光源调出等倾干涉条纹。v移动移动M2镜镜,使视场中心的视见度最小使视场中心的视见度最小,记录记录M2镜的位置镜的位置;在反射镜前平行地放置玻璃薄片在反射镜前平行地放置玻璃薄片,继续移动继续移动M2镜镜,使视场使视场中心的视见度又为最小中心的视见度又为最小,再记录再记录M2镜位置镜位置,连续测出连续测出6个视个视见度最小时见度最小时M2镜位置。镜位置。v用逐差法求光程差用逐差法求光程差d的平均值的平均值,再除以该透明介质得
14、厚再除以该透明介质得厚度度,就是折射率。就是折射率。第22页，本讲稿共33页v知道了用上面的方法来测折射率就很容易求得一个玻璃薄知道了用上面的方法来测折射率就很容易求得一个玻璃薄片的厚度片的厚度,跟上面的第一跟第二个步骤是一样的跟上面的第一跟第二个步骤是一样的,第三个步第三个步骤只需把除以介质的厚度改成折射率就可以求得该介质的骤只需把除以介质的厚度改成折射率就可以求得该介质的厚度了厚度了.v(2)转动手轮时干涉条纹吞吐以及干涉条纹的疏密的原因转动手轮时干涉条纹吞吐以及干涉条纹的疏密的原因是什么是什么 v1.在两光源非常近的时候在两光源非常近的时候(极限情况重合极限情况重合),两光源到轴外两光源
15、到轴外点的距离差异与两光源到平面中心点的距离差异近乎相同点的距离差异与两光源到平面中心点的距离差异近乎相同差值很小差值很小,意味着光程差在很大的角度内变化不大意味着光程差在很大的角度内变化不大,条纹疏条纹疏.v2.当两个光源距离比较远时当两个光源距离比较远时(比如说考虑成一个光源就在比如说考虑成一个光源就在平面上平面上,令一个光源与之有一定距离令一个光源与之有一定距离):两光源到轴外点的两光源到轴外点的距离差异与两光源到平面中心点的距离差异相比较可知差距离差异与两光源到平面中心点的距离差异相比较可知差别较大别较大,意味着光程差在于第一种情况相同的角度区间中意味着光程差在于第一种情况相同的角度区
16、间中变化要大变化要大,条纹密。条纹密。第23页，本讲稿共33页v上述第上述第2种情况可轻松的看出种情况可轻松的看出:两光源到轴外点的距离差比两光源到轴外点的距离差比到平面中心点的距离差有减小的趋势到平面中心点的距离差有减小的趋势,因此可判断因此可判断:内环为内环为干涉高级次干涉高级次,外环为干涉低级次外环为干涉低级次.v判断吞吐环判断吞吐环:光程差增大光程差增大,意味着环心干涉将由低级次变为意味着环心干涉将由低级次变为高级次高级次.由上面的同心环级次排布可知由上面的同心环级次排布可知,原来的低级次环必原来的低级次环必定外移定外移,意味着中心是吐环意味着中心是吐环.反之吞环反之吞环.v(3)迈克
17、尔逊干涉仪实验能否用点光源迈克尔逊干涉仪实验能否用点光源 为什么为什么 v不能不能.理论上是用平行光理论上是用平行光,如果用点光源当然也必然会有干如果用点光源当然也必然会有干涉现象涉现象,但是不利于观察但是不利于观察.当然如果点光源也能和太阳一样当然如果点光源也能和太阳一样就没问题就没问题,一是要光够强一是要光够强,二是距离够远二是距离够远,达到干涉位置的时达到干涉位置的时候能近似平行光候能近似平行光.但是现实中是不可能有这种光源的但是现实中是不可能有这种光源的,所以所以不可以用电光源来代替不可以用电光源来代替.第24页，本讲稿共33页v4)假如把单色光换成白光假如把单色光换成白光,想看到干涉
18、条纹必须满足什么想看到干涉条纹必须满足什么条件条件。v如果用白光作为光源如果用白光作为光源(因为白光是有好几种光组成的因为白光是有好几种光组成的,单一单一的光受干涉波动比较小的光受干涉波动比较小,多种光受的干涉比较大多种光受的干涉比较大,就丰富了就丰富了,之间的差别就更明显之间的差别就更明显,参照性更强参照性更强.如果单纯的一种光源如果单纯的一种光源,对对比性不够强比性不够强,很多内部的区别表现不够明显很多内部的区别表现不够明显),无论是无论是电光源还是面光源电光源还是面光源,要看到干涉条纹要看到干涉条纹,必须满足光程差小于必须满足光程差小于光源的相干长度的要求光源的相干长度的要求,即即2d
19、c o s iL.对于具有连续对于具有连续光谱的白光光谱的白光,L极小极小,因而仅当因而仅当d约等于约等于0时时,才能看到彩色才能看到彩色的干涉条纹。的干涉条纹。第25页，本讲稿共33页第26页，本讲稿共33页v参考文献：参考文献：v1 姚安居，吴庆州姚安居，吴庆州.普通实验普通实验.中国矿业大学出版社。中国矿业大学出版社。v2 刘尚晋刘尚晋,普通物理实验武汉工业大学出版社。普通物理实验武汉工业大学出版社。v3 林抒林抒,普通物理实验普通物理实验 高等教育出版社。高等教育出版社。第27页，本讲稿共33页实验方法二实验方法二v利用等厚干涉测量薄膜厚度利用等厚干涉测量薄膜厚度v实验目的：测量实验目
20、的：测量1A薄膜厚度薄膜厚度v实验工具：劈尖干涉仪，薄膜实验工具：劈尖干涉仪，薄膜第28页，本讲稿共33页相邻条纹所对应的厚度差：相邻条纹所对应的厚度差：相邻条纹所对应的厚度差：相邻条纹所对应的厚度差：小结：劈尖干涉条纹特点小结：劈尖干涉条纹特点1.条条纹纹级级次次 k 随随着着劈劈尖尖的的厚厚度度而而变变化化，因因此此这这种种干干涉涉称称为为等厚干涉等厚干涉。条纹为一组平行于棱边的平行线。条纹为一组平行于棱边的平行线。2.空气劈尖由于存在半波损失，棱边上为零级暗纹。空气劈尖由于存在半波损失，棱边上为零级暗纹。第29页，本讲稿共33页空气空气 (4)测薄膜厚度测薄膜厚度第30页，本讲稿共33页
21、v实验步骤及内容实验步骤及内容v1.将实验仪器平整放置将实验仪器平整放置v2.将薄膜夹在劈尖一端将薄膜夹在劈尖一端v3.用已知波长单色光竖直照射用已知波长单色光竖直照射v4.观察干涉图样并数出从劈尖一端到另一端明条纹数目观察干涉图样并数出从劈尖一端到另一端明条纹数目kv5.利用公式：利用公式：计算出结果计算出结果 第31页，本讲稿共33页v劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用v1.检查光学元件平整度检查光学元件平整度v2.测量薄膜厚度测量薄膜厚度v3.小角度测量小角度测量第32页，本讲稿共33页v参考文献：大部分来自上学期光学参考文献：大部分来自上学期光学ppt，百度知道，百度知道第33页，本讲稿共33页