研究性报告激光双棱镜干涉实验剖析Word格式.docx
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第二份数据数据处理:
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【讨论】-14-
【实验感想】-17-
【参考文献】-18-
【摘要】
本文利用双棱镜获得相干光,使之重叠和形成干涉,从而进行光波波长的测量。
其原理是从单缝S发出的单色光,经双棱镜折射后可形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,它们在两束光的交叠区域内产生干涉现象,出现明暗相间的干涉条纹,通过对于条纹间距以及一些其他数据的测量,通过计算分析,从而进行光波波长的测量。
本实验通过两份实验数据的对比,找出实验误差产生的原因,最后根据实验结果提出了改进建议。
Abstract
Inthispaper,weusedoubleprismtogetcoherentlight,andtheformationofoverlapinterference,andthusfortheopticalwavelengthmeasurement.ItsprincipleofsingleslitSfromamonochromaticlight,thedoubleprismrefractioncanbeformedafteralongdifferentdirectionspreadtwobeamoflight,thetwobeamoflightisequivalenttothevirtuallightsourceS1,S2issuedtwobeamofcoherentlight,theytwobeamoflightintheoverlappingareaproduceinterferencephenomenon,appearlightandshadeinterphaseinterferencefringe,thefringespacingandsomeotherdatameasurement,throughcalculationandanalysis,andthusfortheopticalwavelengthmeasurement.
Bycomparingtheexperimentaldataoftwoexperimentstoidentifythecausesofexperimentalerrorgenerated,andthendiscusstheexperimentaloperationofthedifficulties,andfinallyrecommendationsforimprovementbasedontheexperimentalresults.
关键词:
激光双棱镜干涉
【实验原理】
两束光波产生干涉的必要条件是:
1)频率相同;
2)振动方向相同;
3)相位差恒定。
产生相干光的方式有两种:
分波阵面法和分振幅法。
菲涅耳双棱镜干涉属于分波阵面法。
从S1和S2发出的光线到达P点得光程差是:
△L=r2-r1
r12=D2+(x-)2
r22=D2+(x+)2
两式相减,得:
r22-r12=2ax
另外又有r22-r12=(r2-r1)(r2+r1)=△L(r2+r1)。
通常D较a大的很多,所以r2+r1近似等于2D,因此光程差为:
△L=
如果λ为光源发出的光波的波长,干涉极大和干涉极小处的光程差是:
=kλ(k=0,±
1,±
2,…)明纹
=λ(k=0,±
2,…)暗纹
两干涉条纹之间的距离是:
△x=λ
所以该单色光源的波长是:
1.双棱镜:
菲涅耳双棱镜可以看成是有两块底面相接、棱角很小的直角棱镜合成(实物为了防止棱镜过易损坏,可看成上图中镜片平面后接了个平面镜)。
单色光源S在双棱镜棱角的正前方,光束通过双棱镜上下镜面的折射后,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S1和S2射出的一样。
S1和S2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。
2、光路组成:
SKBL1L2PE
具体的光路如图所示,S为半导体激光器,K为扩束镜,B为双棱镜,P为偏振片,E为测微目镜。
L为测虚光源间距a所用的凸透镜,透镜位于L1位置将使虚光源S1S2在目镜处成方大像,透镜位于L2处将使虚光源在目镜出成缩小像。
所有光学元件都放在光具座上,光具座上附有米尺刻度读出各元件的位置。
3、测量方法
条纹间距△x可直接用侧位目镜测出。
虚光源间距a用二次成像的方法测得:
当保持物、屏位置不变且间距D大于4f时,移动透镜可在其间的两个位置成清晰的实像,一个是放大像,一个是缩小像。
设b为虚光源缩小像间距,b’为放大像间距,则两虚光源的实际距离为a=,其中b和b’由测微目镜读出,同时根据两次成像的规律,若分别测出呈缩小像和放大像时的物距S、S’,则物到像屏之间的距离D=S+S’。
根据波长的计算公式,得波长和各测量值之间的关系是:
λ=
【实验仪器】
光具座,双棱镜,测微目镜,凸透镜,扩束镜,偏振片,白屏,可调狭缝,半导体激光器。
【主要步骤】
各光学元件的共轴调节
1)调节激光束平行于光具座
沿导轨移动白屏,观察屏上激光光点的位置是否改变,相应调解激光方向,直至在整根导轨上移动白屏时光点的位置不再变化,至此激光光束与导轨平行。
2)调双棱镜与光源共轴
将双棱镜插于横向可调支座上进行调节,使激光点打在棱脊正中位置,此时双棱镜后面的白屏上应观察到两个等亮并列的光点,这两个光点的质量对虚光源像距b及b’的测量至关重要。
此后将双棱镜置于距激光器约30cm的位置。
3)粗调测微目镜与其它元件等高共轴
将测微目镜放在距双棱镜约70cm处,调节测微目镜,使光点穿过其通光中心。
此时激光尚未扩束,决不允许直视测微目镜内的视场,以防激光坐灼伤眼睛。
4)粗调凸透镜与其他元件等高共轴
将凸透镜插于横向可调支座上,放在双棱镜后面,调节透镜,使双光点穿过透镜的正中心。
5)用扩束镜使激光束变成点光源
在激光器与双棱镜之间距双棱镜20cm处放入扩束镜并进行调节,使激光穿过扩束镜。
在测微目镜前放置偏振片,旋转偏振片是测微目镜内视场亮度适中。
6)用二次成像法细挑凸透镜与测微目镜等高共轴
通过“大像追小像”,不断调节透镜和测微目镜位置,直至虚光源大、小像的中心与测微目镜叉丝重合。
7)干涉条纹调整
去掉透镜,适当微调双棱镜,使通过测微目镜观察到清晰的干涉条纹。
波长的测量
1)测条纹间距△x。
连续测量20个条纹的位置xi。
如果视场内干涉条纹没有布满,则可对测微目镜的水平位置略作调整;
视场太暗可旋转偏振片调亮。
2)测量虚光源缩小像间距b及透镜物距S。
测b时应在鼓轮正反向前进时,各做一次测量。
注意:
i)不能改变扩束镜、双棱镜级测微目镜的位置;
ii)用测微目镜读数时要消空程。
3)用上述同方法测量虚光源放大像间距b’及透镜物距S’。
[1]
【数据记录与处理】
原始数据
第一份实验数据(实验误差较大):
(1)条纹位置(mm)
i
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Xi
3.506
3.740
4.015
4.275
4.513
4.735
4.988
5.290
5.485
5.725
Xi+10
5.972
6.235
6.480
6.732
6.946
7.197
7.465
7.732
7.930
8.218
10△x
2.466
2.495
2.465
2.457
2.433
2.462
2.477
2.442
2.445
2.493
(2)由测量值计算b、b'
b1
b2
△b
△b(av)
b
5.402
6.308
0.906
0.918
5.385
6.315
0.930
b'
4.318
7.782
3.464
3.490
4.295
7.810
3.515
大像光源间距:
b=0.918mm
小像光源间距:
=3.490mm
(3)各装置实验位置记录并计算S、S'
K=118.0cmL1=87.22cmL2=57.05cm
大像物像距:
S=(118.0-57.05)cm=60.95cm
小像物像距:
S'
=(118.0-87.22)cm=30.78cm
1)条纹间距:
10△x=2.4635mm
△x=0.24635mm
Ua(10△x)==0.02337mm
Ub(10△x)==0.00289mm
U(10△x)==0.023548mm
所以△xU(△x)=(0.2460.002)mm
2)激光波长:
相对误差:
3)激光波长不确定度:
△S=△S'
=0.5cm
U(S)=U(S'
)==0.29011cm(=0.05cm)
△b=0.025b=0.02295mm
U(b)==0.011861mm(=0.005mm)
△b'
=0.025b'
=0.08725mm
U(b'
)==0.053802mm(=0.005mm)
所以
通过调整后,得出了第二份实验数据
第二份实验数据(实验误差较小):
7.921
7.542
7.221
6.911
6.690
6.360
6.040
5.650
5.345
5.038
4.711
4.388
4.068
3.732
3.417
3.110
2.773
2.420
2.091
1.738
3.210
3.154
3.153
3.179
3.273
3.250
3.267
3.230
3.254
3.300
5.070
4.000
1.07
1.088
5.011
3.905
1.106
6.625
3.635
2.99
2.98
6.615
3.645
2.97
b=1.088mm
=2.98mm
(3)各装置实验位置记录并计
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