透明薄片折射率測定試驗(yàn)報(bào)告

1、透明薄片折射率的測定邁克爾遜干涉儀是用分振幅的方法實(shí)現(xiàn)干涉的光學(xué)儀器，設(shè)計(jì)十分巧妙。邁克爾遜發(fā)明它后，最初用于著名的以太漂移實(shí)驗(yàn)。后來，他又首次用之于系統(tǒng)研究光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)以及將鎘（Cd）的譜線的波長與國際米原器進(jìn)行比較。邁克爾遜干涉儀在基本結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)思想上給科學(xué)工作以重要啟迪，為后人研制各種干 涉儀打下了基礎(chǔ)。邁克爾遜干涉儀在物理學(xué)中有十分廣泛的應(yīng)用，如用于研究光源的時(shí)間相干性，測量氣 體、固體的折射率和進(jìn)行微小長度測量等?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 掌握邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)、原理和調(diào)節(jié)方法；2. 熟悉白光的干涉現(xiàn)象4.學(xué)習(xí)一種測量透明薄片折射率的方法?！緦?shí)驗(yàn)儀器】邁克爾遜干涉儀，He-Ne激光器，擴(kuò)

2、束鏡，小孔光闌，透明薄片，白光光源【實(shí)驗(yàn)原理】一、透明薄片折射率的測量原理干涉條紋的明暗決定于光程差與波長的關(guān)系，用白光光源只有在d=0的附近才能在 M?和？M交線處看到干涉條紋，這時(shí)對各種光的波長來說，其光程差均為/2 （反射時(shí)附加 /2 ）,故產(chǎn)生直線黑紋，即所謂中央黑紋，兩旁有對稱分布的彩色條紋。d稍大時(shí)，因?qū)Ω鞣N不同波長的光滿足明暗條紋的條件不同，所產(chǎn)生的干涉條紋明暗互相重疊，結(jié)果就顯不出條紋來。因而白光光源的彩色干涉條紋只發(fā)生在零光程差 附近一個(gè)極小的范圍內(nèi)，利用這一點(diǎn)可以定出d=0的位置。利用白光的彩色干涉條紋可以測量透明薄片的折射率，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1：用眼睛觀察圖1透明薄片折射率測

3、定 二、點(diǎn)光源干涉條紋的特點(diǎn)不論平面鏡 M往哪個(gè)方向移動(dòng)，只要是使距離d增加，圓條紋都會(huì)不斷從中心冒出來并擴(kuò)大，同時(shí)條紋會(huì)變密變細(xì)。反之，如果使距離d減小，條紋都會(huì)縮小并消失在中心處，同時(shí)條紋會(huì)變疏變粗。這表明d 0 （即兩臂等長）是一個(gè)臨界點(diǎn)。當(dāng)往同一個(gè)方向不斷地移動(dòng)M!時(shí)，只要經(jīng)過這個(gè)臨界點(diǎn)，看到的現(xiàn)象就會(huì)反過來（見圖2）。因此，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)光源的非定域干涉后，最好先把兩臂的長度調(diào)成有明顯差別（d 0），避免在移動(dòng)M!時(shí)不小心通過了臨界點(diǎn)，造成不必要的麻煩。MiM2M1二者重合M2M2Mi圖2干涉條紋隨光程差的變化三、等厚干涉與透明玻璃板厚度的測量如圖3,如果Mi和M2間形成一很小的角度， 則M

4、i和M2之間有一楔形空氣薄層， 這時(shí)將產(chǎn)生等厚干涉條紋。當(dāng)光束入射角足夠小時(shí)，可求兩相干光束的光程差，即22d cos 2d(i - 2) = 2d d(i)2在M-、M2的交線上，d 0,即 0，因此在交線處產(chǎn)生一直線條紋，稱為中央明紋。在左右兩旁靠近交線處，由于和d都很小，這時(shí)式(1)中的d 2項(xiàng)與2d相比可忽略，因而由2d(2)所以產(chǎn)生的條紋近似為直線條紋，且與中央條紋平行。離中央條紋較遠(yuǎn)處，因d 2項(xiàng)的影響增大，條紋發(fā)生顯著的彎曲，彎曲方向突向中央明紋。離交線越遠(yuǎn),d越大，條紋彎曲地越明顯。白光光源用眼睛觀察圖3等厚干涉原理圖由于干涉條紋的明暗和間距決定與光程差與波長的關(guān)系，若用白光作

5、光源，則每種不同波長的光所產(chǎn)生的干涉條紋明暗會(huì)相互交錯(cuò)重疊，結(jié)果就看不到明暗相間的條紋了。換句話說，如果換用白光作光源，在一般情況下，不出現(xiàn)干涉條紋。因此，用白光作光源時(shí)，在Mj、M 2兩面的交線附近的中央條紋可能看到白色條紋，也可能是暗條紋。在它的兩旁還大致對稱的有幾條彩色的直線條紋，稍遠(yuǎn)就看不到條紋了。1中加入一塊折射率為 n為厚度為D的均光通過折射率n為厚度為D的均勻透明介質(zhì)時(shí)，其光程比通過同厚度的空氣要大D(n 1)。在邁克爾遜干涉儀中，但白光的中央條紋出現(xiàn)在視場的中央后，如果光路勻薄玻璃片，由于光束 1的往返，光束1和光束2在相遇時(shí)所獲得的附加光程差為 = 2D（n 1）（ 3）此時(shí)

6、，若將Mi向Gi方向移動(dòng)距離丨2，則光束1、2在相遇時(shí)的光程差又恢復(fù)至原樣這樣，白光干涉的中央條紋將重新出現(xiàn)在視場中央。這時(shí)IlD（n 1）（ 4）2根據(jù)式（4），測出M1前移的距離I，若已知薄玻璃片的折射率 n，則可求出其厚度 D ;反之，若已知玻璃片的厚度D，則可求出其折射率 n?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟】一、邁克爾遜干涉儀的基本調(diào)節(jié)1. 點(diǎn)燃氦氖激光器，調(diào)節(jié)其高度和方向，使激光束大致照到兩平面鏡M!、M2及屏的中部，并使從兩平面鏡反射來的兩束光能盡量原路返回，即盡可能回到激光器的出光口。2. 屏上可以看到兩排光點(diǎn)，都以最亮者居中。調(diào)節(jié)M1和M2后面的三個(gè)螺絲，使兩個(gè)最亮點(diǎn)重合（此時(shí)M1和M2相互

7、垂直）。此時(shí)要檢查回到激光器的兩束光是否仍照在出光口或附近。二、觀察點(diǎn)光源的非定域干涉1. 在氦氖激光器前放置一個(gè)擴(kuò)束鏡（短焦距凸透鏡），使平行光聚焦為點(diǎn)光源并擴(kuò)散開。此時(shí)在屏上可以看到圓形干涉條紋。然后雙向轉(zhuǎn)動(dòng)M1的微調(diào)鼓輪，觀察條紋冒出和縮進(jìn)現(xiàn)象，判定M1和M2之間的距離|d是增大還是減小；觀察條紋粗細(xì)、疏密情況，判斷d是較大還是較小。如果干涉條紋很細(xì)，不利于隨后的測量，可旋轉(zhuǎn)粗調(diào)手輪使d大幅度減小，從而使條紋變疏變粗。注意：由于儀器存在空程誤差，一定要條紋的變化穩(wěn)定后才能開始測量。而且，測量一旦開始，微調(diào)鼓輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向就不能中途改變。三、觀察等厚干涉條紋，測量透明玻璃板厚度1. 調(diào)節(jié)白光

8、條紋。先用單色光源調(diào)好等傾圓條紋，使M1與G1的距離稍大與于 M2與G1的距離，然后稍稍旋轉(zhuǎn)M2鏡下的水平拉簧螺絲， 使M1、M2成一很小的夾角，此時(shí)看見彎曲的條紋。 向前移動(dòng)M1使 條紋變直，這表明中央條紋在逐漸向視場中央移動(dòng)。再以白光代替單色光，繼續(xù)按原方向緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪，使M1和M2繼續(xù)向前移動(dòng)，直到白光干涉條紋出現(xiàn)。2. 將中央條紋移至視場中某一位置，記下M 1的位置，將待測玻璃片放在M1與G1之間的光路中，使玻璃片與M1平行。同一方向繼續(xù)移動(dòng) M 1，直至中央條紋重新移至視場中同一位置，再記下M 1的位置,則Mi所移動(dòng)的距離即為式（4）中的I。【數(shù)據(jù)記錄及處理】測量次數(shù)123456平均值D1、測量透明薄片厚度儀 0.006mm2、M1鏡位置記錄儀 0.00005mm測量次數(shù)d1d2Id1 d2M I (n 1) Dn 1 1/D1 0.07402/0.102 1.726 D Sd儀器上的光學(xué)元件精度極高，不要用手撫摩或讓贓物沾上。 一起傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相當(dāng)精密，使用時(shí)要輕緩小心。 測量過程中，由于儀器存在空程誤差，一定要條紋的變化穩(wěn)定后才能開始測量。而且 開始，微調(diào)鼓輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向就不能中途改變。 儀20.0012 0.00620.006mmD (0.102 0.006)mm I . 2(儀/)22 0.0000520.00007mm n 1 I/