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            F-P干涉仪实验


            Measurement of Wavelength Difference of Na Light with Fabry-Perot Interference

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            实验目的
            了解 F-P干涉仪的结构,掌握调节与 使用F-P干涉仪的方法;

            进一步理解多光束干涉的理论和条纹 特点; 用F-P干涉仪测定钠黄双钠线的波长 差。
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            实验仪器和装置

            低压钠灯

            F-P干涉仪

            测微目镜

            灯窗挡板

            毛玻璃

            会聚透镜
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            F-P 干涉仪的结构和原理
            入射角?

            多光束薄膜干涉

            S G1 G2 会聚透镜L

            镀高反射膜 镀高反射膜

            主要结构:两块各有一面 镀高反射膜的玻璃板, 镀膜面相对,夹一层厚 度均匀的空气膜。 基本原理:平行平面板反 射单色光的多光束叠加 产生细窄明亮干涉条纹.

            接收屏

            * 注意:G1,G2板可移动—光程可调

            F-P干涉仪的原理
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            F-P 干涉仪工作原理
            入射角?

            S G1

            多光束干涉条纹图案 的形成:
            当两表面严格平行时, 来自光源任一点的单色光 以入射角? 照射到平行板上, 这时透射光是许多透过平 板的平行光束的叠加。任 一对相邻光束的光程差为 ? =2ndcos? 通过计算可得透射光束叠 加后的光强I`有极大值和 极小值。接收屏上有明暗 相间的干涉条纹。 F-P干涉仪的原理
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            镀高反射膜 镀高反射膜

            G2 会聚透镜L

            接收屏

            * 注意:G1,G2板可移动—光程可调

            思考
            入射角?

            G1
            镀高反射膜 镀高反射膜

            提问1:为什么G1和G2 两反射面要做成锲形?

            G2 会聚透镜L

            为避免没有涂反射膜的 表面反射光产生干涉, 两块平板通常做成锲形, 锲角约1`到10`。

            接收屏

            关于F-P干涉仪结构的思考
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            思考
            入射角?

            S G1

            提问2:接收屏的放置 位置有要求吗? 提问3:为什么要采用 扩张光源照明 ?在接收 屏上应该形成什么样的 干涉条条纹?

            镀高反射膜 镀高反射膜

            G2 会聚透镜L

            f o
            O` 接收屏

            r

            关于F-P干涉仪结构的思考
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            实验原理 ——多光束薄膜干涉的应用
            入射角?

            S
            G1

            相邻光束的光程差
            ? =2ndcos?
            ?:单色光的入射角

            镀高反射膜 镀高反射膜

            G2 会聚透镜L

            d:G1和G2之间的距离 n:介质折射率(空气,n=1)

            干涉形成明暗相间的圆环
            接收屏

            * 注意:G1,G2板可移动—光程可调
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            实验原理

            ——测定钠黄双线的波长差

            钠灯发出的两种波长的黄光各产生一套同心的圆形干涉条纹。
            根据原理推导:钠双 黄线的波长差用以下公式 计算:

            ?1 ? ?2 ?

            2?d 2 ? d1 ?

            2 ?1

            d 2 ? d1 波长变化一个周期,两镜面G1、
            G2的距离差

            ?1 ? ?2 钠双线的波长差
            法布里-玻罗干涉仪的两套干涉圆环
            2 2 ? ? 其中 1 可为 m 二波长平

            均值的平方。对钠黄双线, 可取(589.3nm)2
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            F-P干涉仪的应用
            概述:利用干涉原理测量光程差从而测定 有关物理量的光学仪器。
            两束相干光 光程差变化 干涉条纹 移动 测量引起光程差 变化的相关物理量

            优势:利用波长为测量手段精度高。

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            思考——F-P干涉仪哪些应用?
            引起两束相干光间光程差变化的物理量是哪些? ? =2ndcos? 两物理量:几何路程(两反射镜间距)d

            介质折射率n
            n恒定,d改变——F-P干涉仪。 d恒定,n改变——F-P标准具。

            应用:长度的精密测量、折射率的测定、波长的测量、
            用作高分辨率光谱仪。

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            实验内容及步骤
            1、调整F-P 干涉仪能够观察到多光束干涉的条纹图案 调节过程中切勿使两镜相碰。
            Gl和G2两个镜面相距1mm 。
            会聚透镜汇聚 光线

            调节镜面平行
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            装上低压钠灯灯窗挡板,可能出现以下两种现象:
            现象1、如果通过镜面观察光束反射形成一系列光 点,说明两镜面是否平行?如何调节? 现象2、光点重合,表明两镜面基本平行。
            垂 直 调 节

            水平调节

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            2、测定钠黄双线的波长差
            根据原理推导:钠双黄线的波长差

            ?1 ? ?2 ?

            2?d 2 ? d1 ?

            2 ?1

            在移动测微螺旋动镜改变G1和G2距离的过程中,可以发现, 在某距离上,这两套干涉环会重叠起来,而在另一长度上,一套干涉 环恰好夹在另一套干涉环中间。

            两环互相居中 , 记录 G1 和 G2的相对初始位置D1

            改变 G1 和 G2 的距离 , 两环相互靠近.

            两环再次居中 , 记录 G1 和G2的相对位置D2

            注意:实验测得的D1、D2的差并不是真正G1、G2变化的距离。 实际真正G1、G2变化的距离d2-d1=(D2-D1)/K ;K=20或50
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            数据记录及处理
            D1
            第一组
            第二组

            D2

            D2-D1

            d2-d1

            第三组 平均值︱d2-d1 ︱
            ?

            代入公式计算出钠双线波长差: ?1 ? ?2 ?

            2?d 2 ? d1 ?
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            2 ?1

            实验注意事项
            1、实验中两镜面不得相碰,造成设备损伤。 2、仪器轻拿轻放,防止碰撞和震动,以防止 两镜面擦伤。 3、禁止用手触及光学零件的透光表面。 4、转动测微螺旋和调节螺丝时动作要轻,不 要急促右斜向用力。 5、禁止调节F-P干涉仪内侧的镜面。

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            数据处理及操作思考题
            ?

            为什么选择一套干涉环恰好夹在另一套干 涉环中间时记录数据?
            实验值和理论值有误差吗?你认为产生误 差的原因是什么? 为什么记录数据时两镜面距离为1mm为宜?

            ?

            ? ?

            为什么在调两镜面平行的过程中不能调节 内侧的镜面?

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            作业思考题
            1、根据实验原理,F-P干涉仪形成的干涉环视场中心 的级次高还是低?条纹间距从内到外有何变化? 2、F-P干涉仪产生干涉条纹和迈克尔逊干涉仪产生的干涉 条纹有什么不同?哪个精度更高些?

            法布里玻罗干涉仪 产生的干涉条纹

            迈克尔逊干涉仪 产生的干涉条纹
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            注意:实验中会出现的几种现象及解决方法
            ?

            无法调出环,这时主要调节前镜面螺丝,学生没有调 节基准平行。 调的环一半明一半暗,还是两镜面没有完全平行; 调出的环经过一段行程后就不清晰了,这是由于机器 主轴不严格造成的。可以通过让学生选择清楚的一段 记录数据来弥补。 调出的环过粗或过细,是由于两镜面预置距离不当造 成的。 观察不到两套环,两镜面未调节平行。
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            ? ?

            ?

            ?


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