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            实验一 F-P干涉仪实验(修订)


            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FP干涉仪的方法; 用F-P干涉仪测定钠黄双钠线的波长差。

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            F-P干涉仪的应用
            F-P干涉仪在光学中一直起着重要的作 用。它始终是波长的精密测量、光谱线精 细结构的研究以及长度计量的有效工具, 同时它还是激光共振腔的基本构型。

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            实验仪器和装置
            F-P干涉仪、测微目镜、 凸透镜、 低压钠灯、毛玻璃、灯窗挡板
            主要技术指标:
            ?反射镜:

            ?30mm, 平面度1/20?

            ?移动镜预置螺旋:最小分度值0.01mm,行程10mm ?测微螺旋精度:最小分度值 0.01mm,估读0.001mm ?测量精度

            :最小读数值0.0005mm,行程1.25mm 最小读数值0.0002mm,行程0.5mm

            (20:1) (50:1)

            ?低压钠光源:20W
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            实验原理 ——单色光薄膜干涉原理
            单色点光源以入射角? 照射到平行板上,透射光是许多透过 平板的平行光束的叠加,相邻光束的光程差
            入射角 ?

            ? =2ndcos?

            ? : 单色光的入射角

            G1
            镀高反射膜 镀高反射膜

            d : G1和G2之间的距离 n: 介质折射率(空气,n=1) 透射光的加强条件为:

            G2
            会聚透镜 L

            ?=mλ
            m : 干涉条纹的级数 λ : 入射光的波长
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            接收屏

            实验原理
            入射角 ?

            ——入射角
            由公式? =2ndcos?, 当d一定时,所有入射角为 ? 的入射光,其形成的干 涉条纹为一圆环,所有的? 形成一系列圆环干涉条纹。 干涉形成明暗相间的圆环

            G1
            镀高反射膜 镀高反射膜

            G2
            会聚透镜 L

            接收屏

            思考:如何使入射角多样化?
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            实验原理
            入射角 ?

            ——两玻璃板平行问题
            要达到薄膜干涉条件, 必须使两玻璃板严格平行。 当不平行时,入射角为? 的入射光,在两玻璃板间 多次反射,相当于多个点 光源以不同角度入射。

            G1
            镀高反射膜 镀高反射膜

            G2
            会聚透镜 L

            接收屏

            当入射光是点光源时, 可以根据出射光在接受屏 上的图象来判断两玻璃板 是否平行。

            思考:如何调节和判断两玻璃板平行?
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            实验原理 ——两玻璃板间距离
            入射角 ?

            G1
            镀高反射膜 镀高反射膜

            由公式? =2ndcos?=mλ,对 于某一入射角? 产生的的干涉条 纹,当d改变时,其干涉条纹的级 数也会发生变化。
            d初始值取1mm左右。

            G2
            会聚透镜 L

            接收屏

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            实验内容
            1、调节F-P干涉仪
            调节过程中切勿使两镜相碰。
            转动预置螺旋, 目测Gl和G2两个镜 面相距约1mm 。 加入灯窗挡板, 将光源变为点光源

            垂 直 调 节

            调节镜面平行

            水平调节

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            实验内容
            2、观察多光束干涉条纹
            调节过程中切勿使两镜相碰。不要调节F-P 干涉仪后面一个镜面,以免影响观察现象。

            形成放大的像

            取下灯窗挡板,插入毛玻璃片形成面光源,通过 小型显微镜观察干涉条纹。
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            从该系统的轴向观察到一系列明亮细锐 的多光束干涉圆环。经过更细致的调节,当 干涉环不随眼睛的移动发生直径大小的变化, 表明两个镜面已经严格平行了。

            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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            3、测定钠黄双线的波长差
            (1)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 |?

            ?12
            2 | d 2 ? d1 |

            2 可为 2 二波长平 其中 ?1 ?m 均值的平方。对钠黄双线,

            可取(589.3nm)2
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            (2)在移动动镜改变G1和G2距离的过程中,可以发现,在某长度 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。随着动镜逐渐移开,两个环系也逐渐分开,直 到一环系恰好位于另一环系中间时,记下测微螺旋读数Dl,继续移 远动镜,两个环系经过重合又分开,当一环系再次恰好位于另一环系 中间位置时,记下测微螺旋读数D2。重复三次。

            两环互相居 中测量D1

            两环相互靠近

            两环再次居 中测量D2

            注意:由于实验测得的D1、D2并不是真正G1、G2距离。 实际上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|
            ?

            比例系数K

            代入公式计算出钠双线波长差:
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            实验注意事项
            1、仪器轻拿轻放,防止碰撞和震动,以防止 两镜面擦伤。 2、禁止用手触及光学零件的透光表面。 3、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。 4、移动钠灯时需一手持灯体一手托底座。 5、禁止调节F-P干涉仪后面一个镜面。

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            实验注意事项
            6、转动预置螺旋,直到Gl和G2两个镜面相距 约1mm,必须先调节测微螺旋到刻度0~5mm 之间。预置螺旋上的刻度没有意义。 7、测微螺旋的行程为0~25mm,对于K=20的干 涉仪, | D1 ? D2 |? 6mm ,测微螺旋上可以有4 个读数位置;对于K=50的干涉 仪, | D1 ? D2 |? 15mm,测微螺旋上最多只有 2个读数位置,且其中 一个读数位置必须 小于10mm,另一个读数位置必须大于15mm。
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