1、2010-2011學(xué)年度光學(xué)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)光學(xué)元件特性及研究（干涉部分）題目：光學(xué)元件特性及研究（干涉部分）學(xué)院：物理電氣信息學(xué)院專業(yè)：物理師范姓名：魏廣瑜 日期：2010年12月 目錄光學(xué)元件特性及研究（干涉部分）3【探究目的】31學(xué)習(xí)光學(xué)干涉元件的性質(zhì)和特點(diǎn)。32對光學(xué)干涉元件進(jìn)行歸類。33對元件到系統(tǒng)的組成進(jìn)行分析研究。34熟悉相干條件3【干涉元件】3【相干條件和原理】3【探究提綱】4一、【雙縫】5元件原理5【圖樣分析】5二、【牛頓環(huán)】6元件原理6【干涉條紋】7分析7【應(yīng)用】7三、【光學(xué)劈尖】7元件作用8四、【勞埃德鏡】8元件原理8【實(shí)驗(yàn)光路】9五、【菲涅爾雙棱鏡】10元件原理10【干涉

2、圖樣】10六、【菲涅爾雙面鏡】11元件原理11【作用】11【心得體會】11【主要參考文獻(xiàn)】12光學(xué)元件特性及研究（干涉部分）摘要光學(xué)元件是光學(xué)儀器的組成部分，是光學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，無時無刻都在接觸。我們在研究光學(xué)的實(shí)驗(yàn)的過程中，必須對光學(xué)元件做一個系統(tǒng)的了解，比如最基礎(chǔ)的有物屏、光源、偏振、光柵、透鏡、面鏡、干涉元件等等。下面對干涉元件及組成系統(tǒng)歸類研究。相干光元件：一般是在光路中利用這類元件而獲得兩束相干光，當(dāng)這兩束相干光再次相遇時就可以形成干涉現(xiàn)象。由于相干后的波互相相長和互相相消形成明暗不一的條紋。關(guān)鍵字：光學(xué)元件、干涉、光學(xué)系統(tǒng)、勞埃德鏡【探究目的】1學(xué)習(xí)光學(xué)干涉元件的性質(zhì)和

3、特點(diǎn)。2對光學(xué)干涉元件進(jìn)行歸類。3對元件到系統(tǒng)的組成進(jìn)行分析研究。4熟悉相干條件【干涉元件】雙縫、牛頓環(huán)、光學(xué)劈尖、勞埃德鏡、菲涅爾雙棱鏡、菲涅爾雙面鏡、梅斯林鏡、比累雙切鏡?！鞠喔蓷l件和原理】相干是相干波疊加而引起強(qiáng)度重新分布的現(xiàn)象，相干性則表明了相干波光場物理量之間的相關(guān)性質(zhì)以及產(chǎn)生的條件，兩光波能夠干涉的必要條件是1 頻率相同2 存在相互平衡的偏振分量3 具有穩(wěn)定的相位差這就是說頻率不同，偏振方向互相垂直，相位差不穩(wěn)定的光波彼此之間不相干，干涉光強(qiáng)是相干光波的復(fù)振幅疊加后的光強(qiáng)，由于在兩相干波交疊在區(qū)域中不同位置處相干波之間的相位差不同，因而干涉光強(qiáng)也不同，所以相干波疊加會產(chǎn)生空間明暗相

4、間的干涉條紋，而非相干光疊加則是強(qiáng)度疊加，總強(qiáng)度處處都等于各光波強(qiáng)度之和。因此，對于相干性最方便、直接的量度是干涉條紋的對比度（有時也稱作可見度、反襯度等），即干涉場中干涉條紋的清晰程度，它定義為K=(Imax-Imin)/(Imax+Imin)，其中Imax和Imin分別是干涉場中光強(qiáng)的最大值和最小值。K可區(qū)分以下三種情況K=1 完全相干K<1 部分相干K=0 完全不相干相干光效應(yīng)可分為空間相干性和時間相干性，前者與光源的幾何尺寸有關(guān)，后者則與光源的相干長度或單色性（帶寬）有關(guān)。 邁克爾干涉儀為測量時間相干性提供了一種方便的技術(shù)；空間相干性則有楊氏雙峰實(shí)驗(yàn)做出了最好的證明?！咎骄刻峋V】

5、干涉元件雙縫 光學(xué)劈尖菲涅爾雙棱鏡菲涅爾雙面鏡勞埃德鏡牛頓環(huán)梅斯林鏡比累雙切鏡一、【雙縫】元件原理光源發(fā)出的光經(jīng)濾光片成為單色光，單色光通過單縫后，經(jīng)雙縫產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉圖樣，干涉條紋可從屏上觀察到。圖樣中相鄰兩條亮(暗)紋間的距離x與雙縫間的距離d、雙縫到屏的距離L、單色光的波長之間滿足x與波長、雙縫間距d、及雙縫到屏的距離L有關(guān)。 干涉圖樣圖樣分析：雙縫干涉圖樣中，中間有兩條明顯的亮條紋，是兩條單縫衍射所形成的，其他等間距的明暗條紋才是兩條縫干涉形成的。雙縫干涉產(chǎn)生的圖樣應(yīng)該是等間距的明暗相間的圖樣二、【牛頓環(huán)】牛頓環(huán)儀元件原理牛頓環(huán)儀是由曲率半徑為R的待測平凸透鏡L和玻璃平板P疊裝在金屬框

6、架F中構(gòu)成，如下左圖所示?？蚣苓吷嫌腥齻€螺釘H，用來調(diào)節(jié)L和P之間的接觸，以改變干涉條紋的形狀和位置。調(diào)節(jié)H時，螺釘不可旋得過緊，以免接觸壓力過大引起玻璃透鏡迸裂、破損。右圖為牛頓環(huán)實(shí)物圖。干涉條紋:在光學(xué)上，牛頓環(huán)是一個薄膜干涉現(xiàn)象。光的一種干涉圖樣，是一些明暗相間的同心圓環(huán)。例如用一個曲率半徑很大的凸透鏡的凸面和一平面玻璃接觸，在日光下或用白光照射時，可以看到接觸點(diǎn)為一暗點(diǎn)，其周圍為一些明暗相間的彩色圓環(huán)；而用單色光照射時，則表現(xiàn)為一些明暗相間的單色圓圈。這些圓圈的距離不等，隨離中心點(diǎn)的距離的增加而逐漸變窄。它們是由球面上和平面上反射的光線相互干涉而形成的干涉條紋。分析牛頓雖然發(fā)現(xiàn)了牛頓環(huán)

7、，并做了精確的定量測定，可以說已經(jīng)走到了光的波動說的邊緣，但由于過分偏愛他的微粒說，始終無法正確解釋這個現(xiàn)象。事實(shí)一，這個實(shí)驗(yàn)倒可以成為光的波動說的有力證據(jù)之一。直到世紀(jì)初，英國科學(xué)家托馬斯·楊才用光的波動說完滿地解釋了牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)。 應(yīng)用判斷透鏡表面凸凹、精確檢驗(yàn)光學(xué)元件表面質(zhì)量、測量透鏡表面曲率半徑和液體折射率. 三、【光學(xué)劈尖】根據(jù)薄膜干涉的道理，可以測定平面的平直度.測定的精度很高，甚至幾分之一波長那么小的隆起或下陷都可以從條紋的彎曲上檢測出來.若使兩個很平的玻璃板間有一個很小的角度，就構(gòu)成一個楔形空氣薄膜，用已知波長的單色光入射產(chǎn)生的干涉條紋，可用來測很小的長度，比如頭發(fā)的直

8、徑。元件作用用圖甲所示的空氣劈尖檢查工件表面的平整度，出現(xiàn)如圖乙、丙所示的條紋 用干涉法檢查平面，如圖甲所示，兩板之間形成一層空氣膜，用單色光從 上向下照射，入射光從空氣膜的上下表面反射出兩列光波，形成干涉條紋。如果被檢測平面是光滑的，得到的干涉圖樣必是等距的。如果某處凹下去，則對應(yīng)明紋（或暗紋）提前出現(xiàn)，如圖乙所示；如果某處凸起來，則對應(yīng)條紋延后出現(xiàn)，如圖丙所示。（注：“提前”與“延后”不是指在時間上，而是指由左向右的位置順序上。） 條紋向劈尖的頂角側(cè)彎曲時說明工件該處是一個凹；條紋遠(yuǎn)離頂角彎曲時，工件該處有一個凸起四、【勞埃德鏡】元件原理勞埃德鏡是一種更簡單的觀察干涉的裝置。 為一塊平玻璃

9、板，用作反射鏡， 是一狹縫光源，從光源發(fā)出的光波，一部分掠射（即入射角接近 ）到玻璃平板上，經(jīng)玻璃表面反射到屏上；另一部分直接射到屏上。 這兩部分光是相干光，同樣是用分波陣面得到的。反射光可看成是由虛光源 發(fā)出的。 和 構(gòu)成一對相干光源，對干涉條紋的分析與雙縫實(shí)驗(yàn)相同。和鏡面相接觸的位置，此時從 和 發(fā)出的光到達(dá)接觸點(diǎn) 的路程相等，在 處應(yīng)出現(xiàn)明紋。但實(shí)驗(yàn)事實(shí)恰好相反，在 處出現(xiàn)的是暗紋，這表明直射光與反射光在 處的相位差為 。直射光的相位沒有變化，那只可能是反射光的相位躍變了。 進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時，反射光的相位 都有 的突 S：單色縫光源 S、S'：反相相干

10、光源實(shí)驗(yàn)光路干涉圖樣如圖片4所示為勞埃德鏡干涉所產(chǎn)生的干涉條紋。條紋間距左面疏松右面密集是因?yàn)橛^察圖樣時沒有與干涉產(chǎn)生的圖樣所垂直觀察，因此導(dǎo)致圖樣左面疏松右面密集。五、【菲涅爾雙棱鏡】元件原理它的截面是一個等腰三角形，兩頂角各約 左右。由狹縫光源 發(fā)出的光波，經(jīng)雙棱鏡折射，將分為兩束相干波，這兩束光可等效地看作由兩個虛光源 和 所發(fā)出。由于上、下棱鏡的頂角 很小， 和 之間的距離也很小，與雙縫實(shí)驗(yàn)相似。對雙縫實(shí)驗(yàn)的分析完全適用于雙棱鏡實(shí)驗(yàn)。在相干光重疊的區(qū)域，屏幕上將出現(xiàn)干涉條紋。 S：單色縫光源 S1、S2：同相相干光源干涉圖樣如圖片3所示為雙棱鏡干涉產(chǎn)生的圖樣，干涉產(chǎn)生等間距的明暗相間的

11、干涉條紋。六、【菲涅爾雙面鏡】元件原理它是兩個交角很小的平面鏡。從狹縫光源 發(fā)出的光波，經(jīng)平面鏡 和 反射后，分成向不同方向傳播的兩部分，這兩部分的波陣面如同從兩虛光源 和 發(fā)出的一樣，也是相干光，因?yàn)?和 之間的交角很小，所以 和 之間的距離也很小，與雙縫實(shí)驗(yàn)相似，在兩相干光交疊區(qū)域產(chǎn)生干涉條紋。 S：單色縫光源 S1、S2：同相相干光源作用對比楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)裝置中的小孔或狹縫都很小，他們的邊緣往往對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響（衍射）而使問題復(fù)雜化，菲涅爾提出了這種獲得相干光束的方法，可以在更簡單的情況下觀察到干涉圖樣?！拘牡皿w會】在老師同學(xué)的幫助下，我認(rèn)真完成了此項(xiàng)任務(wù)，在這要謝謝他們。通過這次的探究任務(wù)，讓我學(xué)到了很多東西，不僅在這過程中全面學(xué)習(xí)了干涉現(xiàn)象，還動手做出了光干涉的想象，