双棱镜测激光波长

一、引言法国科学家菲涅尔用几个自己设计的新实验，在当时令人信服地证明了光的干涉现象的存在，这些实验之一就有他在1826年进行的双棱镜实验。

与杨氏双缝干涉借助衍射形成分波面干涉不同，它利用棱镜形成“双缝”，并用毫米级的精度测量出纳米级的精度，它的物理思想、实验方法和测量技巧至今仍值得我们学习，并且对于以后微观物理学方面的实验仍然具有巨大的作用。

在本实验中通过用菲涅尔双棱镜对纳光波长的测量，要求我们掌握光的干涉有关原理及光学测量的基本技巧，特别要学习在光学实验中计算测量结果不确定度的各种方法。

二、实验原理1)菲涅尔双棱镜实际上是一个顶角A极大的等腰三棱镜,如下图所示，当S点处的单色点光源从BC面入射时，通过ABD的光向下偏折，通过ACD的光向上偏折，形成如图所示的交叠区，并产生S1、S2两个虚的点光源，于是在交叠区两个虚光源发出的相干光发生干涉；干涉条纹间距为X=Dλ/d (1)；其中d是两个虚光源之间的间距；D是光源到观察屏的距离；λ是光的波长。

用测微目镜的分划板作为观察屏可直接读出条纹间距X的值，D可直接由导轨上的直尺读出。

观察屏 S点光源通过双棱镜的折射2)虚光源间距的测量：使用二次成像法，光路图如下图所示：在双棱镜与测微目镜之间加一个焦距为f的凸透镜L，当D>4f时，可以移动L在测微目镜中观察到两虚光源的放大像和缩小像，读出虚光源像的间距d1,d2；有几何光学可知：d=(d 1d 2) 1/2；带入即可求出虚光源间距d 的值。

（由于制图不太准，图上显示的两个焦距f 略有差异,实际是相同的）3) 实验时我们利用以上原理来对未知量条纹间距X ,及虚光源间距d ；并且将点光源换成线光源使衍射条纹由点变线，增强了条纹的亮度，方便读数测量。

三、实验装置及实验过程实验装置双棱镜、测微目镜、光具座、线光源和透镜； 右图为测微目镜的结构图：使用时调节目镜与分划板之间的距离使之能清晰地看到分划板的准线及刻度线；而后调节测微目镜与待测实像的距离使像清晰无视差并且便于测量。

用双棱镜干涉测光波波长【实验目的】1．掌握用双棱镜获得双光束干涉的方法，加深对干涉条件的理解． 2．学会用双棱镜测定钠光的波长.【仪器和用具】光具座，单色光源（钠灯），可调狭缝，双棱镜，辅助透镜（两片），测微目镜，白屏.【实验原理】如果两列频率相同的光波沿着几乎相同的方向传播，并且它们的位相差不随时间而变化，那么在两列光波相交的区域，光强分布是不均匀的，而是在某些地方表现为加强，在另一些地方表现为减弱（甚至可能为零），这种现象称为光的干涉，菲涅耳利用图1所示的装置，获得了双光束的干涉现象，图中AB 是双棱镜，它的外形结构如图2所示，将一块平玻璃板的一个表面加工成两楔形板，端面与棱脊垂直，楔角A 较小（一般小于10）．从单色光源发出的光经透镜L 会聚于狭缝S ，使成S 为具有较大亮度的线状光源．从狭缝S 发出的光，经双棱镜折射后，其波前被分割成两部分，形成两束光，就好像它们是由虚光源1S 和2S 发出的一样，满足相干光源条件，因此在两束光的交叠区域21P P 内产生干涉．当观察屏P 离双棱镜足够远时，在屏上可观察到平行于狭缝S 的、明暗相间的、等间距干涉条纹．图1双棱镜干涉实验光路 图2 双棱镜结构设两虚光源1S 和2S 之间的距离为d ，虚光源所在的平面（近似地在光源狭缝S 的平面内）到观察屏P 的距离为D ，且D d <<，干涉条纹间距为x ∆，则实验所用光源的波长λ为x Dd∆=λ (1) 因此，只要测出d 、D 和x ∆，就可用(1)式计算出光波波长．【实验内容】1．调节共轴(1)按图1所示次序，将单色光源0S ，会聚透镜L ，狭缝S ，双棱镜AB 与测微目镜P 放置在光具座上．用目视法粗略地调节它们中心等高、共轴，棱脊和狭缝S 的取向大体平行．(2)点亮光源0S ，通过透镜L 照亮狭缝S ，用手执白纸屏在双棱镜后面检查：经双棱镜折射后的光束，有否叠加区21P P （应更亮些）?叠加区能否进入测微目镜？当移动白屏时，叠加区是否逐渐向左、右（或上、下）偏移？根据观测到的现象，作出判断，进行必要的调节使之共轴．2．调节干涉条纹(1)减小狭缝S 的宽度，绕系统的光轴缓慢地向左或右旋转双棱镜A B ，当双棱镜的棱脊与狭缝的取向严格平行时，从测微目镜中可观察到清晰的干涉条纹．(2)在看到清晰的干涉条纹后，为便于测量，将双棱镜或测微目镜前后移动，使干涉条纹的宽度适当．同时只要不影响条纹的清晰度，可适当增加狭缝S 的缝宽，以保持干涉条纹有足够的亮度．（注：双棱镜和狭缝的距离不宜过小，因为减小它们的距离，1S 和2S 间距也将减小，这对d 的测量不利．）3．测量与计算(1)用测微目镜测量干涉条纹的间距如，为了提高测量精度，可测出n 条（10～20条）干涉条纹的间距x ，除以n ，即得x ∆.测量时，先使目镜叉丝对准某亮纹（或暗纹）的中心，然后旋转测微螺旋，使叉丝移过n 个条纹，读出两次读数，重复测量几次，求出x ∆.(2)用光具座支架中心间距测量狭缝至观察屏的距离D.由于狭缝平面与其支架中心不重合，且测微目镜的分划板（叉丝）平面也与其支架中心不重合，所以必须进行修正，以免导致测量结果的系统误差，测量几次，求出D ．(3)用透镜两次成像法测两虚光源的间距d ．参见图3，保持狭缝S 与双棱镜AB 的位置不变，即与测量干涉条纹间距x ∆时的相同（问：为什么不许动？），在双棱镜与测微目镜之间放置一已知焦距为f '的会聚透镜L '，移动测微目镜使它到狭缝S 的距离f D '>'4，然后维持恒定，沿光具座前后移动透镜L '，就可以在L '的两个不同位置上从测微目镜中看到两虚光源1S 和2S 经透镜所成的实像1S '和2S '，其中一组为放大的实像，另一组为缩小的实像．分别测得两放大像的间距1d ，和两缩小像的间距2d ，则按下式即可求得两虚光源的间距d ．多测几次，取平均值d ．21d d d =(2)图3 用透镜两次成像法测两虚光源的间距d(4)用所测得的x ∆、D 、d 值，代入式(1)，求出光源的波长λ．(5)计算波长测量值的标准不确定度．4．注意事项(1)使用测微目镜时，首先要确定测微目镜读数装置的分格精度，要注意防止回程差，旋转读数鼓轮时动作要平稳、缓慢，测量装置要保持稳定．(2)在测量D 值时，因为狭缝平面和测微目镜的分划板平面均不和光具座滑块的读数准线（支架中心）共面，必须引入相应的修正,否则将引起较大的系统误差．(3)测量1d 、2d 时，由于透镜像差的影响，将引入较大误差，可在透镜L '上加一直径约lcm 的圆孔光阑（用黑纸）以增加1d 、2d 测量的精确度．（可对比一下加或不加光阑的测量结果．）【思考题】1．双棱镜和光源之间为什么要放一狭缝？为何缝要很窄且严格平行于双棱镜脊才可以得到清晰的干涉条纹？2．试证明公式21d d d =.附：测量钠光波长数据记录与处理D = (mm) x ∆= (mm)x D d ∆=λ=Dd d x 21∆不确定度计算举例：用双棱镜测量光源的波长（λ）实验，测量公式为：Dn x d d 121∆=λ 式中1d 为两虚光源经透镜1L 所成二亮线（光源实像）的间距，2d 为透镜移至2L 二亮线的间距，D 为虚光源到其实像的距离。

中文摘要本文首先介绍了双棱镜测量波长的基本的装置和原理及一般的操作步骤及方法，随后分析双棱镜测量波长的实验所引起的系统误差分析，及实验过程中遇到的操作困难等问题，针对这些问题，分别采取不同的实验改进方法对实验进行优化从而减少误差及减少操作的困难。

关键词：双棱镜波长干涉虚光源误差二次成像法等位移法ABSTRACTKey Words：biprism wavelength interference virtual light source error the secondary imaging method1．双棱镜测量光波长的背景利用菲涅尔双棱镜测量光波波长实验是大学物理实验中的基础实验，通过实验可以让学生掌握用菲涅尔双棱镜获得双光束干涉的方法，观察双棱镜产生的双光束干涉现象，进一步理解产生干涉的条件。

2. 双棱镜干涉实验的装置和原理2.1 双棱镜双棱镜外形结构如图1 所示, 将一块平玻璃板上表面加工成两楔形面, 端面与棱脊垂直, 楔角较小, 一般在30′- 1°之间。

2.2 双棱镜干涉实验中所用的仪器有双棱镜，可调狭缝，辅助透镜(两片)，读数显微镜，光具座，白屏，钠灯，原理如图1，双棱镜干涉是光的分波阵面干涉现象，由S发出的单色光经双棱镜折射后分成两列，相当于从两个虚光源S 和S 射出的两束相干光。

这两束光在重叠区域内产生干涉，在该区域内放置的读数显微镜中可以观察到干涉条纹。

图1 双棱镜干涉原理图2.3 根据光的干涉理论能够得出相邻两明(暗)条纹间的距离为：也就是：中是光波的波长，d是两个虚光源之间的距离，D是虚光源到接收屏之间的距离，是干涉条纹的间距。

利用双棱镜测量光波的波长，只要测出虚光源到接收屏之间的距离D（可以在光具座中直接读出可调狭缝到读数显微镜之间的距离近似为虚光源到接收屏之间的距离），从读数显微镜中直接测出干涉条纹的间距。

两个虚光源之间的距离无法直接测量出来，可以通过以下的方法，间接测出两个虚光源之间的距离，利用透镜成像法求出两个虚光源之间的距离d：保持狭缝与读数显微镜的距离不变，并且满足，在狭缝与读数显微镜之间放一凸透镜Q，凸透镜Q的焦距为，移动凸透镜，可以在读数显微镜中分别看到放大的实像和缩小的实像。

双棱镜干涉法测光波波长的方法探究13级物理师范 黄传帅引言：前不久，在张老师的指导下我做了双棱镜干涉实验，测得了光的波长。

回去自己思考后并查阅相关文献，获知双棱镜干涉法测光波波长的方法不仅仅局限于一种，而且每种方法都有它的优缺点。

因此通过探究双棱镜法测光波波长的方法，并分析它们的原理及其不足之处，可以提高物理系的本科生的科研能力和科学素养及其分析问题的能力，也可以丰富该实验在教学中的应用，增强学生对光的干涉的理解。

双棱镜干涉测光波波长实验是光学实验中一个基本的又是带有典型的实验,它可作为综合性或设计性实验,整个实验过程动手能力是一个很好锻炼和提高;通过数据处理和误差分析能对培养科学素质和科研能力以及分析问题和解决问题的能力起到很好的促进作用。

【一】 二次成像法（1） 实验原理如果两种频率相同的光波沿着几乎相同的方向传播，并且它们的相位比随时间的变化而变化，那么在两列光波相交的区域，光波分布是不均匀的，而且是在某些区域表现为加强，在某些地方表现为减弱（甚至可能为零），这种表现称为光的干涉。

在菲涅尔1818年设计的双棱镜干涉实验中，杨氏干涉实验中的双狭缝被一个双棱镜取代。

光源S 发出的光经双棱镜折射而形成两束光，可视为分别从虚光源S1、S2发出。

在两光束相交的区域放置观察屏，在P1、P2区间就可以观察到干涉条纹。

虚光源等效于双狭缝 形成了光波的分波面干涉。

设 d '代表两虚光源1S 和2S 间的距离，D 为虚光源所在的平面（近似的在光源狭缝S 的平面内）至观察屏P 的距离，且干涉条纹宽度为.则实验所用光波波长 可由下式表示：x d d ∆='λ 上式表明，只要测出d ',d 和 ，就可算出光波波长。

这是一种光波波长的绝对测量方法，通过使用简单的米尺和测微目镜，进行毫米量级的长度测量，便可推算出微米量级的光波波长。

(2)实验步骤1、调节共轴（1）将单色光源M （氦氖激光器）、会聚透镜L 、狭缝S 、双棱镜AB 与测微目镜P ，按下图图所示次序放置在光具座上，用目视粗略的调整它们中心等高、共轴，并使双棱镜的底面与系统的光轴垂直，棱脊和狭缝的取向大体平行。

中文摘要本文首先介绍了双棱镜测量波长的基本的装置和原理及一般的操作步骤及方法，随后分析双棱镜测量波长的实验所引起的系统误差分析，及实验过程中遇到的操作困难等问题，针对这些问题，分别采取不同的实验改进方法对实验进行优化从而减少误差及减少操作的困难。

关键词：双棱镜波长干涉虚光源误差二次成像法等位移法ABSTRACTKey Words：biprism wavelength interference virtual light source error the secondary imaging method1．双棱镜测量光波长的背景利用菲涅尔双棱镜测量光波波长实验是大学物理实验中的基础实验，通过实验可以让学生掌握用菲涅尔双棱镜获得双光束干涉的方法，观察双棱镜产生的双光束干涉现象，进一步理解产生干涉的条件。

2. 双棱镜干涉实验的装置和原理2.1 双棱镜双棱镜外形结构如图1 所示, 将一块平玻璃板上表面加工成两楔形面, 端面与棱脊垂直, 楔角较小, 一般在30′- 1°之间。

2.2 双棱镜干涉实验中所用的仪器有双棱镜，可调狭缝，辅助透镜(两片)，读数显微镜，光具座，白屏，钠灯，原理如图1，双棱镜干涉是光的分波阵面干涉现象，由S发出的单色光经双棱镜折射后分成两列，相当于从两个虚光源S 和S 射出的两束相干光。

这两束光在重叠区域内产生干涉，在该区域内放置的读数显微镜中可以观察到干涉条纹。

图1 双棱镜干涉原理图2.3 根据光的干涉理论能够得出相邻两明(暗)条纹间的距离为：λdDx=∆也就是：xDd∆=λ中λ是光波的波长，d是两个虚光源之间的距离，D是虚光源到接收屏之间的距离，x∆是干涉条纹的间距。

利用双棱镜测量光波的波长，只要测出虚光源到接收屏之间的距离D（可以在光具座中直接读出可调狭缝到读数显微镜之间的距离近似为虚光源到接收屏之间的距离），从读数显微镜中直接测出干涉条纹的间距。

两个虚光源之间的距离无法直接测量出来，可以通过以下的方法，间接测出两个虚光源之间的距离，利用透镜成像法求出两个虚光源之间的距离d ：保持狭缝与读数显微镜的距离不变，并且满足fD 4>，在狭缝与读数显微镜之间放一凸透镜Q ，凸透镜Q 的焦距为f，移动凸透镜，可以在读数显微镜中分别看到放大的实像和缩小的实像。

双棱镜干涉测量光波波长实验报告示例文章篇一：《双棱镜干涉测量光波波长实验报告》嘿，亲爱的小伙伴们！今天我要跟你们分享一个超级神奇的实验——双棱镜干涉测量光波波长！实验开始前，我满心期待，就像要去探索一个神秘的宝藏一样！老师把实验器材摆在桌上，那一堆东西看着就让人兴奋不已。

我和小伙伴小明、小红一组，我们仨围在实验桌前，眼睛都直勾勾地盯着那些器材。

老师先给我们讲解了原理，可我一开始听得云里雾里的，心里直犯嘀咕：“这能行吗？”不过，等老师亲自示范了一遍，我好像有点明白了。

这不就像我们一起跳绳，绳子甩起来形成的波浪一样嘛！我们开始动手啦！小明负责调整仪器的位置，那认真的模样，仿佛他是个专业的科学家。

我呢，负责记录数据，眼睛都不敢眨一下，生怕错过了什么重要的信息。

小红则在旁边给我们加油打气，还时不时地提醒我们要小心操作。

“哎呀，小明，你轻点儿，别把仪器碰坏啦！”我着急地喊道。

“放心吧，我心里有数！”小明自信地回答。

经过一番努力，我们终于看到了干涉条纹。

“哇塞，这也太漂亮了吧！”小红忍不住惊叹起来。

我们仔细地观察着条纹，测量着数据。

这过程可不轻松，一会儿这个数据不对，一会儿那个角度又偏了。

我都有点不耐烦了，“怎么这么麻烦呀！”但是，一想到马上就能得出结果，我们又鼓足了劲儿。

终于，所有的数据都测量好了，接下来就是计算波长啦。

这可真是个考验耐心和细心的活儿。

“哎呀，我算得脑袋都大了！”我抱怨着。

“别着急，咱们慢慢算，肯定能算对的。

”小明安慰我。

经过反复的计算和核对，我们得出了结果。

当看到那个数字的时候，我们高兴得差点跳起来。

这次实验可真是太有趣啦！它让我明白，科学可不是随便玩玩的，需要我们认真、耐心，还得团结协作。

难道这不是一次让人难忘的经历吗？难道我们从中学到的知识还不够多吗？我觉得这次实验就像一场冒险，充满了挑战和惊喜！我的观点就是：通过这次实验，我不仅学到了知识，还懂得了合作的重要性，以后我要更加努力地探索科学的奥秘！示例文章篇二：《双棱镜干涉测量光波波长实验报告》哇塞！今天我们在学校做了一个超级有趣的实验——双棱镜干涉测量光波波长！这可把我激动坏了！实验开始前，老师把我们分成了几个小组。

广东第二师范学院学生实验报告比较两次成像中心点的高低，若大像的中心点比小像高，则说明透镜位置偏高，应下降，反之，则说明透镜位置偏低，应上升。

此即所谓“大像追小像”。

反复调节透镜的高低左右，直到大、小像中心点重合为止。

3)调双棱镜。

在狭缝与透镜之间放入双棱镜，止目测粗调二者等高。

这时屏上出现两条平行亮线（狭缝像），如两亮线一高一低，表示双棱镜棱脊与狭缝不平行，则要旋转双棱镜使两亮线等高（有的双棱镜固定不可调，则旋转狭缝）；如两亮线一粗亮，一细暗，表示棱镜的棱脊未通过透镜光轴，则应平移双棱镜，使两亮线等宽等亮。

4)调测微目镜。

拿走观测屏，以测微目镜占领其位置。

调测微目镜高低左右，使之与透镜等高共轴，让狭缝像位于视场中央，在视场中央找到等高、平行、等亮度的狭缝像。

2、调出清晰的干涉条纹拿走凸透镜，在测微目镜的视场中寻找干涉条纹，此时只能看见一片黄光，这是因为狭缝过宽或双棱镜棱脊尚未与狭缝平行。

只要慢慢减小狭缝宽度，测微目镜的分划板上将出现一条竖直亮带（两边较暗）；轻轻改变狭缝的取向，就可以在亮带区域出现清晰的干涉条纹。

以上两步操作一定要轻缓。

调出条纹后，改变测微目镜与单缝的距离，改变双棱镜与狭缝的间距，观察条纹的疏密变化规律国，并寻找最佳测量状态。

3、测量（1）测x。

将单缝、双棱镜、测微目镜一一锁定，然后用测微目镜测读并记录第1~6、7~12条亮纹的位置读数（光程差为5），反复测量5组数据。

测量中注意：调分划板上的竖线与与干涉条纹平行，测量时，鼓轮只能向一个方向旋转，防止产生回程差。

（2）测D。

在导轨上读出测微目镜与狭缝的位置读数，并记录数据，D=狭缝位置读数减去测微目镜位置读数，只测一次。

（注意测微目镜的修正值，实验室已给出）（3）测d。

两虚光源1S和2S的间距由间接测量求得，测量方法有两种，共轭法和放大法。

本实验采用放大法。

图4 放大法测d光路图如图4所示放开并移动测微目镜，（千成别动狭缝和双棱镜），重新将凸透镜置入测微目镜和双棱镜之间，改变透镜的位置，使本不可测量的虚光源间距d成实像在测微目镜叉丝平面P上。