大物实验——双棱镜干涉实验(七)

双棱镜干涉采用分波阵面的方法，可以获得相干光源，双棱镜颇具有代表性。

虽然在激光出现之后，设法获得相干光源的工作已不如早期那样的重要，但双棱镜干涉在实验构思及装置调整等问题上仍然具有重要意义。

【实验目的】1．了解双棱镜干涉装置及光路调整方法；2．观察双棱镜干涉现象并用它测量光波波长；3．利用CDD 成像系统观测双棱镜干涉条纹，学习对CCD 成像系统进行长度单位定标；4．学习测微目镜的使用及测量。

【实验原理】1．双棱镜干涉原理双棱镜可看作是由两个折射棱角α 很小（小于1°）的直角棱镜底边相接而成。

借助于双棱镜可使从光源S 发出的光的波阵面沿两个不同方向传播。

相当于虚光源S 1及S 2发出的两束相干光。

在两束光交迭空间的任何位置上将有干涉发生，在该区域内可以接受并观察到干涉条纹。

双棱镜干涉条纹间距的计算方法，与扬氏双缝干涉的计算方法相同。

在图2中，若S 1和S 2发之间的距离为d ，S 至观察屏的距离为D （当用测微目镜代替屏进行观察时，则为S 至目镜的可动分划板间的距离），P o 为屏上与S 1及S 2等距离的点，在该点处两束光波的光程差也为零，因而两波相互加强而成零级的亮条纹。

在P o 点的两边还排列着明暗相间的干涉条纹。

设S 1和S 2到屏上距P o 点的距离为x k 的P k 点的光程差为δ ，当D >> d 、D >> x 时，有d D x k =δ （1）根据相干条件，当光程差 δ 满足：)2(2λδk ±=时，即在λk dD x ±=处（k = 0、1、2 …），产生亮条纹； )12()2)(12(−±=−±=k dD x k 时，即在λδ（k = 1、2…），产生暗条纹。

这样，两相邻亮条纹的距离为λd D x x x K K =−=Δ+1 （2）如果测得D ，d 及x Δ便可由（2）式求出 λ 值。

2．测量两虚光源之间的距离 D 是两虚光源之间的距离，因而不能用直接的比较方法测得，但它们相当于两个发光点，它们之间的距离可用透镜成像的规律进行测量，常用的方法有物距像距法（略）和共轭法。

双棱镜⼲涉的深⼊研究实验报告双棱镜⼲涉的深⼊研究实验⼀、问题提出实验课上我们已经掌握了⽤双棱镜获得双光束⼲涉的⽅法，加深对⼲涉条件的理解，并且学会了如何⽤双棱镜测定钠光的波长。

本次设计性实验中我们将进⼀步掌握双棱镜的⼲涉原理及调节⽅法，测定两个虚光源之间的距离与狭缝-双棱镜间距之间的关系。

主要从以下问题探讨：（⼀）实验测量双棱镜的楔⾓，并⽐较⾓度不同⼲涉现象的差异；（⼆）⽤多种⽅法来测两个虚光源之间的距离，并⽐较优缺点；（三）测定两虚光源之间的距离与狭缝-双棱镜间距之间的关系曲线；（四）利⽤双棱镜⼲涉观察He-Ne激光的⼲涉条纹，并测量氦氖光的波长；（五）将钠光灯换成⼤灯泡，观察⽩光的⼲涉条纹。

⼆、实验原理（⼀）双棱镜楔⾓的测量利⽤分光计测量：将分光机调平处于使⽤状态，使望远镜光轴与双棱镜的⼀个⾯垂直，这时在望远镜的视野中能够清晰看见绿⾊⼩⼗字叉丝的像。

C双棱镜的外形图：A B⼀束沿ＡＢ⾯法线⽅向的平⾏光投射于望远镜中, 测量α时, 当望远镜对准ＡＢ⾯时, 由望远镜物镜的焦⾯上发出的光束射到AB ⾯上，⼀部分反射，形成要测量的像，⼀部分透射进⼊棱镜后，分别在AC和BC⾯上反射回到望远镜中, 所以在测量中, 实际看到的是三个绿⾊⼩⼗字叉丝像。

AB⾯反射的像较亮，AC和BC ⾯反射的像较暗，望远镜叉丝对准较亮的⼗字叉丝像测量。

当望远镜转到AC和BC ⾯⼀侧时，在望远镜中实际看到4个⼗字像，中间2个像较暗，边上2个较亮，望远镜叉丝应对准A⼀侧的亮像测量[2]。

将待测双棱镜置于分光计的载物台上，固定望远镜⼦，点亮⼩灯照亮⽬镜中的叉丝，旋转分光计的载物台，使双棱镜的⼀个折射⾯对准望远镜，⽤⾃准直法调节望远镜的光轴与此折射⾯严格垂直，即使⼗字叉丝的反射像和调整叉丝完全重合。

记录刻度盘上两游标读数V1、V2；再转动游标盘联带载物平台，依同样⽅法使望远镜光轴垂直于棱镜第⼆个折射⾯，记录相应的游标读数V1'，V2'，由此得双棱镜的楔⾓α为：α=(｜V1'－V1｜+｜V2'－V2|)/4（⼆）多种⽅法测两光源之间的间距1.⼆次成像法在“⽤双棱镜⼲涉测量光波的波长”时关键是测量两虚相⼲光源的间距d,⽬前使⽤的教科书中⼀般采⽤⼆次成像法测量两虚相⼲光源的间距，其实验装置和光路图如图1所⽰：图1中狭缝光源S发出的光波经双棱镜上下两部分折射后形成两虚相⼲光源Ｓ1和Ｓ2，ｄ通过透镜Ｌ在两个不同位置的⼆次成像求得，即ｄ＝21dd，ｄ1为两虚相⼲光源通过透镜所成的放⼤实像间的距离ｄ2为两虚相⼲光源通过透镜所成的缩⼩实像间的距离[3]。

实验二十九双棱镜干涉一．实验目的1．掌握获得双光束干涉条纹的一种方法，进一步理解光的干涉本质。

2．学习一种测量光波波长的方法。

3．学会测微目镜的使用。

二．实验仪器光具座、测微目镜、钠光灯及电源、双棱镜、透镜、狭缝三．实验原理产生光的干涉现象需要用相干光源，即用频率相同、振动方向相同和位相差恒定的光源。

为此，可将由同一光源发出的光分成两束光，在空间经过不同路径，会合在一起而产生干涉。

分光束的方法有分波阵面和分振幅两种：双棱镜干涉属于前类；薄膜干涉属于后类。

双棱镜是由两个折射角极小的直角棱镜组成的。

借助棱镜界面的两次折射，可将光源（狭缝）发出的光的波阵面分成沿不同方向传播的两束光。

这两束光相当于由虚光源S1、S2发出的两束相干光（如图所示）。

于是它们在相重叠的空间区域内产生干涉。

将光屏插进上述区域中的任何位置，均可看到明暗相间的干涉条纹。

可以证明，相邻两明（或暗）条纹间的距离为：ΔX＝X k+1－X k＝(D/d)λ式中：D为狭缝到观察屏的距离；d为两虚光源之间的间距；λ为入射光波波长。

上式表明，只要测出d、D和ΔX，就可算出光波波长λ。

四．实验内容及步骤1．调整光路并定性观察双棱镜干涉现象及其特点。

实验的光路装置如图所示。

先用单色光均匀照亮狭缝，利用狭缝所获得的柱面波射向双棱镜，并使其均匀照亮棱脊部位，然后依次作如下调整并观察：（1）按照同轴等高的要求，调整光源（若用激光作光源需加扩束镜）、单缝、双棱镜、2L：光源（钠光灯）；L1：扩束镜（用钠光灯时取消）；S：狭缝；B：双棱镜；L2：透镜；Q：光屏；F：测量目镜双棱镜干涉实验装置（2）使单缝的取向与棱脊平行并同时垂直于光具座。

（3）逐渐减小单缝的宽度，使能看清干涉条纹（条纹不能太窄，否则视场太暗，以致看不清干涉条纹）。

反复调整单缝的取向和宽度，直到干涉条纹清晰为止。

（4）缓慢调整单缝与双棱镜间的距离，观察干涉条纹疏密程度的变化，找出这种变化的定性规律，并作出解释。

实验五 菲涅耳双棱镜干涉[实验目的]1． 观察和研究菲涅耳双棱镜产生的干涉现象； 2． 测量干涉滤光片的透射波长(λ0)。

[仪器和装置]白炽灯，干涉滤光片，可调狭缝，柱面镜，菲涅耳双棱镜，双胶合成像物镜，测微目镜。

[实验原理]如图1a 所示，菲涅耳双棱镜装置由两个相同的棱镜组成。

两个棱镜的折射角α很小，一般约为5 ~ 30'。

从点（或缝）光源S 发出的一束光，经双棱镜折射后分为两束。

从图中可以看出，这两折射光波如同从棱镜形成的两个虚像S 1和S 2发出的一样。

S 1和S 2构成两相干光源，在两光波的迭加区产生干涉。

a、从图1b 看出，若棱镜的折射率为n ，则两虚像S 1、S 2之间的距离a n l d )1(2-= （5-1）干涉条纹的间距λan l l l e )1(2'-+=（5-2）式中，λ为光波的波长。

对于玻璃材料的双棱镜有n =1.50，则λal l l e '+=（5-3） 可得到e l l la'+=λ （5-4） 在迭加区内放置观察屏E ，就可接收到平行于脊棱的等距直线条纹。

若用白光照明，可接收到彩色条纹。

对于扩展光源，由图2可导出干涉孔径角：''l l al +=β （5-5） 和光源临界宽度：⎪⎭⎫⎝⎛+=='1l l a b λβλ （5-6） 从式（5-5）和（5-6）看出，当l'=0时，β=0，则光源的临界宽度b 变为无穷大。

此时，干涉条纹定域在双棱镜的脊棱附近。

b 为有限值时，条纹定域在以下区域内:λαλ-≤b ll ' （5-7）a) 图 1 双棱镜干涉原理图[内容和步骤]1．调整光路，观察和研究双棱镜干涉现象(1) 按图3所示，将光学元件置于光学平台上。

调整光学元件，使其满足同轴等高的要求。

(2) 取l ≈200mm ，l '≈1200mm ，按λ=550nm ，α=30'，n =1.50计算出b 的数值。

双棱镜干涉实验【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．【实验仪器】光具座、白屏、单色光源钠灯、测微目镜、短焦距扩束镜、白炽灯、氦氖激光器、毛玻璃屏、滑块（若干个）、手电筒可调狭缝、双棱镜、辅助透镜、白屏、凸透镜（不同焦距的数个)。

．【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S 成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S1和S2发出的一样，满足相干光源条件，因此在两束光的交叠．区域图1 图2P1P2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．设两虚光源S1和S2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 d d ∆'=λ因此，只要测出d '、d 和x ∆，就可用公式计算出光波波长． 【实验内容】1．调节共轴(1)将单色光源M ，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M ，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P1P2 (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，一般情况下，可从测微目镜中观察到不太清晰的干涉条纹（测微目镜的结构及使用调节方法见实验基础知识有关内容）。

双棱镜⼲涉4.2 基于双棱镜⼲涉的光波波长测定光的⼲涉是普遍的光学现象之⼀，是光的波动性的重要实验依据．两列频率相同、振动⽅向相同和位相差恒定的光在空间相交区域光强将会发⽣相互加强或减弱现象，即光的⼲涉现象。

可见光的波长虽然很短，但⼲涉条纹的间距和条纹数却很容易⽤光学仪器测得．根据⼲涉条纹数⽬和间距的变化与光程差、波长等的关系式，可以推出微⼩长度变化(光波波长数量级)和微⼩⾓度变化等，因此⼲涉现象在测量技术、平⾯⾓检测技术、材料应变研究和照相技术等领域有着⼴泛地应⽤。

实验⽬的（1）掌握利⽤双棱镜获得双光束⼲涉的⽅法。

（2）观察双棱镜⼲涉图样的特点，加深对⼲涉知识的理解。

（3）学习⽤双棱镜测光源的波长。

（4）熟悉⼲涉装置的光路调节技术，掌握多元件等⾼共轴的调节⽅法。

实验仪器双棱镜、辅助（凸）透镜、光学平台（光具座）、⽩屏、半导体激光器、光电探测器、光功率计。

实验原理⾃1801年起，托马斯·杨在英国皇家学会连续宣读了数篇基于光的波动说分析⼲涉现象的论⽂，他所进⾏的著名的分波前双孔（缝）⼲涉实验以后被称为杨⽒双缝实验。

杨⽒双缝实验将波动的空间周期性转化成⼲涉条纹的间距，通过对⼲涉条纹特性的分析得出了许多具有重要理论及实际意义的结论，从⽽⼤⼤丰富和深化了⼈们对⼲涉原理及光场相⼲性的认识，在物理学史上具有重要的地位。

菲涅尔双棱镜⼲涉实验是在杨⽒实验的基础上改进⽽来的，增加了相⼲波⾯的有效照明⾯积，从⽽增强了⼊射光强，使⼲涉现象明显，易于测量。

该实验曾在历史上为确⽴光的波动学说起到了重要作⽤，提供了⼀种直观、简捷、准确的测量光波长的⽅法。

1.双棱镜的结构双棱镜是⼀个分割波前的分束器，形状如图4‐5‐1所⽰，其端⾯与棱脊垂直，楔⾓很⼩，⼀般为37'或40'，从外表看，就像⼀块平⾏的玻璃板。

图4-5-1双棱镜⽰意图2. 双棱镜⼲涉双棱镜⼲涉是光的分波阵⾯⼲涉现象。

如图4-5-2所⽰，从光源S 发射的光束，经双棱镜折射后变为两束相⼲光，这两束相⼲光可认为是由实际光源S 的两个虚像S （1）S 2发出的，称S （1）S 2为虚光源，在它们的重叠区内，将产⽣⼲涉，形成明暗相间的⼲涉条纹。