劳埃德镜和菲涅尔双面镜10-2分振幅干涉
经典实验讲义-菲涅尔双面反射镜干涉 (测量实验)
菲涅尔双面反射镜干涉 (测量实验)一、实验目的观察双平面干涉现象及测量光波波长 二、实验原理如附图7所示的是双面镜装置是由两块平面反射镜M 1和M 2组成，两者间夹一很小的附图7 菲涅尔双面镜角ϕ。
S 是与M 1和M 2的交线（图中以M 表示）平行的狭缝，用单色光照明后作为缝光源。
从同一光源S 发出的光一部在M 1上反射，另一部分在M 2上发射，所得到的两反射光 是从同一入射波前分出来的，所以是相干的，在它们的重叠区将产生干涉。
对于观察者来说，两束相干光似乎来自S 1和S 2，S 1和S 2是光源S 在两反射镜中的虚像，由简单的几何光学原理可证明，由S 光源发出的，后被两反射镜反射的两束相干光在屏幕上的光程差与将S 1、S 2视为两相干光源发出两列相干光波到达幕上的光程差相同。
与双棱镜实验相似，根据双棱镜的实验中推导出的公式/xd D λ=∆，亦可算出它的波长λ。
三、实验仪器1、钠光灯（可加圆孔光栏）2、凸透镜L ： f=50mm3、二维调整架： SZ-074、单面可调狭缝： SZ-225、双面镜6、测微目镜Le （去掉其物镜头的读数显微镜）7、读数显微镜架 : SZ-388、三维底座： SZ-019、二维底座： SZ-02 10、一维底座： SZ-03 11、一维底座： SZ-03 12、凸透镜： f=150mm 13、He —Ne 激光器(632.8nm) 14、白屏H ： SZ-13 15、二维调整架： SZ-07 16、通用底座： SZ-01 17、通用底座： SZ-01四、仪器实物图及原理图图十一（1）图十一（2）五、实验步骤1、把全部仪器按照图十一的顺序在平台上摆放好（图上数值均为参考数值），靠拢后目测调至共轴。
而后放入双面镜。
2、调节双面镜的夹角，使其与入光的夹角大约为半度，如图十一（2）。
（亦可用激光器替换钠灯，白屏H代替微测目镜，使细激光束同时打在棱边尽量靠近的双面镜的两个反射镜上，在远离双面镜交棱的白屏上看到干涉条纹。
大学物理演示(赵)(光干涉)
17.2、 杨氏双缝干涉实验 双镜 劳埃德镜
1. 杨氏双缝干涉实验
实验装置 分波阵面干涉 缝宽： 10-4 m 双缝距离 d: 0.1--3 mm
屏到双缝距离 D: 1--10 m
屏上横向观测范围: 1--10 cm
2、 杨氏干涉条纹
S1 和 S2 振动方向相同, 频率相同 相位相同
A
P点光强 I I1 I2 2 I1I2 cos 2I0 (1 cos )
2
n1 n2 n3
光线1有，光线2有 2n2e cos
n1 n2 n3
n1 n2 , n3 n2
光线1没有，光线2没有 2n2e cos
光线1没有，光线2有
2n2e cos
2
2n2e cos 0
Oi
f tgi P 屏幕 f
谱线的自然宽度 ν
波包 i()
λ 谱线宽度
λ0 λ
波列
L c ～ 1 ～109 s
ν
2.相干光的获得
S1
分波前法 S
分波面法 S2
cos 0
不满足相 干条件
满足相 干条件 先分 后合
P
S
分振幅法
薄膜
1
2
托马斯.扬 （Thomas.Yong ,1773—1829）。幼年 时就聪慧过人，尤其擅长语言，青年 时会10种语言。后来他攻读医学，但 对物理学也有很大的兴趣。在研究听 觉和视觉问题时。他注意到光的微粒 说和波动说的争论，尽管当时在学术 界占统治地位的是微粒说，但是他注 意到惠更斯的波动说的合理性，1801 年他完成了著名的杨氏双缝实验，验 证了光的波动性
第十周 菲涅耳双棱镜
菲涅耳双棱镜一、引言关于光究竟是波还是粒子曾经在历史上引起了很长时间的争论，虽然1801年英国科学家T.Young用双缝做了光的干涉的实验后, 光的波动学说开始为多数学者所接受, 但仍有不少反对意见。
有人认为杨氏条纹不是干涉所致, 而是双缝的边缘效应。
之后法国科学家Augustin J.Fresnel做了几个新实验, 令人信服的证明了光的干涉现象的存在, 这些实验之一就是他在1826年进行的双棱镜实验. 实验不借助光的衍射而形成波面干涉,验证了光的波动性。
本实验通过菲涅耳双棱镜观察各种实验因素改变时对干涉条纹的影响, 测量钠黄光的波长。
二、实验原理（1）菲涅尔双棱镜菲涅耳双棱镜简称双棱镜，是一个顶角A极大的等腰三角形ABC，它可以看成是由两个楔角很小的直角三棱镜ABD和ACD所组成。
当一个点光源S（实验中用线光源也可以，但是要与棱边平行），通过上半个棱镜ABD的光束向下偏折，通过下半个棱镜ACD的光束向上偏折，相当于形成S1’和S2’两个个虚光源。
把观察屏放在两光束的交叠区，可以看到干涉条纹，条纹间距为：D xd λ=其中的d为虚光源S1’和S2’的间距，D是光源到观察屏之间的距离，λ是光的波长。
1、点光源通过双棱镜的折射（2）d的测量——二次成像法在双棱镜和测微目镜之间加入一个焦距为f的凸透镜L，当D>4f时，可以移动L而在测微目镜中看到两个虚光源的缩小像或放大像。
分别读出两个虚光源之间的距离d1和d2，则d二次成像光路三、实验器材与实验步骤实验仪器：光具座（干涉衍射实验装置 SGW—1A型）钠灯钠灯电源（GB—20W）狭缝双棱镜凸透镜测微目镜CW—1实验步骤:1、1、打开钠灯，预热十分钟，在光具座上依次安放光缝、双棱镜、测微目镜，使得两束光的光斑交叠区进入目镜中心。
2、2、减小狭缝的宽度直至从测微目镜中恰好能看到交叠区的亮光。
3、缓慢调节狭缝的方向直至与双棱镜的棱边平行，使在测微目镜中看到干涉条纹。
双棱镜干涉
【实验内容】
（2）调节双棱镜 在狭缝与透镜之间放入双棱镜。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；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 亮等宽等亮。 （3）调节测微目镜
用测微目镜代替观察屏，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。
x d1 | d11 d12 | d2 | d21 d22 |
d d1 d2
D A d1 d2 d1 d2
d x
D
Er
0 0
100 %
代数过程
【注意事项】
1. 不要反复开启钠光灯，影响钠光灯的寿命。 2. 不要用手触摸光学元件表面，以防污染，只能用镜头纸擦试光学
的光，它相当于光源 S 的两个虚像 S1、S2 射出的光（相干光），在两束光
相重叠的区域产生明暗相间的干涉条纹。
光
屏
S1 dS
S2
干涉区
D
λ --- 钠光波长 D --- 虚光源到观测屏间的距离
x D
d --- 两虚光源的距离
d
△x --- 相邻明（或暗）条纹间的距离
【实验仪器】
CXJ-1型光具座、钠光灯、可调狭缝、双棱镜、凸透镜、测微目镜、像屏
【实验内容】
1. 开启钠光灯，调节等高共轴
在光具座上调节钠光灯、可调狭缝、双棱镜、凸透镜、测微目镜等器件同轴等高； 同时调整狭缝使之与钠光光源贴近、对正，让钠光均匀照亮整个狭缝。 （1） 调节凸透镜
在狭缝后放上凸透镜，凸透镜后放上一观察屏。观察屏与狭缝之间的距离大于4f， 透镜在狭缝与观察屏之间沿光轴移动，观察屏上先后两次出现狭缝的像，一次成大 像，一次成小像。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。
双棱镜干涉
u( )
E u( ) 100%
实验结果的定性分析
提示：根据实验条件和各 物理量的测量方法，定性分析 误差来源，说明其对实验结果 准确度的影响
问题思考
本实验采用激光光源，若 用钠光作光源，双棱镜产生的 干涉条纹有无变化？用白光照 射时，干涉条纹怎样变化，请 描绘出干涉图样。
在双棱镜和测微目镜间插入透镜L， 移动L,可观察到两个位置成清晰的实像， 记录虚光源缩小像的间距 b 和放大像的
间距 b ，并测量相应的像距及物距。对 应于b 和 b的像距及物距的关系为：
u v u v
以上均须测量6次。
5、用米尺测量虚光源到测微目镜 分划板（观察屏）间的距离D.
几点说明
1、注意两个虚光源的位置在双棱镜附 近，实验中不要测错物距。
双棱镜干涉
菲涅耳双棱镜实验是一种分波阵面 的干涉实验，实验装置简单，但设计思 想巧妙。它通过测量毫米量级的长度， 可以推算出小于微米量级的光波波长。
1881年菲涅耳用双棱镜实验和双面 镜实验再次证明了光的波动性质，为波 动光学奠定了坚实的基础。
项目
实验原理 实验仪器 实验内容 操作要点
数据处理 问题思考
数据处理之一
1、根据测得的20个暗条纹的位置坐标，用逐
差法计算x 值，并计算u(x) 值。
提示：u(x) 的A类分量计算
设 l x10 j x j j 1、2、、10
则
10 x10 j x j i
l i1
n
n 1,2,,10
u(l)
10
2
x10 j x j l
i 1
实验原理
S1 a S0
S2
D
菲涅耳双棱镜可以看作两块底面相接、 棱角很小的直角棱镜合成的。当单色狭条 光源S0从棱镜正前方照射时,经双棱镜折射， 成为两束相重叠的光，它相当于光源S0 的 两个虚像S1、S2射出的光（相干光），在 两束光相重叠的区域内产生明暗相间的干 涉条纹.
菲涅耳双棱镜干涉
实验七 菲涅耳双棱镜干涉一、实验目的1.掌握菲涅耳双棱镜获得双光束干涉的方法2.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3.结合杨氏实验理解菲涅耳双棱镜实验的原理，弄清有关物理量之间的关系二、实验原理菲涅耳双棱镜实验是一种分波阵面的干涉实验，实验装置简单，但设计思想巧妙。
它通过测量毫米量级的长度，可以推算出小于微米量级的光波波长。
1881年菲涅耳用双棱镜实验和双面镜实验再次证明了光的波动性质，为波动光学奠定了坚实的基础。
如图7—1所示，将一块平玻璃板的上表面加工成两楔形，两端与棱脊垂直，楔角较小（一般小于1度）。
当单色光源照射在双棱镜表面时，经其折射后形成两束好像由两个光源发出的光，即两列光波的频率相同，传播方向几乎相同，相位差不随时间变化，那么，在两列光波相交的区域内，光强的分布是不均匀的，满足光的相干条件，称这种棱镜为双棱镜。
菲涅儿利用图7—2所示的装置，获得了双光束的干涉现象。
图中双棱镜AB 是一个分割波前的分束器。
从单色光源M 发出的光波，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。
当狭缝S 发出的光波投射到双棱镜AB 上时，经折射后，其波前便被分割成两部分，形成沿不同方向传播的两束相干柱波。
通过双棱镜观察这两束光，就好像它们是由1S 和2S 发出的一样，故在其相互交叠区域21P P 内产生干涉。
如果狭缝的宽度较小，双棱镜的棱脊与光源平行，就能在白屏P 上观察到平行与狭缝的等间距干涉条纹。
x 图7—2棱脊端面楔角图7—1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（近视地在光源狭缝S 的平面内）至观察屏的距离，且'd <<d ，干涉条纹宽度为x δ，则实验所用光波波长λ可由下式确定x d d δλ'= （7—1） （7—1）式表明，只要测出'd 、d 和x δ，便可计算出光波波长。
通过使用简单的米尺和测微目镜，进行毫米级的长度测量，推算出微米级的光波波长，所以，这是一种光波波长的绝对测量。
菲涅耳双棱镜干涉实验指导书
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。
杨氏双缝干涉实验劳埃德镜
x
x x
1明
2明
3.明.. 15
物理学
第五版
11-2 杨氏双缝干涉实验 劳埃德镜
三、劳埃德镜
P
S1 ①
d S2
②
M
d'
分波阵面干涉
原理同“杨氏”
条纹间距 x d
d
第 十一章 光学
16
物理学
第五版
屏P 左移
11-2 杨氏双缝干涉实验 劳埃德镜
P'
P
S1
镜边缘 d
L暗纹
S2
ML
d ' 暗纹
物理学
第五版
11-2 杨氏双缝干涉实验 劳埃德镜
11-2 杨氏干涉与劳埃德镜实验
本节通过两个实例说明分波阵面干涉的原理
分波阵 将点源发出的波阵面分割成两部分 面干涉 作为相干波源而实现的干涉
第 十一章 光学
1
物理学
第五版
11-2 杨氏双缝干涉实验 劳埃德镜
一、杨氏干涉实验
1、现象
d d
实
L
验
S
装 钠灯
xk
d
d
等间距
x
x x
x
...
(2)白光照射时？，出现 彩色条纹
第 十一章 光学
6
物理学
第五版
11-2 杨氏双缝干涉实验 劳埃德镜
第 十一章 光学
7
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第五版
11-2 杨氏双缝干涉实验 劳埃德镜
(3) d、d′一定时，若改变, 则 x 将怎样变化？
第 十一章 光学
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物理学
取
k
=1
1
arcsin
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3. 两列同频率的光波的叠加 2 E某时刻 E cos( t k r ); I E 1, 2 10 , 20 1, 2 1, 2 10 , 20 1, 2 10 , 20 , 某交叉空间点
E E1 E 2 E 0 cos( t 0 ); I E 02 E 0 E E 2 E10 E 20 cos
§10-1 分波前干涉
(2) 条纹分布
d ΔL
r1
r2
D
P
.
y
y
y0
y I
0
亮纹 暗纹
D L k , yk k , k (0,1,2„) d 1 1 D L ( k ) , yk ( k ) 2 2 d
I 2 I 0 (1 cos ) 4 I 0 cos L L k I 4I 0 干涉相长 ; 形成亮纹
2
1 L ( k ) I 0 干涉相消 , 形成暗纹 . 2 I 依赖于Δ L, 即r1, r2, 决定于空间点位置, 有些处干 涉相长 I=4I0 亮纹, 有些处干涉相消 I=0 暗纹; 且不 随时间变化. 光强形成稳定的空间分布―干涉图样.
cos
1
0
cos dt
•非相干叠加
20 10 “瞬息万变”, 一会儿同相, 一会儿反相
cos
若I1 I 2 , 则I 2 I 0 无干涉现象,
空间各处都是平均的照度. 如照明灯之间的情形.
1
cos dt 0 I I1 I 2 0
§10-1 分波前干涉
3. 两列同频率的光波的叠加
I I1 I 2 2 I1 I 2 cos ; 2
L ( 20 10 ),
cos
1
0
cos dt
•相干叠加
20 10 const. cos cos 若 20 10 0, I1 I 2 I 0 ,
§10-1 分波前干涉
2.光程差及条纹特点 (1)光程差
S1
r1
P y r2 o
·
y z
d
半径足够长, 弧长足够小 则弧与半径 近似垂直.
两锐角的边 分别垂直, 则两角相等.
S2 Δ
L
D 实验条件 (不加说明时, 实验在真空(或空气)中进行) •双缝(或孔)间隔: d~0.1mm-1mm, [d >>λ ,能有干涉] •横向观测范围: y~1cm―10cm, [y<<D,保证振动方向] •缝平面与屏间距: D ~1m―10m, [D>>d, y,相干长度]
复习讨论波动 1.横波 2.纵波 3.驻波 4.驻波的节,腹距离 5.驻波的节,腹位相 6.驻波的能量分布,形式,流向 7.固定端反射波方程 8.自由端反射波方程.
波动光学
光学是研究光的传播以及它和物质相互作用
问题的学科。 光学通常分为以下三个部分： 以光的直线传播规律为基础，主要 ▲ 几何光学： 研究各种成象光学仪器的理论。
1. 普通光源：自发辐射, 热辐射
· ·
独立（不同原子发的光）
独立（同一原子先后发的光）
具有间歇性和随机性, 波列有一定长度, 长度不等, 波列间没有固定相位差. 非相干光源, 如照明灯.
2. 相干光源：满足相干条件的两(或多)个光源
单色光: 单一波长的光(理想); 准单色光: 复色光:
§10-1 分波前干涉
1. 等倾干涉 2. 等厚干涉: 劈尖干涉和牛顿环 3. 麦克尔逊干涉仪
§10-1 分波前干涉
§10-1 分波前干涉
一. 光的相干
任何发光的物体, 都可以叫做光源. 光源的最基本发光单元是分子、原子。
能级跃迁辐射
E2
波列
= (E2-E1)/h
E1
波列长 L = c
§10-1 分波前干涉
2
2
I 2 I 0 (1 cos L) 4 I 0 cos L
I 依赖于r1, r2, 决定于空间点, 且不随时间变化, 光强形成了稳定的空间分布, 干涉图样.
§10-1 分波前干涉
3. 两列相干光波的叠加
•相干叠加
若 20 10 0, I1 I 2 I 0 ,
§10-1 分波前干涉
二. 杨氏干涉 1.实验装置 (平面单色光入射)
S1
r1
·
r2
0
y P
S0
S2
z
托马斯• 杨
A
B
C
构思精巧: 同一列波的同一波面上取出两个次波源,总 是相干的. 一切分波前干涉装置的设计思想都仿效于此. 它最先为光的波动性提供实验证据的光的干涉实验, 是导致光的波动性得到普遍承认的关键性实验.
§10-1 分波前干涉
4. 普通光源获得相干光的途径 思考 : 若照明灯是相干光源?
把普通光源上同一批原子发出的光一分而二 (两束光, 1 2 , 20 10 0 ), 并让它们殊途同 归(r2≠ r1)实现相干叠加.
P
分波面法： S *
P ·
薄膜
在P点 相干叠加
分振幅法： S *
研究光的传播规律中波动性质， 特别 ▲ 波动光学： 是干涉、衍射、偏振的理论和应用。
以光的量子理论(粒子性)为基础(laser)， ▲ 量子光学：
研究光与物质相互作用的规律。
第十章
§10-1 分波前干涉
光的干涉
1. 光的相干 2. 杨氏干涉实验 3. 其它干涉装置: 劳埃德镜和菲涅尔双面镜
§10-2 分振幅干涉 —薄膜干涉
2 10 2 20
P
S1
.
( t k 2 r2 20 ) ( t k1r1 10 )
2
2
( n2 r2 n1r1 ) ( 20 10 )
2
S2
.
L ( 20 10 )
2 2 I E 0 E10 E 20 2 E10 E 20 cos
I 1 I 2 2 I 1 I 2 cos ; 其 中cos
1
0
cos dt
§10-1 分波前干涉
3. 两列同频率的光波的叠加
I I1 I 2 2 I1 I 2 cos ; 2
L ( 20 10 ),