牛顿环与劈尖干涉.
等厚干涉实验—牛顿环和劈尖干涉
等厚干涉实验—牛顿环和劈尖干涉
等厚干涉实验，是由洪堡用他的牛顿环提出来的，它是细节最精确的光学实验中的一种，从1832年到今天依然使用着这种工具，用于测量光的波长。
与常见的牛顿环相比，劈尖干涉实验对更精确的波长测量更加具有优势，因此得到了广泛的应用。
等厚干涉实验由牛顿环和劈尖干涉组成。
牛顿环是带有镶边的圆形玻璃，其边缘处有两个凹痕，它们被锯齿状分割或尖锐的割边填充，形成镶边，这种特殊的凹痕可以将光线形成一个尖锐而密集的条状图案。
光线由镶边穿过时，产生干涉。
劈尖干涉则不依靠物理凹痕来实现，而是依靠使用两个平行的光纤，其中一根分成两端，由一个非激光的光源为源入射在第一根光纤上，然后从两端发出，分别穿过另外一端光纤，最后从E型探头出发，形成劈尖边缘，从而产生干涉。
等厚干涉实验的基本原理是，入射光有一定的空间图案，其条纹会与凹痕或劈尖边缘相互叠加，形成干涉。
在实际操作中，将该干涉实验用于波长测量时，只要将数据拟合到模型公式，便可以准确测量出光的波长。
等厚干涉实验的优势在于，操作简便，测量准确，同时具有较高的精度。
而缺点是，由于采用凹痕或劈尖边缘，光线会产生不可预测的多普勒效应，而且各种环境因素会对结果造成影响，所以并不能完全准确测量光的波长。
牛顿环和劈尖干涉实验报告
牛顿环和劈尖干涉实验报告牛顿环和劈尖干涉实验报告引言：光学是一门研究光的传播和性质的学科，而干涉实验则是光学中重要的实验手段之一。
本次实验旨在通过观察牛顿环和劈尖干涉实验现象，探究光的干涉现象及其原理。
一、牛顿环实验牛顿环实验是一种观察薄膜干涉现象的经典实验。
实验中，我们使用了牛顿环装置，即一块平凸透镜与一块平凹透镜相接触，形成一层薄膜。
通过照射白光，我们可以观察到一系列彩色的环状条纹。
牛顿环的形成是由于光的干涉现象。
当光线从空气进入到透明介质中时，会发生折射。
在透镜与薄膜接触的表面，由于介质折射率的变化，光线会发生反射和折射，形成反射和折射光波的干涉。
这种干涉现象导致了光的干涉条纹的形成。
牛顿环实验中，我们可以观察到一系列同心圆环，每个环的亮暗程度不同。
这是由于光的干涉现象导致的。
光线在透镜与薄膜接触表面发生反射和折射后，由于相位差的存在，不同波长的光会发生干涉，形成亮暗相间的条纹。
而圆环的大小则与光的波长和相位差有关。
二、劈尖干涉实验劈尖干涉实验是一种观察光的干涉现象的实验，通过劈尖形状的玻璃片，我们可以观察到一系列干涉条纹。
在劈尖干涉实验中，我们使用了一块劈尖形状的玻璃片。
当平行光通过劈尖玻璃片时，由于玻璃的折射率不均匀，光线会发生反射和折射，形成干涉现象。
我们可以观察到一系列亮暗相间的条纹。
劈尖干涉实验中，条纹的形成与光的干涉现象有关。
光线在劈尖玻璃片表面发生反射和折射后，由于相位差的存在，不同波长的光会发生干涉，形成亮暗相间的条纹。
而条纹的间距则与光的波长和相位差有关。
结论：通过牛顿环和劈尖干涉实验，我们可以观察到光的干涉现象，并了解到干涉现象的原理。
光的干涉现象是光学中重要的现象之一，对于研究光的性质和应用具有重要意义。
通过实验，我们更深入地理解了光的干涉现象，并对光学的研究有了更深入的认识。
在实验过程中，我们还发现了光的波动性质和光的相位差对干涉现象的影响。
这些发现对于进一步研究光的干涉现象和应用具有指导意义。
牛顿环和劈尖干涉实验报告
牛顿环和劈尖干涉实验报告
实验目的：
1.观察和研究牛顿环和劈尖干涉现象。
2.通过实验验证光的波动性和干涉现象。
实验原理：
1.牛顿环实验：当一块平行玻璃板接触在光源上方的凸透镜或光源上并与凸透镜或光源的平面接触很好且空间之间没有气泡时，光线会形成彩色的环，称为牛顿环。
这是由于平行玻璃板和凸透镜或光源形成的薄膜导致光的干涉现象。
2.劈尖干涉实验：通过将一束单色光通过劈尖上的狭缝后，使光线呈现出明暗交替的条纹模式。
这是由于光的波动性导致光的干涉现象。
实验步骤：
1.牛顿环实验：
a)将凸透镜或光源放置在平台上，并调整到合适的高度。
b)在平行玻璃板上放置一滴水或一小滴云母溶液，并将平行玻璃板轻轻放在凸透镜或光源上方。
c)观察并记录形成的彩色环的数量和颜色。
根据环的半径和波长，可以计算出平行玻璃板的折射率。
2.劈尖干涉实验：
a)将劈尖放置在光源前方，并保持其垂直于光线。
b)使用狭缝光源发出一束单色光线并通过劈尖上的狭缝。
c)在屏幕上观察并记录明暗交替的条纹模式。
根据条纹的间距
和波长，可以计算出光的波长或劈尖的缝宽。
实验结果：
1.牛顿环实验：观察到形成的彩色环的数量和颜色。
2.劈尖干涉实验：观察到明暗交替的条纹模式，并记录条纹的间距。
实验结论：
1.牛顿环实验：根据计算得到的彩色环的半径和波长，可以计算出平行玻璃板的折射率。
2.劈尖干涉实验：根据条纹的间距和波长计算，可以得出光的波长或劈尖的缝宽。
通过以上两个实验，我们验证了光的波动性和干涉现象，并通过计算得到了相关参数。
13-5 劈尖干涉 牛顿环
2nl
将 n 1.4, l 0.25cm, 7 10 cm ，代入得
7 10 sin 104 2nl 2 1.4 0.25
因sinθ很小，所以
第13章 光的干涉
5
sin 104 rad
解
如图：按明条纹出现的条件，ek 和 ek 1 应满足下
列两式：
2nek
2nek 1
2
k
(k 1)
2
第13章 光的干涉
13－5
劈尖干涉
牛顿环
7
n(ek 1 ek )
2
ek 1 ek
2n
l sin ek 1 ek
sin
第13章 光的干涉
13－5 讨论
劈尖干涉
牛顿环
4
（1） e 0 时，
2 （2）劈尖干涉的直条纹中，任何两条相邻明纹或暗纹 的距离是相同的，即条纹间距相等。
1 1 1 1 ek 1ll e sin ((k k 1) 1) k k sin k
5
逐渐变暗后又逐渐变亮（或由暗逐渐变亮后又逐渐变暗），好像干涉 条纹移动了一条似的。若观察到条纹移动了N条，则该处空气隙厚度 改变 N 的距离。
2 章 光的干涉 第13
某处的空气膜厚度改变 2 的过程中，将观察到该处干涉条纹由亮
13－5
劈尖干涉
牛顿环
6
例13.4 利用劈尖干涉可以测量微小角度.如图所示， 折射率 n 1.4 的劈尖在某单色光的垂直照射下，测得 两相邻明条纹之间的距离是l=0.25 cm.已知单色光在 空气中的波长 700 nm ，求劈尖的顶角θ.
牛顿环和尖劈的干涉条纹的异同
牛顿环和尖劈的干涉条纹的异同
牛顿环和尖劈的干涉条纹的相同点是它们都属于等厚干涉条纹。
然而，它们在形状和结构上存在显著的差异。
牛顿环的干涉条纹呈明暗相间的同心圆，相邻条纹间距不等。
这些条纹是牛顿环上厚度相同点的轨迹，其形状为圆。
尖劈的干涉条纹则是明暗相间的直条纹，且相邻条纹间距相等。
这些条纹是尖劈上厚度相同点的轨迹，其形状为直线。
这是因为在尖劈处，垂直入射的光会有半波损失，导致亮纹的光程差为半波长的偶数倍，暗纹的光程差为半波长的奇数倍。
由于尖劈处的厚度为零，此处是零级暗纹。
随着厚度的增加，级数也会增加。
综上所述，牛顿环和尖劈的干涉条纹虽然都属于等厚干涉条纹，但它们的形状和结构有所不同。
牛顿环的条纹呈同心圆，尖劈的条纹则是直条纹。
等厚干涉实验—牛顿环和劈尖干涉
等厚干涉实验—牛顿环和劈尖干涉要观察到光的干涉图象，如何获得相干光就成了重要的问题，利用普通光源获得相干光的方法是把由光源上同一点发的光设法分成两部分，然后再使这两部分叠如起来。
由于这两部分光的相应部分实际上都来自同一发光原子的同一次发光，所以它们将满足相干条件而成为相干光。
获得相干光方法有两种。
一种叫分波阵面法，另一种叫分振幅法。
1．实验目的（1）通过对等厚干涉图象观察和测量，加深对光的波动性的认识。
（2）掌握读数显微镜的基本调节和测量操作。
（3）掌握用牛顿环法测量透镜的曲率半径和用劈尖干涉法测量玻璃丝微小直径的实验方法（4）学习用图解法和逐差法处理数据。
2．实验仪器读数显微镜，牛顿环，钠光灯3．实验原理我们所讨论的等厚干涉就属于分振幅干涉现象。
分振幅干涉就是利用透明薄膜上下表面对入射光的反射、折射，将入射能量(也可说振幅)分成若干部分，然后相遇而产生干涉。
分振幅干涉分两类称等厚干涉，一类称等倾干涉。
用一束单色平行光照射透明薄膜，薄膜上表面反射光与下表面反射光来自于同一入射光，满足相干条件。
当入射光入射角不变，薄膜厚度不同发生变化，那么不同厚度处可满足不同的干涉明暗条件，出现干涉明暗条纹，相同厚度处一定满足同样的干涉条件，因此同一干涉条纹下对应同样的薄膜厚度。
这种干涉称为等厚干涉，相应干涉条纹称为等厚干涉条纹。
等厚干涉现象在光学加工中有着广泛应用，牛顿环和劈尖干涉就属于等厚干涉。
下面分别讨论其原理及应用：（1）用牛顿环法测定透镜球面的曲率半径牛顿环装置是由一块曲率半径较大的平凸玻璃透镜和一块光学平玻璃片(又称“平晶”)相接触而组成的。
相互接触的透镜凸面与Rer (a ) (b)图9-1 牛顿环装置和干涉图样平玻璃片平面之间的空气间隙，构成一个空气薄膜间隙，空气膜的厚度从中心接触点到边缘逐渐增加。
如图9-1（a ）所示。
当单色光垂直地照射于牛顿环装置时(如图9-1)，如果从反射光的方向观察，就可以看到透镜与平板玻璃接触处有一个暗点，周围环绕着一簇同心的明暗相间的内疏外密圆环，这些圆环就叫做牛顿环，如图9-1（b ）所示．在平凸透镜和平板玻璃之间有一层很薄的空气层，通过透镜的单色光一部分在透镜和空气层的交界面上反射，一部分通过空气层在平板玻璃上表面上反射，这两部分反射光符合相干条件，它们在平面透镜的凸面上相遇时就会产生干涉现象。
18.04.劈尖-牛顿环迈克尔逊干涉仪
l N
2
根据线膨胀系数的定义:
l N
l0(t t0) 2l0(t t0)
2）测细丝的直径
n1
nD
D
n1
L
b
L
sin D
L
由： l sin
2n
有： l D
L 2n
金属丝直径为： D L
2n l
3）检验工件表面的平整度
用这种方法能查出不超过四分之一波长（ 约 0.1 微米）的凹凸缺陷。
表面平整 的工件的 等厚干涉 条纹
存在极小 凸凹不平 的工件的 等厚干涉 条纹
例1：在工件上放一标准平面玻璃，使其间形成 一空气劈尖，并观察到弯曲的干涉条纹。试：根据 条纹弯曲方向，判断工件表面上纹路是凹还是凸？ 并求：纹路深度H。
n2 1.20 问：干涉条纹
如何分布？当油膜中心最
L
高点与玻璃片的上表面相
S
距 h 8.0102 nm 时，可
见明纹的条数及各明纹处
膜厚 ? 若油膜展开条纹如
h
G nn12
何变化?
hr
oR
解 1）条纹为同心圆
Δ 2n2dk k 明纹
d
dk
k
2n2
k 0,1, 2,
油膜边缘 k 0, d0 0 明纹
----- 等厚干涉
四 干涉条纹间距:
任意相邻明纹（或暗纹）对应的膜厚差: d
Δ 2nd
2
k, k 1,2, 明纹
(2k 1) , k 0,1, 暗纹
劈尖和牛顿环
劈尖和牛顿环新教材第三册二十一章提到了两个薄膜干涉的装置——劈尖和牛顿环。
教材中并没有给出明确的说明，下面介绍以下它们的光学原理。
一．劈尖：干涉法检查平面的平整程度的装置光学上叫劈尖干涉，如图1所示。
单色光源S发出的光经凸透镜成为平行光，再经过以450角放置的玻璃片M反射以后，垂直地投射到有两块平面玻璃片夹一薄纸片所构成的空气劈尖上，用读数显微镜M s观察反射条纹，如图2所示。
图1 图2由于劈尖角很小，因此可近似地认为入射角为零，入射光与反射光的方向相反。
由光的电磁理论可以证明，薄膜以及上下介质的折射率的关系是：当n1< n2>n3或n1 >n2<n3时两条反射光之间有半波损失,而当n1< n2<n3或n1 >n2 >n3时，则没有半波损失。
所以这时的干涉条件是相长干涉 2 n2h + λ/2 = kλ, k = 0,1,2,…；⑴相消干涉 2 n2h + λ/2 =（k+1/2）λ，k = 0,1,2,…；⑵式中n2为劈尖介质折射率，h为介质的厚度，λ为光在真空中的波长。
故明纹处空气层厚度为h = (k－1/2)λ/2n2, k = 0,1,2,…；⑶暗纹处空气层的厚度为h = kλ/2n2 ，k = 0,1,2,…；⑷⑶、⑷两式中k值自零开始，k = 0对应于劈棱处的暗纹（第一条暗纹）。
劈尖干涉条纹的特点。
1．两条明纹（或暗纹）间劈尖介质薄膜厚度差为△h = h k+1－h k =λ/2n2两条纹之间距离为L ≈λ/2n2θ2．对于一定波长的入射光，条纹间距与θ成反比，与n2成反比。
3．当上玻璃片向上移动时，条纹向劈尖移动，上玻璃片每移动λ/2n2 ，条纹移过一条。
教材中介绍的干涉法检查平面的平整度就是利用的这一原理。
教材第三册28页图21-6的甲图如图3表示的平面是平整的，乙图如图4表示的平面上有一个凹点。
因为根据该点附近的条纹向左凸，也就是说条纹向劈尖移动，说明此处的空气厚度比周围要厚，所以此处是一个凹点。
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2 dm
2 dn
利用逐差法计算R, m-n=5
光学实验
【思考题】
牛顿环
1、测量牛顿环干涉各环的直径时，若叉丝不通过 圆环的中心，因而测量的是弦长而非直径，这对 实验结果有无影响？为什么？ 2、如果被测透镜是平凹透镜，能否应用本实验方法 测定其凹面的曲率半径？试说明理由并推导相应的 计算公式。
1. 读数显微镜
读数标尺
上下移动旋钮
物镜
读数盘
水平移动旋钮
苏州大学物理实验教学中心
光学实验
【实验仪器】
2. 钠灯
牛顿环
钠光灯是一种气体放电灯。在放电管内充有金 属钠和氩气。开启电源的瞬间，氩气放电发出粉红 色的光。氩气放电后金属钠被蒸发并放电发出黄色 光。 钠光在可见光范围内两条谱线的波长分别为 589.59nm 和 589.00nm 。这两条谱线很接近，所以可 以把它视为单色光源，并取其平均值 589.30nm 为波 长。
光学实验
【实验原理】
等厚干涉
牛顿环
ห้องสมุดไป่ตู้
平行光照射到薄介质上，介质上下表面 反射的光会在膜表面处发生干涉。介质厚度 相等处的两束反射光有相同的相位差，也就 具有相同的干涉光强度，这就是等厚干涉。
苏州大学物理实验教学中心
光学实验
【实验原理】
半波损失
牛顿环
波传播过程中，遇到波疏介质反射， 反射点入射波与反射波有相同的相位。波 由波密介质反射，反射点入射波与反射波 的相位差π，光程差为λ/2，即产生了半 波损失。 对光波说，来自大折射率介质的反射 具有半波损失。
苏州大学物理实验教学中心
光学实验
【实验仪器】
3.牛顿环仪
牛顿环
平凸透镜与平板玻璃组合成牛顿环实验样品。 平凸透镜
平板玻璃
苏州大学物理实验教学中心
光学实验
【实验仪器】
4、实验器材及环境条件
牛顿环
根据所使用的仪器材料或仪器卡中摘录仪器设 备清单。 记录实验室内的温度、相对湿度和大气压强。
苏州大学物理实验教学中心
苏州大学物理实验教学中心
光学实验
【数据记录及处理】
次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 d=d2-d1 d1 (mm) d2 (mm) (mm)
2 dm d n2 (mm2)
牛顿环
R(m)
R
苏州大学物理实验教学中心
光学实验
【数据记录及处理】
曲率半径计算
牛顿环
R
4(m n)
苏州大学物理实验教学中心
苏州大学物理实验教学中心
光学实验
【实验原理】
牛顿环
将一曲率半径相当大 的平凸玻璃透镜放在一平 面玻璃的上面，则在两者 之间形成一个厚度随直径 变化的空气隙。
空气隙的等厚干涉条 纹是一组明暗相间的同心 环。该干涉条纹最早被牛 顿发现，所以称为牛顿环
牛顿环
苏州大学物理实验教学中心
光学实验
【实验原理】
光学实验
牛顿环
苏州大学物理实验教学中心
光学实验
目 录
实验目的
实验原理
仪器和用具 实验内容 数据记录与处理 注意事项
苏州大学物理实验教学中心
光学实验
【实验目的】
牛顿环
1、掌握用牛顿环测定透镜曲率半径的方法；
2、通过实验加深对等厚干涉原理的理解。
苏州大学物理实验教学中心
光学实验
【实验仪器】
目镜
牛顿环
苏州大学物理实验教学中心
光学实验
【实验内容】
牛顿环
测量牛顿环直径，计算平凸透镜曲率半径R。
横向改变显微镜筒位置，使叉丝由第12环 外向移动直至显微镜叉丝与第12环外切，读 取d12，继续朝同一方向移动叉丝至第3环读 取d3 ；仍按原方向移动叉丝（为防止产生空 程差），越过中央暗环，使叉丝由第3环内向 移动直至显微镜叉丝与第3环内切读取d‘3，按 同样方法读数至d'12 。
在空气厚度为 h 的地方， 上下表面反射的光的光程差 为 2h+λ/2 ， 其 中 后 一 项 是 “半波损失”。 光程差为 (2k+1) λ/2 处为 干涉暗条纹，得到曲率半径 计算公式：
牛顿环
C
R
r A B O e h
R
( m n)
2 rm
2 rn
4(m n)
2 Dm
2 Dn