工程光学课程设计--用干涉法测空气折射率

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1、0 工程光学课程设计报告工程光学课程设计报告 用干涉法测空气折射率用干涉法测空气折射率 1 摘 要 空气的折射率与真空的折射率（等于 1）非常接近。用一般的方法很难测出其差值以确 定空气的折射率。但用光的干涉法就可以精确地测出来。比如用迈克尔逊干涉仪对折射 率的变化的敏感性，可以准确地测出空气的折射率 光的干涉是光重要的现象之一，而研究光的现象更是一个重要的课题。本文以迈克尔 逊干涉仪为模板进行设计实验，用迈克尔逊干涉仪的原理来检验空气的折射率。通过在 实验装置中增设可调压强的气室，以压强的改变量来实现对空气折射率的精确测量。实 验设计还考虑到了实验内容及其难度的可深入与拓展空间，具有很强的研

2、究型实验特点 关键词： 迈克尔逊干涉仪 气室 空气折射率 2 目 录 一、引言 .3 1.1 背景.3 1.2 设计的目的 .3 二、实验光路的原理 .3 2.1 迈克尔逊的工作原理 .3 2.2 干涉图样.4 2.3 测试的原理 .5 三、方案的确定 7 3.1 用迈克尔孙干涉仪测定空气折射率 7 3.2 用夫琅和费双缝干涉装置测定空气折射率7 3.3 方案的比较和选择.7 四、实验制作 8 4.1 材料的选择 .8 4.2 仪器的组合 .8 4.3 实验的步骤 9 五、实验数据的测量 . 10 5.1 实验数据. 10 5.2 实验数据整理 11 5.3 数据分析. 11 5.3.1 误差

3、大小 . 11 5.3.2 曲线拟合 12 六、误差分析 13 七、结论与展望 13 7.1 实验小结. 13 7.2 展望. 14 参参 考考 文文 献献 15 附 录 . 16 致 谢 . 17 3 一、引言 1.1 背景 光的干涉是重要的光学现象之一，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相干光在空间相交区域将会发生相互加强或减弱现象，即 光的干涉现象。 光的波长虽然很短(410 810m 之间)， 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

4、等，因此干涉现象在照相 技术、测量技术、平面角检测技术、材料应力及形变研究等领域有着广泛地应用。 相干光源的获取除用激光外， 在实验室中一般是将同一光源采用分波阵面或分振幅 2 种方法获得，并使其在空间经不同路径会合后产生干涉。 迈克尔逊干涉仪是 1883 年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作， 为研究“以太”漂移而设 计制造出来的精密光学仪器。它是利用分振幅法产生双光束以实现干涉。在近代物理和 近代计量技术中，如在光谱线精细结构的研究和用光波标定标准米尺等实验中都有着重 要的应用。利用该仪器的原理，研制出多种专用干涉仪。 1.2 设计的目的 在设计的过程中掌握迈克尔逊的构造和工作原理，并能很好的

5、调节和控制电路，使其能 正常工作。而另一方面也要在掌握迈克尔逊干涉仪的情况下，用迈克尔逊干涉的原理， 在常温中测量空气的折射率。 二、实验光路的原理 2.1 迈克尔逊的工作原理 图 1 是迈克尔逊干涉光路原理图，从光源S发出的一束光射到分束板 1 G上， 1 G的后 4 表面镀有半反射膜（一般镀金属银） ，光在半反射膜上反射和透射，被分成光强接近相等 的两束光，一束为反射光 1，一束为透射光 2。当激光束以 45角射向分束板 1 G时，被 分成相互垂直的两束光。这两束光分别垂直射向两平面反射镜 1 M和 2 M，经它们反射后 再回到分束板 1 G的半反射膜上，又汇聚成一束光，射到光屏E处。由于

6、反射光 1 和透射 光 2 为两相干光束，因此可以在屏上观察到干涉条纹。补偿板 2 G的物理性能和几何形状 与 1 G完全相同（但没有镀半反射膜） ，平行于 1 G，起着补偿光束 2 的光程的作用。如果 没有 2 G，则光束 1 会三次经过玻璃板，而光束 2 只经过玻璃板一次。 2 G的存在使得光 束 1、2 经过玻璃板的光程相等，从而使光束 1、2 的光程差只由其几何路程决定。由于 本实验采用相干性很好的激光，故补偿板 2 G并不重要。但如果使用的是单色性不好、相 干性较差的光源，如钠光灯或汞灯，甚至白炽灯， 2 G就成为必需的了。这是因为波长不 同的光折射率不同，由分光板 1 G的厚度所导致的光程就会各不一样，补偿板 2 G能同时 满足这些不同波长的光所需的不同光程补偿。 M M1 1 S S H H M M2 2 M M2 2 G G1 1G G2 2 1 1 2 2 O O 图 1 迈克尔逊干涉原理图 2.2 干涉图样 5 M2是M2被G1反射后成的虚像，从观察者看来，两相干光束是从M1 和M2反射而来的， 因此可以把它们产生的干涉等效为