塞曼效应实验中关于法布里 .doc

塞曼效应实验中关于法布里-珀罗（Fabry-Perot）标准具的几个问题 电子科学与技术 0530106 刘浪 摘要：对塞曼效应试验过程中F-P标准具平行度调整方法的原理，以及仪器自由光谱范围、平整度与得到谱线的部分关系做出了简要的分析。 关键词：塞曼分裂 ； F-P标准具 ； 自由光谱范围 0引言： 法布里-珀罗（简称F—P）干涉仪是一种重要的高分辨率光谱仪，在石英紫外至近红外光谱范围内有极高的分辨本领，用于一般塞曼效应，可以得到较好的谱线。在实验中，如何准确的调整F-P标准具平行度是关键点。实验步骤（实验室里的方法步骤单）中给出了仪器调整的方法，有两种方法我们选取常用而且效果较好的方法，气压扫描法。 将针孔观察器具置于干涉图中心（已校准光路末端），改变标准具内气压，从针孔后看等厚干涉条纹。气压增高时，条纹移动方向是镜面间距减小的方向，调节相应的旋钮改变镜面间距。调到接近平行时，条纹间距最大，直线性变差，条纹宽度变大，气压扫描时，变为大片的亮斑和暗区。那么，气压增高时，条纹移动方向为何是镜面间距减小的方向，为何接近平行时会观察到大片的亮斑和暗区？ 实验未加磁场时，汞546.1nm的透射光谱图，实验步骤中指出两峰a,b之间所对应得波数Δv即为自由光谱区，也应该做出解释。 1 原理 F-P标准具工作的简单原理： 由两块精确平行的玻璃板或石英板组成，直径在2-15厘米之间.两板之间安放热膨胀系数极小的石英垫圈，标准具的垫圈厚度固定，一般在零点几毫米至几厘米之间。两块板的表面平整度高达波长的1/20至1/200，反射率一般在90%以上。 如图（1—1），以θ角入射的光线在两板之间多次反射，相邻两透射光束的光程差Δ为 1 输出光强的极大条件为 2 ， N为干涉序，n为镜面间介质折射率，t为两镜面间距。若采用面光源，所有以i角入射到FP标准具的光线，均有相同的光程差，在焦面上形成一个以O为原点，OP为半径的圆。如果光源为单色光，则干涉条纹为一系列同心圆圆的半径为f*θ. 自由光谱范围： 考虑具有微小波长差的单色光λ1和λ2入射到标准具的情况，设λ2 λ1。当λ2的N-1级与λ1的N级重叠时，条件为,即 。 空气中n≈1，入射角很小，cosθ≈1，得2t N * λ, 并用λ代替λ2，得 3 用波数表示时， ,微分得 令,可得 4 光强分布分别与光程差和波数的关系： 空气折射率n≈1，相邻两透射光的相位差δ， 5 设投射率为T ，反射率 为R ，入射光电矢量振幅为，投射光的总振幅A 为 ， 得到投射光强 （6），其中 当时 ，m为正整数，光强为极大，。 将（5）式代入（6）得出反射率R一定时光强分布与光程差的关系 （7） 由（1）式得 ，再由（4）式 ，（7）式可写成 可得光强分布与波数的关系： （8） 2 问题 1）FP器具间气压增大，条纹移动方向为间距减小方向 通过干涉滤光片后，可以得到Hg564.1nm,入射FP标准具后，若镜面一定程度的不平行，入射角相同时产生等厚条纹，如图（2—1）所示 气压在小范围内升高，空气折射率产生微小的增大，由（1）式 ,n增大，Δ相应增大，产生级次为N的干涉条纹的光程差为定值，故间距t应减小，即条纹由P移到P’，即条纹移动的方向即为间距减小的方向。 2）接近平行时扫描，出现大片亮斑和暗区的原因 如图2—2，AA’方向入射的单色光经FP后的透射光为一组发散光，经透镜会聚后，成像于 F0平面上，在F平面上应为一组比较亮的条纹，即我们观察到的。当接近平行时，产生发散透射光减少，绝大多数经会聚透镜后于F平面上；由（7）式，亮条纹的直线性会变差是由于会聚后光强在一定范围内分布。对于气压扫描，设入射光波长为630nm,标准具间隔为1mm，则气压增加1atm时，干涉条纹只扫过0.93个级次。所以，实验中，调整平行后，在气压扫描范围内（为保证气室形变，需在一定范围内）只能扫描3到4个级次，谱线的波峰附近和波谷附近对应的即是亮区和暗区。 3）得到的未加磁场谱线，相邻两峰间对应的波数为自由光谱区对应的波数 参考文献 [1] 《近代物理实验讲义》，复旦大学物理教学实验中心 [2] 《近代物理实验技术》，吕斯骅，朱印康主编，高等教育出版社 [3] 用M-Z 干涉仪对空气折射率的定量测量和理论探讨 ，卢丹勇，刘长江等，物理实验，2006.12 ，Vol 12, No. 26 [4] 《近代物理学》，王正行著，北京大学出版社 a b Δv 图（1—1） P’ P’ P 图 2—1 P’ P 图2—1 L M2 M1 579.1nm 577.0nm 546.1nm 435.8nm 407.8nm 404.7nm 前面原理部分已经作了相关的解释，现在只需说明，未加磁场时，由图（2—2）Hg原子光谱