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北航物理实验研究性报告劳埃镜的白光干涉 第 一 作 者： 于春辉学 院：宇航学院 学 号: 要在通常的实验中，获得的是一些单色光的干涉图样，若将光源换成白光，由于不同波长的光产生的干涉条纹间距不同，各组条纹相互错位叠加的结果，一般只能看到零级的白光条纹和周围少数几条彩色条纹。然而利用光栅和劳埃镜搭成合理的光路，却可以获得相当清晰的黑白干涉条纹，在干涉区内看到近百条白色亮纹。本实验把几何光学相关知识与物理学中的干涉和衍射有机结合，训练内容十分广泛，仅几何光学就涉及了平行光的获得与检查，透镜的聚焦与二次成像以及平面镜的反射与成像等内容；对光路的调整要求更高，操作者必须严格按照试验规范，把原理现象与操作紧密结合，认真思考，动手动脑方可成功，这对严格的实验基本功训练大有裨益。正如上面所说，此实验操作难度极大，端的在于耐心与熟练上。实验目的了解光栅衍射和劳埃镜干涉相结合获得白光干涉条纹 的原理；学习运用原理来分析现象，从而指导下一步调整的科学实验方法；调出白光干涉条纹并用其测量未知光源波长。实验原理劳埃镜干涉原理：劳埃镜实验是由一块普通的平板玻璃构成的反射镜实现分波前干涉。单色光源S发出的光（波长为）以几乎掠入射的方式在平面镜MN上发生反射，反射光可以看做是在镜中的虚像S’发出的。S和S’发出的光波在其交迭区域发生干涉，可得条纹间距为： 式中d为双光源S和S’间距，D为观察屏到光源的距离。由上式可知，在缝光源S，劳埃镜MN和观察屏P的位置确定（此时D和d随之确定）后，干涉条纹间距随波长λ而改变。但如果对不同颜色的光λ1、λ2，我们能让虚实光源的距离SS’也随之改变，并且：λ1/d1=λ2/d2=……=λn/dn=Δx/D此时他们所产生的n套条纹的间距Δx是相同的，把劳埃镜干涉和光栅衍射结合起来就可以使上式成立的条件得到满足，从而实现不同颜色条纹的重合。具体的实验装置如下图：被白光照亮的狭缝Q发出的光波，经透镜L1形成平行光束，此即平行光束的获得，再经光栅G发生衍射，不同波长的光按衍射角分布：sinθ=kλ/b(b为光栅常数)，衍射后的平行光束经透镜L2，又在各自焦面上聚成新的缝光源。对可见光而言，只要选择合适的光栅，不同波长的光的光衍射角的变化不大，相应缝光源的空间位置随波长的分布就可以认为是线性变化的。这些不同颜色的光入射到劳埃镜上，将形成以MN为对称面的不同颜色的虚实双光源，她们每一对彼此相干，但不同波长的又相互独立，且d随λ呈线性变化。此时只要适当调整劳埃镜位置，使得干涉条件得到满足，则该式对所有颜色的光都成立。它们各自形成的条纹间距Δx都相同，故干涉条纹将不会发生错位，此时就能看到由各色干涉条纹叠加而成的白色条纹了。简而言之，既是光栅的加入造成了合适的d，而合适的d与λ的比值成为固定，造成了各色光形成的条纹间距Δx不变，进而叠加成为白光。本实验计算汞光谱线波长依赖的正是下式：λ1/d1=λ2/d2=……=λn/dn=Δx/D实验仪器劳埃镜、可调狭缝、测微目镜、光栅、光阑、消色差透镜（三块）、白屏、自准直望远镜、卤素灯、高压汞灯、半导体激光器。实验内容光学元件的等高共轴用半导体激光器和白屏调激光器平行于光导轨（调激光器高度时需目测让所有元件在此高度都有调节余地）。以激光束为标准，依次放入并调整好各个元件的光心与激光束重合，以实现全部元件的等高共轴。各光学元件的等高共轴的调节主要依靠激光器调整，此步对完成实验意义重大。平行光部分的调整依次将白炽灯、单缝（单缝应尽可能靠紧白炽灯,因为光强衰减的缘故）和平行光透镜放在光具座上，打开白炽灯，将单缝开至0.5mm到1mm。利用望远镜（已调焦至无穷远），调节透镜与单缝之间的距离，使透镜后出射的是关于单缝的平行光，平行光的检测利用的是白屏，调整好此步之后需固定透镜与单缝。干涉光源的调整依次将衍射光栅、会聚透镜和光阑放在平行光透镜后面，仔细调整光阑与会聚透镜之间的距离和位置关系；依据实验原理，显然的选择靠近实验者一侧的1级衍射光作为产生白光干涉的干涉源，试验中可在光阑上看见一对对不同颜色的光，调整光阑使得1级衍射光透过滤波孔。白光干涉条纹的调整将劳埃镜放到导轨上，用眼睛直接观察对镜面进行粗调，应使劳埃镜尽量与导轨平行。用眼睛从目镜方向直接观察并调整双光源。首先左右微移白炽灯使实光源达到最亮，其次调整劳埃镜使双光源等亮等色，尔后调整狭缝的垂直度使得双光源间距合适且平行（此乃关键）放上测微目镜，一边观察镜内视野，一边慢慢左右移测微目镜，从暗区到明暗交界处再到彩色亮区，找到蓝色区域，找出黑白条纹，然后再调整狭缝宽度使得干涉条纹更明显（调好后不可再动导轨上元件）。此处主要是调整狭缝的垂直度，劳埃镜的平行度，以及用