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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
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λ2λ1。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
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