波动光学专题试验.PDF

第八章 波动光学专题实验 光学是物理学的重要组成部分，是与其他应用技术紧密结合的一门学科，也 是当前科学领域最活跃的前沿阵地之一。 光学的起源可以追溯到两千多年前：我国的《墨经》中记载了许多光学现象， 例如投影、小孔成像、平面镜、凹面镜、凸面镜等；西方的欧几里德（Euclid, 公元前 330-275 年）所著的《反射光学》研究了光的反射。 光的本性是光学研究的重要课题，微粒说和波动说两种理论的争论构成了光 学发展史中最具魅力的风景线。波动光学的体系初步形成于 19 世纪初。1801 年 托马斯·杨（Thomas Yong）圆满地解释了薄膜颜色和双缝干涉现象，并第一次成 功地测定了光的波长。1819 年菲涅尔（A.J. Fresnel）实验观察到光通过障碍物 后的衍射图样，并补充了惠更斯原理，形成了人们熟知的惠更斯-菲涅尔原理，圆 满地解释了光的干涉和衍射现象，以及光的直线传播等现象，奠定了波动光学的 基础。此后，麦克斯韦（J.C. Maxwell）、赫兹（H.R. Hertz）等人进一步完善了 光的电磁理论。 波动光学是现代激光光学、信息光学、非线性光学和应用光学的重要基础。 光的波动性最重要的特征是具有干涉、衍射和偏振现象，本章将就光的这三种现 象分三个专题进行实验研究。 § 8.1 干涉测量专题 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、振动方向相同且相位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(在 10-7m量级) ，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 领域有着广泛的应用。 223 实验F1 迈克耳孙干涉仪 杨氏双缝干涉实验和菲涅耳圆盘衍射实验证明了光的波动性。在 19 世纪科学 家的思想里，波必须依靠介质才能传播（类似于声波）。于是人们设想光之所以能 在真空中传播是因为真空中存在一种看不见的神奇物质“以太”。为了探测以太的 存在，迈克耳孙进行了 7 年的耐心实验，1887 年，迈克耳孙（Albert Abraham Michelson ）和化学家莫雷（E ．W ．Morley ）合作，设计出一台精密的干涉仪（即 迈克耳孙干涉仪）来观测地球相对于“以太”的运动，但实验结果给出了一个否 定的结论。1905 年，爱因斯坦发表了狭义相对论，彻底否定了“以太”的存在， 认为光在真空中传播并不需要介质。 迈克耳孙干涉仪在近代物理学和近代计量科学中，具有重大影响，特别是 20 世纪 60 年代激光出现以后，各种应用更为广泛。用它可以观察光的干涉现象，研 究光谱线的超精细结构，精密计量检验光学零件的偏差，测定光波波长、微小长 度、光源的相干长度；还可以测量气体、液体的折射率等。 作为一个经典的近代物理实验，迈克耳孙干涉仪是物理实验教学中学习干涉 仪调整、研究各种干涉现象以及训练学生实验操作能力的基本实验。 实验目的 1.了解迈克耳孙干涉仪的结构和工作原理，掌握其调节和使用方法。 2.通过观察等倾干涉、等厚干涉、白光干涉和非定域干涉现象，加深对干涉 原理的理解。 3.测量He-Ne 激光的波长。 4.测量钠双线的波长差。 实验仪器 迈克耳孙干涉仪，He-Ne激光器，钠光灯，白炽灯，针孔板，毛玻璃屏，扩束 镜。 实验原理 1.迈克耳孙干涉仪 迈克耳孙干涉仪是根据分振幅干涉原理制成的精密仪器。如图F1-1所示，其 224 光学系统由两个表面镀有金属膜的反射镜M (6)和M (8)以及两块厚度和材料都 1 2 相同的平行平面玻璃板G1 (9) 和G2 (10)组成: M 装在导轨