摘 要： 菲涅耳双棱镜干涉在相衬成像、全息显微术中的应用十分广泛。为了进一步发挥菲涅耳双棱镜干涉效能,本文首先提出菲涅耳双棱镜干涉原理,探究菲涅耳双棱镜干涉的试验方法,最后阐述干涉实验注意事项。
关键词： 菲涅耳双棱镜; 干涉研究; 信息光学;
发过科学家菲涅尔自主发明了双棱镜光学干涉试验,可以测量光波波长。菲涅耳双棱镜作为是一种平玻璃板上表面加工成两楔形面,两楔面角大致相等。双棱镜一些参数,如折射率、楔角、双棱镜厚度对整个信息光学试验有着重要影响。试验中对楔角、对折射率进行分光计、等厚干涉等测量,从而实现菲涅耳双棱镜干涉。为了进一步强化菲涅耳双棱镜在全息显微相衬成像用中的应用以及掌握其物理机制。本文重点从信息光学角度出发,探究菲涅耳双棱镜干涉方法。
一、实验原理
菲涅耳双棱镜实验作为一种基于信息光学的干涉实验,实验装置较为简单,但原理十分的巧妙。是通过测量毫米量级长度,得出小于微米量级的光束波长。在19世纪80年代初期,菲涅尔通过双面镜、双棱镜试验验证了光波动性质,这也为推动波动光学发展奠定了基础。其实验原理是:将玻璃板表面加工成对称楔形,两侧和棱脊垂直,通常楔角小于1°。在单色光源照在双棱镜表面上时,光束折射之后会形成两个光源发出的光,也就是双列光波频率相同,传播方式也基本相同,相位差不会随着时间变化而变化,所以在两列光波相交区域,此时光强分布不均匀,满足光的相干条件,这种棱镜就是菲涅耳双棱镜。双棱镜作为一个分割波前的分束器。单色光源发出光波在经过光波投射到双棱镜上时,会产生折射作用,将波前划分为两个部分,沿着不同方向传播两束相干柱波。对这两束光观察,好像是由双棱镜发出的光,所以在相互交叠区域出现了干涉情况。如果狭缝宽度不足,则双棱镜棱脊、光源平行,即可在白屏上观察狭缝、平行等间距干涉条纹。
二、实验方案
(一)光源选择
在确定了双棱镜、白屏位置时,此时干涉条纹间距与光源波长成正比。也就是不同波长光射入到双棱镜后,波长所产生的干涉条纹会错位叠加。为了可以获取清晰的干涉条纹,实验中必须要采用单色光源,如激光、钠光等。
(二)测量方法
条纹间距X可以通过测微目镜获取,虚光源间距a可以采用二次成像方法获得。如果物体和白屏位置不变且间距D超出4f时,此时移动透镜在二者之间会有两个清晰成像,一个是缩小成像、一个是放大成像。假设b1是虚光源缩小间距;b2为虚光源放大间距,则两个虚光源的实际距离为,放大、缩小间距可以通过测微目镜获取。同时可以结合二次成像方法,获取缩小、放大物距S1、S2,则到像屏距离为D=S1+S2.
(三)光路组成
光路组成实验采用钠光光源、扩束器、菲涅耳双棱镜、测微目镜。假设侧虚光源间距所用凸透镜为L,透镜在目镜处产生图像放大反映,透镜位置将导致虚光源在目镜中出现缩小图像。将这些光学元件都放置到光具座上,光具座上具有高精度米尺刻度,有助于观察各个元件位置。
三、实验内容
(一)调节光束平行于光具座
白屏可以在导轨上移动,观察屏上激光点位置是否产生变化,并同时调节激光方向,直到白屏移动光点位置不变化为止,并让激光光束和导轨平行。
(二)双棱镜与光源共轴
在可调节支座上调节双棱镜,让激光点处于双棱镜中心位置,此时可以在白屏上看到两个并列光点(有助于测量b1和b2),之后将双棱镜放置距离激光器30cm位置。
(三)测微目镜共轴调节
以双棱镜为基础,将测微目镜放在距离其70cm位置,对测微目镜进行调节,让光点穿过通光中心位置。
(四)扩束镜让激光束变为成点光源
在双棱镜、激光源间距双棱镜20cm位置放置扩束镜并调节,让激光穿越扩束镜。将振片放到测微目镜前,旋转振片即可让测微目镜亮度变化。
(五)二次成像法调节凸透镜、测微目镜等高共轴
采用“大像追小像”理念,对凸透镜、测微目镜位置进行调节,让虚光源大小像中心都与测微目镜叉丝重合。
(六)干涉条纹调整
将透镜去掉,适当调整双棱镜,观察测微目镜即可得到清晰的干涉条纹。
四、注意事项
在整个实验环节,每个环节的检测精度不足都会降低最终测量误差,虽然测量误差在所难免,但可以通过相应的改正,降低误差。为了降低测量误差,需要掌握注意要点,其主要表现在:实验中如果等高共轴调节不到位,会带来很大的测量误差问题,为了保证实验精度,必须要做好等高共轴调节工作,降低测量虚像间距误差问题。在凸透镜左向右移动找出清晰图像,并记录为x1,之后将凸透镜从右向左移动找到清晰图像,并记录位置x2,获取两点位置中心x=(x1+x2)/2,x作为凸透镜成像位置,这样即可有效降低测量误差问题。在光学实验当中,必须要做好实验准备工作,特别是实验设备调试工作。调试当中要严格按照说明书步骤进行,如果某一项没有达到标准,则不能展开下一步工作。
五、结束语
综上所述,对于光学实验必须要具有足够的耐心,越是着急看到实验结果,往往就越难成功。在记录实验数据当中,要避免出现误差问题,特别是在精度要求较高的仪器读数,要确保绝对精准,因此一个数字记录错误就有可能造成很大的误差。实验中不可避免出现误差问题,需要反复的总结规律,在下一次实验中要避免犯相同错误,同时要敢于舍弃之前的实验数据,保证每个实验步骤都足够精准,从而得到更加理想的实验现象。
参考文献
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