word根底物理实验研究性报告F-P干预仪的实验总结以与基于误差分析的操作评估第一 陈凯翔学号：14051174院系：电子信息工程学院 目录摘要 2实验重点 2实验原理 21、多光束干预原理 22、多光束干预条纹的光强分布 33、F—P干预仪的主要参数 4实验仪器 4实验内容 51、操作内容 52、操作提示 63、操作须知事项 7原始数据与数据处理 71、原始数据列表 72、数据处理 8误差概括分析 9课后思考题 101、多光束干预透射光强的推导 102、F-P干预仪的分辨本领 11嵌套误差的深入思考 11实验总结以与建议 12参考文献 13实验数据照片 14摘要本实验内容为利用 F-P 干预仪测算钠黄光双线光谱的波长差，通过实验操作， 让我们对自由光谱X围、分辨本领等概念有进一步的认识实验过程中利用两套条纹的嵌套作为测量的判据，要求条纹恰好在处于间隔的中间位置，而非两套条纹的重合〔虽然指导书指出这样同样可行〕，却实际操作过程之中产生为何如此的疑虑，在完成实验报告的根本项目根底上，本文还会探究不严格的嵌套作为实验误差对实验结果的影响，并结合实际操作与理论分析实验中减小误差手段的效果。
最后归纳总结收获与感想 关键词 ： F-P 干预仪 ； 波长差 ； 嵌套 ；误差实验重点1、了解F-P干预仪的特点和调节；2、用F-P干预仪观察多光束等倾干预并测定钠光双线的波长差和膜厚；3、巩固一元线性回归方法在数据处理中的应用实验原理1、多光束干预原理F-P干预仪由两块平行的平面玻璃板或石英板组成，在其相对的内外表上镀有平整度很好的高反射率膜层为消除两平板相背平面上反射光的干扰，平行板的外外表有一个很小的楔角〔见图1〕多光束干预的原理如图2所示自扩展光源上任一点发出的一束光，入射到高反射率的平面上后，光就在两者之间屡次往返反射，最后构成多束平行的透射光1、2、3、……和多束平行的反射光1’、2’、3’、……在这两组光中，相邻光的位相差都一样，振幅如此不断衰减位相差由给出其中是相邻光线的光程差；n和d分别为介质层的折射率和厚度，为光在反射面上的入射角，为光波波长由光的干预可知即透射光将在无穷远或透镜的焦平面上产生形状为同心圆的等倾干预条纹2、多光束干预条纹的光强分布 图1 图2下面来讨论反射光和透射光的振幅。
设入射光振幅为A，如此反射光，反射光的振幅为，…；透射光的振幅为，透射光的振幅为，…式中为光在n’-n界面上的振幅反射系数，r为光在n-n’界面上的振幅反射系数，为光从n’进入n界面的振幅透射系数，t为光从n进入n’界面的振幅透射系数由光的干预可知，透射光将在无穷远或透镜的焦平面上产生形状为同心圆的干预条纹，属等倾干预透射光在透镜焦平面上所产生的光强分布应为无穷系列光束的相干叠加可以证明透射光强最后可以写成：式中，为入射光强，为光强的反射率图3表示对不同的R值与位相差 图3 的关系由图可见，的位置由决定，与R无关；但透射光强度的极大值的锐度却与R的关系密切，反射面的反射率R越高，由透射光所得的干预亮条纹就越细锐条纹的细锐程度可以通过所谓的半值宽度来描述由上式可知，亮纹中心的极大值满足，即令时，强度降为一半，这时应满足：代入并考虑到是一个约等于0的小量，，故有：是一个用相位差来反映半值位置的量，为了用更直观的角度来反映谱线的宽窄，引入半角宽度由于是一个小量,故可用微分代替,故,.略去负号不写〔只考虑大小〕，并用代替2d如此有：它明确反射率R越高，条纹越细锐，间距d越大，条纹也越细锐。
3、F—P干预仪的主要参数表征多光束干预装置的主要参数有两个，即代表仪器可以测量的最大波长差和最小波长差，它们分别被称为自由光谱X围和分辨本领①自由光谱X围对一个间隔d确定的F-P干预仪，可以测量的最大波长差是受到一定限制的对两组条纹的同一级亮纹而言，如果它们的相对位移大于或等于其中一组的条纹间隔，就会发生不同条纹间的相互交叉，从而造成判断困难，我们把刚能保证不发生重序现象所对应的波长X围称为自由光谱X围它表示用给定标准具研究波长在附近的光谱结构时所能研究最大光谱X围可以证明：②分辨本领另一个重要的参量是它所能分辨的最小波长差，就是说，当波长差小于这个值时，两组条纹不再能分辨开常称为分辨极限，而把称作分辨本领且可以证明：表示在两个相邻干预条纹之间能够被分辨的条纹的最大数目因此分辨本领有时也称为标准局的精细常数它只依赖于反射膜的反射率，R越大，能够分辨的条纹数越多，分辨率越高实验仪器法布里-珀罗干预仪〔带望远镜〕、钠灯〔带电源〕、He-Ne激光器〔带电源〕、毛玻璃〔画有十字线〕、扩束镜、消色差透镜、读数显微镜、支架以与供选做实验用的滤色片〔绿色〕、低压汞灯等实验内容1、操作内容〔1〕以钠光灯扩展光源照明，严风格节F-P两反射面、的平行度，获得并研究光束干预的纳光等倾条纹；确定钠双线的波长差。
提示：利用多光束干预可以清楚的把钠双线加以区分，因此可以通过两套条纹的相对关系来测定双线的波长差我们用条纹嵌套来作为测量的判据设双线的波长为和，且.当空气层厚度为d时，的第级亮条纹落在的+1级亮条纹之间，如此有当dd+时，又出现两套条纹嵌套的情况如这时，由于故，于是又有上述两式相减得由此可得故〔2〕用读数显微镜测量氦氖激光干预圆环的直径，验证常数，并且测定P1、P2的间距 是干预圆环的亮纹直径，证明如下：第k级亮纹条件为，所以如果用焦距为f的透镜来测量干预圆环的直径，如此有即考虑到/2/f1，所以=1-=1-由此可以得出，即=-+8-=它说明相邻圆条纹直径的平方差是与 k 无关的常数由于条纹确实切序数k一般无法知道，为此可以令k=i+k0，i是为测量方便规 定的条纹序号,于是=-+这样就可以通过与之间的线性关系，求得；如果知道、和d三者中的任意两个，就可以求出另一个2、操作提示1、F-P干预仪的调节本实验用望远镜观察F-P干预仪的干预条纹具体的干预仪调节分为三步：〔1〕粗调：按图7放置钠光源、毛玻璃〔带十字线〕；转动粗〔细〕动轮使P1P2≈1-2mm；使P1、P2背面的方位螺钉〔6个〕和微调螺钉〔2个〕处于半松半紧的状态，保证它们有适宜的松紧调节余量。
〔2〕细调：仔细调节P1、P2背面的6个方位螺钉，用眼睛观察透射光，使十字像重合，这时可以看到圆形的干预条纹，这一步必须有足够的细心和耐心〔3〕微调：徐徐转动P2的拉簧钉进展微调，直到眼睛上下左右移动时，干预环的中心没有条纹的吞吐，这是可以看到理想的等倾条纹2、测钠黄光的波长差缓慢地旋转粗调手轮移动P1，记取与相邻的两条谱线〔亮纹〕中心重合时相应的位置，记下P1位置d1〔注意记录精度〕继续移动P1镜，找到下一个相邻的两条谱线〔亮纹〕中心重合时相应的位置，记下P1位置d2，继续移动P1，这样周期性的现象出现十次〔如图4〕，记下10个明确d位置的数据图 43、用读数显微镜测量氦氖激光干预圆环的直径D，验证，并测定、的间距将钠灯改换为激光灯，加上扩束镜，望远镜换为显微镜，微调使视野中可以看到干预圆环，移动显微镜的十字叉丝，分别记下叉丝在左边和右边的6-15级圆环时的刻线读数3、操作须知事项F-P干预仪是精细的光学仪器，必须按光学实验要求进展规X财操作决不允许用手触摸元件的光学面，也不能对着仪器哈气、说话；不用的元件要安放好，防止碰伤、跌落；调解时动作要平稳缓慢，注意防振使用读数显微镜进展测量时，注意消空程和消视差。
试验完成后，膜片背后的方位螺钉应置于松弛状态原始数据与数据处理1、原始数据列表1） 测定钠光灯波长差2） 测定氦氖激光干预圆环弦长2、数据处理1) 测定钠光的波长差 由知，所以：利用一元线性回归处理数据，令，如此如此：所以：其中：=mmm所以:故最终结果表述为：0.02〕m2) 验证，测定P1,P2间距d显微镜焦距：=150mm 激光器波长：利用一元线性回归处理，由令：，如此如此：m知：知之间可以认为是线性关系，那么可以知道，验证了题设此题无要求不确定度的运算)误差概括分析1、主要原因在于读数，观察并判断读数位置产生的误差，虽然判断的是等间距的情况，较之重合情况，准确的提高，但误差仍不能消除，等间距的现象判断的时候，很可能已经错过了，这时由于仪器反转存在空程误差，所以这回读数会把数据读的偏大，已经加上长时间调试与测量，读数时难免判断不准确并且由于随着Di的增大，实验现象条纹会越来越不清晰，这时对等间距的判断会造成较大影响〔主要人为影响的误差〕；2、F-P干预仪两反射面P1，P2的没有严格平行；3、仪器本身的制造误差；4、实验观察到的条纹很细，尤其是距离较远的时候，很难确定均匀分布的位置，造成误差，所以本实验采用的是将d缩小测量的方法；5、亮圆环不够清晰，这对正确判断圆环直径位置带来困难，容易引起误差；6、由于观察时桌子的晃动而产生误差；课后思考题1、光栅也可以看成是一种多光束干预。
对光栅而言，条纹的细锐程度可由主极大到相邻极小的角距离老描述，它与光栅的缝数有什么关系？能否由此说明F-P干预仪为什么会有很好的条纹细锐度？答：光栅缝数越多，光谱极次越高，色分辨本领越高，N越大，两相邻主极大间夹的次极大和极小就越多，因而主极大被压得越细锐对于F-P干预仪，条纹的细锐程度可通过半值宽度来描述，与光栅类似，R越大，相当于光栅中N越大，如此条纹越细锐，而d增大，亦可使条纹细锐，F-P干预仪很好的利用了这一点，故所得条纹很细锐2、从物理上如何理解F-P干预仪的细锐度与R有关？答：可以推出，角距离，故R越大，条纹越细锐1、多光束干预透射光强的推导透射光是光束1,2，…的相干叠加〔见图2〕，他们的振幅分别为，…，…；相邻光束的相位差因此，透射光的复振幅利用无穷项等比级数的求和公式，得故透射光强利用光在介质外表发生反射和折射时，振幅的反射率和折射率之间存在关系：并考虑到〔R是光强反射率〕，如此有2、F-P干预仪的分辨本领表征标准具特征的另一个参量是它所能分辨的最小波长差，就是说，当波长差小于这个值时，两组条纹不能再分开常称为分辨极限，而把λ/称作分辨本领可以证明：=，而分辨本领可由下式表示，即：λ/表示在两个相邻干预条纹之间能够分辨的条纹的最大数目。
因此分辨本领有时也被称为标准具的精细常数，它只依赖于反射膜的反射率，R越大，能够分辨的条纹数越多，分辨率越高嵌套误差的深入思考实验操作过程中发现两套条纹嵌套时候的谱线明亮而且细密，就本次实验而言，结果精准，但是笔者依旧想要了解，假假如出现最糟糕的误判，那么对于结果的影响是否致命？在考虑最糟糕的情况时，不能脱离实际情况，排除实验错误极端情形下，实验操作过程中假设实验者只能分辨并判断条纹嵌套重合的周期，却不能分辨每一次刚好嵌套的时机，如果，下表中，蓝色曲线代表本次实际实验操作的测量值，由于实验数据不确定度小，和理论值非常接近，可以。