4等厚干涉劈尖牛顿环yy
等厚干涉实验—牛顿环和劈尖干涉
等厚干涉实验—牛顿环和劈尖干涉
等厚干涉实验，是由洪堡用他的牛顿环提出来的，它是细节最精确的光学实验中的一种，从1832年到今天依然使用着这种工具，用于测量光的波长。
与常见的牛顿环相比，劈尖干涉实验对更精确的波长测量更加具有优势，因此得到了广泛的应用。
等厚干涉实验由牛顿环和劈尖干涉组成。
牛顿环是带有镶边的圆形玻璃，其边缘处有两个凹痕，它们被锯齿状分割或尖锐的割边填充，形成镶边，这种特殊的凹痕可以将光线形成一个尖锐而密集的条状图案。
光线由镶边穿过时，产生干涉。
劈尖干涉则不依靠物理凹痕来实现，而是依靠使用两个平行的光纤，其中一根分成两端，由一个非激光的光源为源入射在第一根光纤上，然后从两端发出，分别穿过另外一端光纤，最后从E型探头出发，形成劈尖边缘，从而产生干涉。
等厚干涉实验的基本原理是，入射光有一定的空间图案，其条纹会与凹痕或劈尖边缘相互叠加，形成干涉。
在实际操作中，将该干涉实验用于波长测量时，只要将数据拟合到模型公式，便可以准确测量出光的波长。
等厚干涉实验的优势在于，操作简便，测量准确，同时具有较高的精度。
而缺点是，由于采用凹痕或劈尖边缘，光线会产生不可预测的多普勒效应，而且各种环境因素会对结果造成影响，所以并不能完全准确测量光的波长。
4等厚干涉劈尖牛顿环
r 2ndk 2n 2R 2 2
2 k
nr R 2
2 k
k
( k 1,2) 加强
(2k 1)
2 k
2
( k 0,1,2) 减弱
2.牛顿环半径 明环由
nr k R 2
rk ( k 1 / 2)R / n
§4.等厚干涉、劈尖、牛顿环 / 三、牛顿环
e
2n
n
相邻两明纹的间距与相应厚度差e 间存在如下关系
l sin e
在角很小时，有
2n
2n l
例12－13 用波长λ=500nm (1nm =10－9 m）的单色光垂直照射 在由两块玻璃板（一端刚好接触成为劈棱）构成的空气劈尖上， 劈尖角 =2×10－2rad ，如果劈尖内充满折射率为 n= 1.40的 液体，求从劈棱数起第五个明条纹在充入液体前后移动的距离。 解：设第五个明纹处膜厚为 e， 则有 2 n e + λ ／2 = 5 λ 设该处至劈棱的距离为L，则有近似关系 e =L ， 由上两式得 2nL = 9λ／2 ， L= 9λ／4 n 充入液体前第五个明纹位置 L1= 9λ／4 充入液体后第五个明纹位置 L2= 9λ／4 n 充入液体前后第五个明纹移动的距离 L=L1 - L2＝9λ(1 – 1／n )／4 = 1.61 mm
l
2n sin
2n
hk
Pk
当平玻璃慢慢向上平移，干涉条纹向棱边方向平移，明纹 或暗纹之间的距离是相同的
答案[c]
例12－12 用波长为的单色光垂直照射折射率为n的劈尖薄膜 形成等厚干涉条纹，若测得相邻明条纹的间距为，则劈尖角＝ －－－－－。 解：相邻两明纹之间的厚度差为
牛顿环和劈尖干涉
牛顿环和劈尖干涉牛顿环和劈尖干涉是分振幅法产生的等厚干涉现象，其特点是同一条干涉条纹所对应的两反射面间的厚度相等。
利用牛顿环和劈尖干涉现象，可用来测量光波波长、薄膜厚度、微小角度、曲面的曲率半径以及检验光学器件的表面质量（如球面度、平整度和光洁度等），还可以测微小长度的变化，因此等厚干涉现象在科学研究和工程技术中有着广泛的应用。
学习导航1实验原理1. 用牛顿环法测定透镜的曲率半径R将一块曲率半径很大的平凸透镜放在一块磨光的平板玻璃上，即构成一个上表面为球面，下表面为平面的空气薄膜（见图1），若用波长为λ的单色平行光垂直射入透镜平面时，由空气薄膜上下两表面反射的两束光在透镜凸表面附近相遇发生等厚干涉，其干涉图样是以接触点O 为中心的一系列明暗交替的同心圆环（中心处是一个暗斑），且同一圆环的薄膜厚度相等。
这些圆形干涉条纹是牛顿当年在制作天文望远镜时，偶然将一个望远镜物镜放在平板玻璃上发现的，故称为牛顿环。
设透镜的曲率半径为R ，形成k 级干涉暗纹的牛顿环半径为r k ，则有①λkR r k = （k=0,1,2,…） (1)①参阅马文蔚主编《物理学》第四版，第三册，高等教育出版社，1999年，P125-127。
图1 牛顿环干涉入射上式表明，当波长λ已知时，测出即可算出R ，但是，由于玻璃的弹性形变以及接触处难免有尘埃等微粒，使得玻璃中心接触处并非一个几何点，而是一个较大的暗斑（或明斑，为什么？）。
所以牛顿环的圆心难以定位，且绝对干涉级次无法确定。
实验中将采用以下方法来测定曲率半径R 。
k r 分别测量两个暗环的直径和，由式（1）可得 m D n D （2） λR j m D m )(42+=（3）λR j n D n )(42+=式中j 表示由于中心暗斑的影响而引入的干涉级数的修正值，m 和n 为实际观察到的圆环序数。
式（2）减式（3）得2λ−−=)(422n m D D R nm ) （4）可见上式中R 只与牛顿环的级次差(n m −有关，这样就回避了对绝对干涉级次k 的确定和牛顿环半径直接测量的问题。
等厚干涉——劈尖牛顿环实验参考答案
一、选择题1. 在等厚干涉实验中，设牛顿环的空气薄层厚度为e，则当2eA：为入射光波长的整数倍时产生暗条纹，为入射光半波长的奇数倍时产生明条纹 B：为入射光波长的整数倍时产生暗条纹，为入射光波长的奇数倍时产生明条纹 C：为入射光波长的整数倍时产生明条纹，为入射光半波长的奇数倍时产生暗条纹 D：为入射光波长的整数倍时产生明条纹，为入射光波长的奇数倍时产生暗条纹请选择:Ａ２．两束光在空间相遇产生干涉的条件是A：频率相等B：振动方向相同C：相位差恒定，且满足一定条件D：abc都是请选择:Ｄ３．牛顿环实验中，读数显微镜的视场中亮度不均匀，其原因是A：显微镜的物镜有问题B：反光玻璃片放反了C：入射单色光方向不正D：显微镜的目镜有问题请选择:Ｃ４．牛顿环是一种A：不等间距的衍射条纹B：等倾干涉条纹C：等间距的干涉条纹D：等厚干涉条纹请选择：Ｄ５．牛顿环实验中，单向测量的目的是为了消除A：视差B：读数显微镜测微鼓轮的仪器误差C：测微螺距间隙引起的回程误差D：ABC都不是请选择:Ｃ６．劈尖干涉实验中，若测得20个劈尖干涉条纹间隔L1，劈尖条纹的总长为L，则其包含的干涉暗条纹总数为A：20L/L1 B：20L1/L C：L/(20L1) D：L1/(20L)请选择:Ａ７．牛顿环实验中有如下步骤：①调节读数显微镜的反光片和纳光灯的位置，使其视场明亮均匀②调节目镜使叉丝像清晰③将牛顿环放于载物台，由下向上调节镜筒，得到清晰的干涉条纹④调节牛顿环的位置和叉丝方向，使牛顿环中某环在纵向叉丝沿主尺方向移动时始终于横向叉丝相切⑤测量。
则正确的实验顺序是A：a b c d e B：b c a d e C：a b d c e D：d a c b e请选择：Ａ８．在牛顿环实验中，读数显微镜的调节要求是A：叉丝清晰B：显微镜内视场均匀明亮C：图象清晰D：abc都是请选择:Ｄ９．牛顿环实验中，若已知凸透镜的曲率半径R，选出下列说法中正确的（）A：可通过它测单色光的波长B：可通过它测平板玻璃的厚度C：可用之测牛顿环中平板玻璃的折射率D：可用它测凸透镜的折射率请选择:Ａ１０．牛顿环实验中，暗环半径边缘与平板玻璃的垂直距离为e=kλ/2,暗环半径满足r^2=kRλ，其成立的条件是A：R>e D：R>>e请选择:Ｄ１１．牛顿环装置的平面玻璃上表面是标准平面，而平凸透镜的凸表面加工后发现某处有擦伤（凹痕），用这一装置观察反射的牛顿环时，对应擦伤的干涉条纹应向_____弯曲A：环外B：环心C：环心和环外都有D：以上都不对请选择:Ｂ二、判断题1. 牛顿环和劈尖分别属于等厚干涉和等倾干涉。
2009-2010第21次课 等厚干涉 劈尖、牛顿环
2n
6
b
θ
3.相邻条纹间距 相邻条纹间距
dk
θ
dk+1
∆d
∆d λ b= = Q θ 很小， sin θ ≈ θ sin θ 2n sin θ
7
b=
λ
2n sin θ
λ ≈ 2nθ
λ
θ=
λ
2nb
θ
n
8
4.空气劈尖 空气劈尖
n
b
n1 n1
d
∆ = 2d +
λ
2
kλ , k = 1,2,L ∆= λ
2 k
dk
r dk = 2R
2 k
22
λ = 2n r + λ ∆ = 2ndk +
2 k
2
2R
2
r dk = 2R
( k = 1,2L) 加强
2 k
r λ = + = R 2
2 k
kλ
(2k + 1)
λ
2
( k = 0,1,2L) 减弱
r λ + = kλ R 2
2 k
牛顿环半径： 牛顿环半径： 明环由
•测量未知单色平行光的波长、测透镜曲率半径 测量未知单色平行光的波长、 测量未知单色平行光的波长
用读数显微镜测量第 k 级和第 m 级暗环 半径 rk、rm
rk = kRλ rm = mRλ
2 k
r − r = mRλ − kRλ
2 m
(r − r ) λ= (m − k ) R
2 m 2 k
(D − D ) λ= 4(m − k ) R
例2
解
Q
θ=
λ
2nb
牛顿环与劈尖干涉实验报告
牛顿环与劈尖干涉实验报告《牛顿环与劈尖干涉实验报告》牛顿环与劈尖干涉实验是光学实验中常见的一种实验方法，通过这两种实验可以观察到光的干涉现象。
在这篇报告中，我们将介绍这两种实验的原理和实验结果，并对实验数据进行分析和讨论。
首先我们来介绍一下牛顿环实验。
在牛顿环实验中，我们使用一块平面玻璃片和一个凸透镜，将它们放在一起形成一定的空气层。
当透镜上方有一束平行光照射到玻璃片上时，由于光的波动性质，光波在玻璃片和凸透镜之间发生干涉现象，从而形成一系列明暗相间的圆环，这就是牛顿环。
通过观察牛顿环的形态和颜色，我们可以测量出不同位置处的空气层厚度，并利用这些数据来计算光的波长和折射率等物理量。
接下来我们来介绍劈尖干涉实验。
劈尖干涉实验是利用劈尖装置产生的干涉条纹来观察光的干涉现象。
劈尖装置是由两块平行的玻璃片组成，它们之间有一个微小的夹角，当一束平行光照射到这两块玻璃片之间时，光波在两块玻璃片之间发生干涉，从而形成一系列明暗相间的条纹。
通过观察这些干涉条纹的形态和间距，我们可以测量出光的波长和折射率等物理量。
在实验过程中，我们使用了精密的光学仪器和精确的测量方法，得到了一系列的实验数据。
通过对这些数据进行分析和处理，我们得到了光的波长和折射率等物理量的测量结果，并与理论值进行了比较。
实验结果表明，我们得到的测量值与理论值吻合较好，证明了牛顿环与劈尖干涉实验的可靠性和准确性。
总之，牛顿环与劈尖干涉实验是一种重要的光学实验方法，通过这些实验可以直观地观察光的干涉现象，并且得到了较为准确的测量结果。
这些实验结果对于光学理论的研究和应用具有重要的意义，也为我们深入理解光的波动性质提供了重要的实验依据。
希望通过这篇报告的介绍，读者能够对牛顿环与劈尖干涉实验有一个更加深入的了解，并对光学实验方法和技术有所启发。
等厚干涉—牛顿环、劈尖
《等厚干涉-牛顿环、劈尖》预习报告模版
注：阴影部分不在报告上呈现，只向学生提出书写内容和具体要求。
非阴影部分可直接照抄或自答
实验目的：（按照书上提示抄写）
1，
2，
3，
实验原理：（按次序回答以下问题）
问题1：什么是牛顿环和劈尖？
问题2：牛顿和劈尖等厚干涉条纹的特点？
问题3：牛顿环透镜曲率半径公式的推导？
问题4：劈尖薄片厚度的公式推导？
问题5：实验过程中回程差怎么消除
实验仪器：（按照书上提示抄写）
实验步骤：
1，数显式读书显微镜的调整和使用方法
2，实验步骤（抄写并填空）
1)牛顿环测量凸透镜的曲率半径：启动钠光源，使钠灯正对着
____，旋转___旋钮，使钠光灯经反射后____入射到待测的牛顿环上，显微镜视场中出现____；轻轻调节牛顿环的____，使视场中心无畸变；调节____使视场的叉丝像最清楚；旋转____使显微镜能清楚的看到干涉条纹；转动____，使牛顿环的中心
暗斑通过视场中心，先使叉丝到右侧25环处再退回20环相切，清零；继续向左移动，测出表格中的数据，写出测量顺序右
20____________左____________。
2)调节劈尖位置，使条纹与双丝线____，与测量方向____；测____
个条纹的间距和____的长度。
实验数据记录表格：
（分别画出测量暗环直径和微小厚度的两个数据记录表格）。
等厚干涉——劈尖牛顿环实验参考答案
一、选择题1. 在等厚干涉实验中，设牛顿环的空气薄层厚度为e，则当2eA：为入射光波长的整数倍时产生暗条纹，为入射光半波长的奇数倍时产生明条纹 B：为入射光波长的整数倍时产生暗条纹，为入射光波长的奇数倍时产生明条纹 C：为入射光波长的整数倍时产生明条纹，为入射光半波长的奇数倍时产生暗条纹 D：为入射光波长的整数倍时产生明条纹，为入射光波长的奇数倍时产生暗条纹请选择:Ａ２．两束光在空间相遇产生干涉的条件是A：频率相等B：振动方向相同C：相位差恒定，且满足一定条件D：abc都是请选择:Ｄ３．牛顿环实验中，读数显微镜的视场中亮度不均匀，其原因是A：显微镜的物镜有问题B：反光玻璃片放反了C：入射单色光方向不正D：显微镜的目镜有问题请选择:Ｃ４．牛顿环是一种A：不等间距的衍射条纹B：等倾干涉条纹C：等间距的干涉条纹D：等厚干涉条纹请选择：Ｄ５．牛顿环实验中，单向测量的目的是为了消除A：视差B：读数显微镜测微鼓轮的仪器误差C：测微螺距间隙引起的回程误差D：ABC都不是请选择:Ｃ６．劈尖干涉实验中，若测得20个劈尖干涉条纹间隔L1，劈尖条纹的总长为L，则其包含的干涉暗条纹总数为A：20L/L1 B：20L1/L C：L/(20L1) D：L1/(20L)请选择:Ａ７．牛顿环实验中有如下步骤：①调节读数显微镜的反光片和纳光灯的位置，使其视场明亮均匀②调节目镜使叉丝像清晰③将牛顿环放于载物台，由下向上调节镜筒，得到清晰的干涉条纹④调节牛顿环的位置和叉丝方向，使牛顿环中某环在纵向叉丝沿主尺方向移动时始终于横向叉丝相切⑤测量。
则正确的实验顺序是A：a b c d e B：b c a d e C：a b d c e D：d a c b e请选择：Ａ８．在牛顿环实验中，读数显微镜的调节要求是A：叉丝清晰B：显微镜内视场均匀明亮C：图象清晰D：abc都是请选择:Ｄ９．牛顿环实验中，若已知凸透镜的曲率半径R，选出下列说法中正确的（）A：可通过它测单色光的波长B：可通过它测平板玻璃的厚度C：可用之测牛顿环中平板玻璃的折射率D：可用它测凸透镜的折射率请选择:Ａ１０．牛顿环实验中，暗环半径边缘与平板玻璃的垂直距离为e=kλ/2,暗环半径满足r^2=kRλ，其成立的条件是A：R>e D：R>>e请选择:Ｄ１１．牛顿环装置的平面玻璃上表面是标准平面，而平凸透镜的凸表面加工后发现某处有擦伤（凹痕），用这一装置观察反射的牛顿环时，对应擦伤的干涉条纹应向_____弯曲A：环外B：环心C：环心和环外都有D：以上都不对请选择:Ｂ二、判断题1. 牛顿环和劈尖分别属于等厚干涉和等倾干涉。
等厚干涉实验—牛顿环和劈尖干涉
等厚干涉实验—牛顿环和劈尖干涉要观察到光的干涉图象，如何获得相干光就成了重要的问题，利用普通光源获得相干光的方法是把由光源上同一点发的光设法分成两部分，然后再使这两部分叠如起来。
由于这两部分光的相应部分实际上都来自同一发光原子的同一次发光，所以它们将满足相干条件而成为相干光。
获得相干光方法有两种。
一种叫分波阵面法，另一种叫分振幅法。
1．实验目的（1）通过对等厚干涉图象观察和测量，加深对光的波动性的认识。
（2）掌握读数显微镜的基本调节和测量操作。
（3）掌握用牛顿环法测量透镜的曲率半径和用劈尖干涉法测量玻璃丝微小直径的实验方法 （4）学习用图解法和逐差法处理数据。
2．实验仪器读数显微镜，牛顿环，钠光灯3．实验原理我们所讨论的等厚干涉就属于分振幅干涉现象。
分振幅干涉就是利用透明薄膜上下表面对入射光的反射、折射，将入射能量(也可说振幅)分成若干部分，然后相遇而产生干涉。
分振幅干涉分两类称等厚干涉，一类称等倾干涉。
用一束单色平行光照射透明薄膜，薄膜上表面反射光与下表面反射光来自于同一入射光，满足相干条件。
当入射光入射角不变，薄膜厚度不同发生变化，那么不同厚度处可满足不同的干涉明暗条件，出现干涉明暗条纹，相同厚度处一定满足同样的干涉条件，因此同一干涉条纹下对应同样的薄膜厚度。
这种干涉称为等厚干涉，相应干涉条纹称为等厚干涉条纹。
等厚干涉现象在光学加工中有着广泛应用，牛顿环和劈尖干涉就属于等厚干涉。
下面分别讨论其原理及应用：（1）用牛顿环法测定透镜球面的曲率半径牛顿环装置是由一块曲率半径较大的平凸玻璃透镜和一块光学平玻璃片(又称“平晶”)相接触而组成的。
相互接触的透镜凸面与平玻璃片平面之间的空气间隙，构成一个空气薄膜间隙，空气膜的厚度从中心接触点到边缘逐渐增加。
如图9-1（a ）所示。
Rer(a ) (b)图9-1 牛顿环装置和干涉图样当单色光垂直地照射于牛顿环装置时(如图9-1)，如果从反射光的方向观察，就可以看到透镜与平板玻璃接触处有一个暗点，周围环绕着一簇同心的明暗相间的内疏外密圆环，这些圆环就叫做牛顿环，如图9-1（b ）所示．在平凸透镜和平板玻璃之间有一层很薄的空气层，通过透镜的单色光一部分在透镜和空气层的交界面上反射，一部分通过空气层在平板玻璃上表面上反射，这两部分反射光符合相干条件，它们在平面透镜的凸面上相遇时就会产生干涉现象。
牛顿环—劈尖实验讲义
牛顿环-劈尖若将同一点光源发出的光分成两束，让它们各经不同路径后再相会在一起，当光程差小于光源的相干长度，一般就会产生干涉现象。
如测量光波的波长，精确地测量长度、厚度和角度，检验试件表面的光洁度，研究机械零件内应力的分布以及在半导体技术中测量硅片上氧化层的厚度等。
牛顿环、劈尖是其中十分典型的例子，它们属于用分振幅的方法产生的干涉现象，也是典型的等厚干涉条纹。
【实验目的】1.观察和研究等厚干涉现象和特点。
2.学习用等厚干涉法测量平凸透镜曲率半径和薄膜厚度。
3.熟练使用读数显微镜；学习用逐差法处理实验数据的方法。
【实验仪器】测量显微镜，钠光光源，牛顿环仪，牛顿环和劈尖装置。
图1 实验仪器实物图【实验原理】1.牛顿环“牛顿环”是一种用分振幅方法实现的等厚干涉现象，最早为牛顿所发现。
为了研究薄膜的颜色，牛顿曾经仔细研究过凸透镜和平面玻璃组成的实验装置。
他的最有价值的成果是发现通过测量同心圆的半径就可算出凸透镜和平面玻璃板之间对应位置空气层的厚度；对应于亮环的空气层厚度与1、3、5…成比例，对应于暗环的空气层厚度与0、2、4…成比例。
牛顿环装置是由一块曲率半径较大的平凸玻璃透镜，将其凸面放在一块光学玻璃平板（平晶）上构成的，如图2所示。
平凸透镜的凸面与玻璃平板之间形成一层空气薄膜，其厚度从中心接触点到边缘逐渐增加。
若以平行单色光垂直照射到牛顿环上，则经空气层上、下表面反射的二光束存在光程差，它们在平凸透镜的凸面相遇后，将发生干涉。
其干涉图样是以玻璃接触点为中心的一系列明暗相间的同心圆环（如图3所示），称为牛顿环。
由于同一干涉环上各处的空气层厚度是相同的，因此称为等厚干涉。
图2 牛顿环装置图3 干涉圆环与k 级条纹对应的两束相干光的光程差为22λ+=∆d (1)d 为第k 级条纹对应的空气膜的厚度；2λ为半波损失。
由干涉条件可知，当∆=(２ｋ＋１) 2λ（ｋ＝0，1，2，3，...） 时，干涉条纹为暗条纹，即2)12(22λλ+=+k d得λ2kd =（2） 设透镜的曲率半径为Ｒ，与接触点Ｏ相距为ｒ处空气层的厚度为ｄ，由图2所示几何关系可得222)(r d R R +-=2222r d Rd R ++-=由于Ｒ>>ｄ，则 d 2可以略去Rr d 22= （3）由(2)和(3)式可得第ｋ级暗环的半径为：•• λλkR kR Rd r k =⋅==2222(4) 由(4)式可知，如果单色光源的波长λ已知，只需测出第k 级暗环的半径ｒm ，即可算出平凸透镜的曲率半径Ｒ；反之，如果Ｒ已知，测出ｒm 后，就可计算出入射单色光波的波长λ。
等厚干涉牛顿环劈尖实验报告
记录读数。
同一级暗环的左右位置两次读数之差为暗环的直径。
2. 用劈尖测量薄片的厚度(或细丝直径)
(1) 将牛顿环器件换成劈尖器件， 重新进行方位与角度调整， 直至可见清晰的平行干涉条
纹， 且条纹与搭接线平行; 干涉条纹与竖直叉丝平行。
(2) 在劈尖中部条纹清晰处， 测出每隔10条暗纹的距离l， 测量5次。 (3) 测出两玻璃搭接线到薄片的有效距离L， 测量5次。
* 注意， 测量时， 为了避免螺距的空程误差， 读数显微镜的测微鼓轮在每一次测量过程中只能单方向旋转， 中途不能反转。
数据记录与处理: 牛顿环第一次测量直径
第二次测量直径
rk?2Rdk?kR?， k?0,1,2...,暗环
由以上公式课件， rk与dk成二次幂的关系， 故牛顿环之间并不是等距的， 且为了避免背光因素干扰， 一般
选取暗环作为观测对象。
而在实际中由于压力形变等原因， 凸透镜与平板玻璃的接触不是一个理想的点而是一个圆面; 另外镜面沾染回程会导致环中心成为一个光斑， 这些都致使干涉环的级数和半径无法准确测量。 而使用差值法消去附加的光程差， 用测量暗环的直径来代替半径， 都可以减少以上类型的误差出现。 由上可得:
3(用劈尖干涉法测定细丝直径或微小厚度。
[实验仪器]
牛顿环仪，移测显微镜、钠灯、劈尖等。
[实验内容]
1(用牛顿环测量平凸透镜表面的曲率半径
(1)按图11-2安放实验仪器
(2)调节牛顿环仪边框上三个螺旋，使在牛顿环仪中心出现一组同心干
涉环。将牛顿环仪放在显微镜的平台上，调节45?玻璃板，以便获得最大的照度。
等厚干涉实验—牛顿环和劈尖干涉
等厚干涉实验—牛顿环和劈尖干涉等厚干涉实验—牛顿环和劈尖干涉要观察到光的干涉图象，如何获得相干光就成了重要的问题，利用普通光源获得相干光的方法是把由光源上同一点发的光设法分成两部分，然后再使这两部分叠如起来。
由于这两部分光的相应部分实际上都来自同一发光原子的同一次发光，所以它们将满足相干条件而成为相干光。
获得相干光方法有两种。
一种叫分波阵面法，另一种叫分振幅法。
1．实验目的（1）通过对等厚干涉图象观察和测量，加深对光的波动性的认识。
（2）掌握读数显微镜的基本调节和测量操作。
（3）掌握用牛顿环法测量透镜的曲率半径和用劈尖干涉法测量玻璃丝微小直径的实验方法（4）学习用图解法和逐差法处理数据。
2．实验仪器读数显微镜，牛顿环，钠光灯3．实验原理我们所讨论的等厚干涉就属于分振幅干涉现象。
分振幅干涉就是利用透明薄膜上下表面对入射光的反射、折射，将入射能量(也可说振幅)分成若干部分，然后相遇而产生干涉。
分振幅干涉分两类称等厚干涉，一类称等倾干涉。
用一束单色平行光照射透明薄膜，薄膜上表面反射光与下表面反射光来自于同一入射光，满足相干条件。
当入射光入射角不变，薄膜厚度不同发生变化，那么不同厚度处可满足不同的干涉明暗条件，出现干涉明暗条纹，相同厚度处一定满足同样的干涉条件，因此同一干涉条纹下对应同样的薄膜厚度。
这种干涉称为等厚干涉，相应干涉条纹称为等厚干涉条纹。
等厚干涉现象在光学加工中有着广泛应用，牛顿环和劈尖干涉就属于等厚干涉。
下面分别讨论其原理及应用：（1）用牛顿环法测定透镜球面的曲率半径牛顿环装置是由一块曲率半径较大的平凸玻璃透镜和一块光学平玻璃片(又称“平晶”)相接触而组成的。
相互接触的透镜凸面与Rer (a ) (b)图9-1 牛顿环装置和干涉图样平玻璃片平面之间的空气间隙，构成一个空气薄膜间隙，空气膜的厚度从中心接触点到边缘逐渐增加。
如图9-1（a ）所示。
当单色光垂直地照射于牛顿环装置时(如图9-1)，如果从反射光的方向观察，就可以看到透镜与平板玻璃接触处有一个暗点，周围环绕着一簇同心的明暗相间的内疏外密圆环，这些圆环就叫做牛顿环，如图9-1（b ）所示．在平凸透镜和平板玻璃之间有一层很薄的空气层，通过透镜的单色光一部分在透镜和空气层的交界面上反射，一部分通过空气层在平板玻璃上表面上反射，这两部分反射光符合相干条件，它们在平面透镜的凸面上相遇时就会产生干涉现象。
光的等厚干涉——牛顿环、劈尖
4、因环纹比较粗，使测量r出现了误差。可在环左边时测内径，到了环右边测外径。用测量d的代替r。
七、数据处理分析
1、因牛顿环接触处不可能是一个几何点，而是一个圆面，所以近圆心处环纹比较模糊和粗阔，以致难于确定判断环纹的干涉级数 和精确测定其直径d。如果只测量一个环纹的直径。计算结果必然有较大的误差。为了减少误差，提高精度，必须测量距中心较远、比较清晰的两个环纹的直径，且应多组测量。例如实验中侧得 、 、 、 、 和 、 、 、 、 两组数据。
（ ）
在实验中采用的是正入射的方式，即入射光和反射光处处都于薄膜垂直，这时
，因此
对于空气薄膜
（1）对于牛顿环，由光路分析可知，与第K级条纹对应的两束相干光的光程差为
（2）对于劈尖为
四、核心仪器介绍
读数显微镜是将测微螺旋和显微镜组合起来做精确测量长度用的仪器（如图所示）。
五、操作要领
（一）牛顿环
1、外观：借租室内的灯光，用眼睛观察牛顿环，看到一亮点位于镜框的中心，周围的干涉条纹呈圆环形。若亮点不再镜筐中心，轻微旋动金属镜框上的调节螺丝，使环心面积最小，并稳定在镜框中心（切记拧紧螺丝，以免干涉条纹变形，导致测量失准或光学玻璃破裂）。
2、用逐差法处理数据消除误差。如果本实验中侧得k个干涉环纹的直径分别为 、 、…… ，在进行数据处理时，如欲充分利用所测得的 、 、……、 全部数值，不应该以 、 、……、 各项之平均做作为 之平均值,因为若是这样计算,其结果实际上与只用首末两项( 与 )两观察值完全无异。较完善的数据处理方法是：将 、 、…… 分作前后两半，分别求出后半第一项 与前半第一项 的平方差，后半第二项 与前半第二项 的平方差，……余类推。（如遇前半多一项时，后多出的一项就不用）实验中侧得 、 、 、 、 和 、 、 、 、 两组数据。将它们分成两半，即 、 、 、 、 和 、 、 、 、 ，先分别求平方差值 、 、 、 、 再求其平均值
等厚干涉牛顿环劈尖实验报告
等厚干涉牛顿环劈尖实验报告
一、实验目的
本次实验旨在运用激光厚干涉仪和牛顿环劈尖，了解光波在牛顿环劈尖中的折射作用，从而证明劈尖的存在。
二、实验原理
1、牛顿环劈尖的概念
牛顿环劈尖(Newton's ring)是由牛顿发现的一种光电现象，也叫牛顿环。
它是由光
的入射口、出射口以及中间的物体所形成的闭环光路，由此形成的环形状的干涉图形叫牛
顿环。
一般当光通过闭环光路，通过重叠的方式产生干涉现象，形成牛顿环。
2、厚干涉
厚干涉又称原来层干涉，是使用衍射光斑阵列照射在去表面上形成的干涉图形，它反
映出物体厚度的信息。
据此，可以分析出该物体表面的厚度，它也可以用来研究表面形状
的变化。
三、实验仪器
激光厚干涉仪、牛顿环劈尖、活塞式调准器、激光源。
四、实验步骤
1、安装实验仪器：
将激光厚干涉仪、激光源和活塞式调准器置于室内，保持激光垂直实验台，并将牛顿
环劈尖调整成柱形玻璃以后，放置在实验台上。
2、调整激光和牛顿环劈尖：
使用活塞式调准器，调节激光的垂直方向，使其正好照射到牛顿环劈尖上，并用手调
节牛顿环劈尖，将劈尖调节至聚焦位置。
3、实验观察：
调节激光后，观察实验台上的屏幕，可以观察到环的清晰程度，清晰的环表明劈尖的
存在，从而证明牛顿环劈尖的存在。
五、实验结果
实验结束后，可以观察到清晰的牛顿环，证明了劈尖的存在。
13.1.4 薄膜干涉-等厚干涉(劈尖 牛顿环)
例13-3(P105) 把金属细丝夹在两块平玻璃 之间，形成空气劈尖，如图13-15所示。 金属丝和棱边间距离为D=28.880mm。用 波长=589.3nm的钠黄光垂直照射，测得 30条明条纹之间的总距离为4.295mm，求 金属丝的直径d。
第 十三章 波动光学
15
解 由图示的几何关系可得
d D tan
19
已知n1< n2< n3，用波长为 的单色光垂直照 明 射，观察反射光的干涉条纹，劈尖顶处是______ 纹，从劈尖顶开始向右数第7条暗条纹对应的膜 13 厚度d =___________. 反射光光程差 顶点处d=0
4n2
2n2d
明纹
n1
0
n2
暗纹条件： 2n2 d (2k 1)
2d 2D
km
2 2
(2k 1)
2 2
k 0,1,2,
(2k m 1)
141 .1
2D
共有142条暗纹
第 十三章 波动光学
8
物理学
第五版
13.1.4 薄膜干涉-等厚干涉（劈尖、牛顿环）
总结
(1)干涉条纹为光程差相同的点的轨迹， 即厚度相等的点的轨迹.
相邻两明条纹间距和劈尖角的关系为 l 因为 很小， tan sin 2sin 2l
589.3 10 d D 28.880 mm 4.295 2l 2 29
6
5.746 102 mm 5.746 105 m
d /2 简单解 tan sin 即 D l
d
d
l
'
光的等厚干涉——牛顿环、劈尖
，������ = 0,1,2 …时，为干涉暗条纹。与 K 级暗条纹对应的
【实验仪器及器材】 （应写明仪器型号、规格、精度）
读数显微镜（JCD-3） 、光源（Na灯Байду номын сангаасHg灯） 、劈尖玻璃、牛顿环镜片。
【注意事项】
1．钠光灯预热。 2．调整仪器 (1)由待测透镜的凸面及平玻璃的平面组成牛顿环装置，令其处于自由状态。 (2)调整 45 度反射平面玻璃及显微镜的位置，使入射光近乎垂直入射，并使钠光能充满整 个视场。 (3)调节目镜，看清叉丝；显微镜调焦看清干涉条纹（调整时应注意什么？）使叉丝交点大 致在牛顿环的中心位置。
【实验内容】
1. 根据牛顿环测透镜的曲率半径 (1) 调整测量装置 实验装置如图 3-S20-4 所示。由于干涉条纹间隔很小，精确测量需用读数显微镜。调 整时应注意：
1) 调节 45°玻璃片，使显微镜视场中亮度最大。这时，基本上满足入射光垂直于 透镜的要求。 2) 因反射光干涉条纹产生在空气薄膜的上表面，显微镜应对上表面调焦才能找到 清晰的干涉图像。 3) 调焦时，显微镜筒应自下而上缓慢地上升，直到看清楚干涉条纹时为止。 (2) 观察干涉条纹的分布特征 例如，各级条纹的粗细是否一致，条纹间隔有无变化，并作出解释。观察牛顿环中 心是亮斑还是暗斑？若是亮斑，如何解释？用擦镜纸仔细地将接触的两个表面擦干净， 可使中心呈暗斑。 (3) 测量牛顿环的直径 转动测微鼓轮，依次记下欲测的各级条纹在中心两侧的位置（级数适当地取大些， 如 k=30 左右） ， 求出各级牛顿环的直径。 在每次测量时， 注意鼓轮应沿一个方向转动， 中途不可倒转（为什么？） ，将数据填入表中。 2. 光波波长的相对测量 1) 以汞灯代替钠光灯，在同一装置上观察、比较汞灯照射时复色光的干涉条纹与单色 光的干涉条纹有何差异？ 2) 用滤色片依次获得汞灯的任意两个单色光（如绿光和黄光八分别观测其等厚干涉条 纹，测出相应各级暗环的半径 rb。试比较两者有何差异。 3) 作 r2-k 图线， 并用相对测量法求出汞灯的某单色光的波长 （其中一种波长为己知量） 。 3. 用劈尖干涉法测微小厚度 1) 将被测薄片（或细丝）夹在两块平玻璃板之间，然后置于显微镜载物台上。用显微 镜观测描绘劈尖干涉的图像。改变薄片在平玻璃板间的位置，观察干涉条纹的变化，并作 出解释。 2) 由式可见， 当波长λ 已知时.,在显微镜中数出干涉条纹数 k,即可得相应的薄片厚度 e。 由于 k 值较大，为避免计数 k 出现差错，可先测出某长度 lx 间的干涉条纹数 x, 得出单位长 度内的干涉条纹数������ = ������������ 。若薄片与劈尖棱边的距离为 L, 则共出现干涉条纹数 k=n· L。代 入式中得到薄片的厚度������ = ������ ·������ 2。
牛顿环和劈尖的等厚干涉
牛顿环和劈尖的等厚干涉〔引课：〕“牛顿环”是牛顿在1675年制作天文望远镜时，偶然将一个望远镜的物镜放在平板玻璃上发现的。
在物理课上，我们只是从理论上研究了薄膜干涉的原理，那么在实验课上我们通过什么方法获得等倾或等厚干涉的图像呢？用牛顿环实验和劈尖实验验证等厚干涉。
用迈克尔逊干涉仪验证等倾干涉。
〔正课：〕1. 理解牛顿环和劈尖干涉条纹的产生原理；2. 学习用等厚干涉法测量凸透镜的曲率半径；3. 学会用逐差法处理实验数据。
1. 牛顿环的产生把一块曲率半径相当大的平凸透镜A 的凸面放在一块光学平板玻璃B 上，那么在它们之间形成以O 为中心向四周逐渐增厚的空气薄膜，离O 点等距离处厚度相同。
当一束单色光垂直射入时，入射光在空气层上下两表面反射，且在上表面相遇产生干涉。
由于空气膜厚度相等处光程差相等(亦相位相同)，通过读数显微镜观察到同相位点连接轨迹是以接触点为圆心的同心圆。
各明环(或暗环)处空气膜厚度相等故称为等厚干涉2. 曲率半径的计算设入射光是波长为λ的单色光，第k 级干涉条纹的半径为r ，该处空气膜的厚度为e ，上下表面反射光的光程差为由于空气的折射率近似为1，则产生明、暗环的干涉条件为 明条纹公式( k=1,2,3,……) 暗条纹公式(k=0,1,2,3,……)根据几何关系可知222)(e R r R -+=222e eR r -=R 为透镜的曲率半径。
由于R ≫e上式近似表示为代入明、暗环公式中，则明环半径( k=1,2,3,……)暗环半径R k r λ=2 ( k=1,2,3,……)解决方法：若我们用两个暗环或明环的半径1.将牛顿环装置放在读数显微镜的平台上，点亮钠光灯，并将物镜对准牛顿环装置中心。
2.调整反射镜，使水平入射的光线经反射后垂直入射，调至显微镜视场中亮度最大。
3.调节显微镜调焦手轮，使其自下而上缓慢移动，直到目镜中能够看到清晰的干涉条纹为止。
微微移动牛顿环装置，使叉丝交点与牛顿环中心大致重合，并使一根叉丝与标尺平行。
物理论文等厚干涉——牛顿环和劈尖干涉实验
圈数 显微镜读数（mm） 左放 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 39．503 39．648 39．771 39．901 40．008 40．113 40．200 40．283 40．374 40．466 40．583 40．667 40．758 40．844 40，917 40．136 右方 36，240 36．096 35．975 35．851 35．746 35．622 35．528 35．429 35．387 35．250 35．162 35．097 34．997 34．911 34．827 34．745
关键词：等厚干涉；牛顿环；劈尖；
interference of equal thickness —— the Study of Newton's rings and interference of wedge film
Abstract: Newton's rings and interference wedge law are sub-amplitude interference of equal thickness. By the debugging and observation of the phenomenon, and Experimental data processing,We may get the value of Newton's ring lens radius of curvature R and the value of film thickness d. Experiment, with a two-ray interference fringes that the thickness of the reflective surface are the same. Newton's rings and interference wedge can be used to test the degree of spherical formation. Keywords: Newton's rings;wedge film; interference of equal thickness; difference of optical path; 光是一种电磁波。 在对光的本性认识过程中，光的干涉为光的波动性提供了 有力的实验证明。 当平行光垂直地照射到厚度不均匀的薄膜上时，从薄膜前后表 面反射的光的光程差仅与薄膜的厚度有关。观察条纹，读取数据，判断两仪器的 平整性，得出结论。光的等厚干涉在现代精密测量技术中，有很多重要的应用， 一直是高精度光学表面加工中检验光洁度和平直度的主要手段， 还可以精密测量 薄膜的厚度和微小角度、测量曲面的曲率半径，研究零件的内应力分布，测量样 品的膨胀系数等。
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n
单色平行光垂直照射时，Δ由d 唯一确定，膜厚d 相同的点，Δ相同，干涉状况相同，亮暗相同，构成一 条纹。——等厚干涉条纹
等厚干涉条纹是膜的等厚度线！
劈尖表面上平行于棱的直线下的薄膜厚度相同， 所以干涉条纹为平行于劈棱的等间距的一系列平行线。
肥皂膜的等厚干涉条纹
白光入射
单色光入射 左图是在一厚度不均匀 的薄膜上产生的等厚干涉条 纹。每一条纹对应薄膜的一 条等厚线，即同一条干涉条 纹下的薄膜厚度相等。
2
M
2n
例：测量钢球直径 用波长为589.3nm的钠黄光垂 直照射长 L=20mm 的空气劈尖， 测得条纹间距为 1.18 104 m
求：钢球直径d。
解：
d L L
d
L
2nl
589.3 109 20 103 4 2 1.18 10
5 10 m
2
nrk2 (2k 1) ①暗环： R 2 2
rk kR n
rk (2k 1) R
nrk2 k ②明环： R 2
2n
(3)条纹间距 d r k 2R 2rk rk rk rk 全微分d k 2R R λ' Δd k 2 ' R R d k 1 2 rk rk rk rk 条纹不是等间隔分布:内疏 外密
R
•中心 dk=0, 2
为零级暗环。
n2 n3
k
n1
2ndk 2 (2k 1) 2 (k 0,1)
( k 1,2) 加强、亮纹
减弱、暗纹
4.牛顿环半径
(1) rk 与 dk 间的关系
o
r R ( R dk )
2 k 2
2
①
②
n2 n1
3 膜的厚度与干涉条纹级次的关系
暗纹条件 2ndk (2k 1) 2 2
1.劈棱 处 dk=0
k 0,1,2
2
劈棱处为k=0级暗纹 2.第 k 级暗纹处劈尖厚度 由
dk
2ndk (2k 1) 2 2
k dk 2n
3.相邻暗纹(或明纹)之间劈尖(膜)的厚度差
θ过大，条纹密而不能分辨 ∴ θ要小，劈尖要“尖”！
当θ减小时，l 增大，条纹变稀疏，条纹向远离 棱边的方向移动。
二、劈尖的应用
1.测量微小物体的厚度
将微小物体夹在两薄玻 璃片间，形成劈尖，用 单色平行光照射。
①
d
L d L 2nl
'
L
②数得棱至物之间有M个条纹(间隔)
d Md M
① ②
n1 n n3
n
2ndk 2 (2k 1) 2
k
( k 1,2) 加强 ( k 0,1,2) 减弱
2 劈尖干涉条纹的形状
2 明纹： k ， k = 1， 2
2
2nd k
棱
暗纹： (2k 1) ， k = 0， 1， 2…
2 k
o
① ②
n1
R
rk
dk
n2
n3
rk处的条纹间距Δrk与rk成反比。
5.牛顿环应用
(1)测量未知单色平行光的波长
用读数显微镜测量第 k 级和第 m 级暗环半径 rk、rm
rk kR / n
2 k
mR kR (m k ) R r r n n
2 m
(r r )n (m k ) R
d dk1
d
( k 1) k dk 2n 2n 2n '
2n 2
λ′ —光媒质中的波长
4.相邻条纹间距
d l sin 2n sin sin 很小，
l 2n 2
'
劈尖角
2nl
当θ增大时，l 减小，条纹变 密，条纹向棱边方向移动。
( d ) 2nd
2
a. 空气薄膜厚度相同处光程差相同，干涉条纹为一 系列同心圆。 b. 圆心处膜厚d = 0，为零级暗条纹（零级暗斑）。 c. 条纹不等间隔，里疏外密。
白光牛顿环
3.中央为零级圆形暗斑
由于
n1 n2 n3
①
②
o
①、 ②两束反射光的光 程差附加 / 2 项。
B
C
三、牛顿环
1.牛顿环装置
将一块半径很大的平 凸镜与一块平板玻璃 叠放在一起，两者之 间构成空气薄膜。 用单色平行光垂 直照射，平凸镜下表 面和平板玻璃上表面 的反射光，即空气薄 膜的上下表面的反射 光发生干，产生牛 顿环干涉条纹。o
①
②
R
2.牛顿环干涉条纹的形状
牛顿环的干涉条纹是等厚干涉条纹。 等厚干涉条纹是膜的等厚度线！
2 m 2 k
或已知波长λ求R，确定镜片是否磨好
(2)检测光学镜头表面曲率是否合格
将玻璃验规盖于待测 镜头上，两者间形成空气 薄层，因而在验规的凹表 面上出现牛顿环，当某处 光圈偏离圆形时，则该处 有不规则起伏。
验规
思考
如何区分如下两种情况?
标准验规 待测透镜
标准验规
待测透镜
暗纹
暗纹
5
2.检测待测平面的平整度
（a）表示待测表面的平整度好 （b）表示待测表面的平整度差（凹凸缺陷）
由于同一条纹下 光学平板玻璃 的空气薄膜厚度相同， 当待测平面上出现沟 槽时条纹向左(向劈 棱方向)弯曲。
A、C两点下的膜厚相等 A、B两点下的膜厚差为 △d=λ/ 2n —就是沟槽深 度。
待测平面 A
R
2Rdk d
2 k
d k R
rk
dk
r 2Rdk
2 k
r dk 2R
2 k
n3
(2)牛顿环半径
rk2 2ndk 2n 2R 2 2
nrk2 R 2
k
r dk 2R
( k 1,2)
明纹 暗纹
2 k
( k 0,1,2) (2k 1)
等厚干涉 劈尖、牛顿环
等厚干涉：在同一干涉条纹下薄膜厚度相同。
一、劈尖(不平行平面薄膜) 用单色平行光垂直照射玻璃劈尖，由于在同 条纹下的薄膜厚度相同，形成干涉条纹为平行于 劈棱的一系列等厚干涉条纹。 如：两片玻璃板间的空隙、重力场中竖立的肥皂膜
棱
劈尖角 很小
n
1 劈尖干涉
单色平行光垂直照 射玻璃劈尖，在劈尖上下 两个表面后形成 ①、 ② 两束反射光。满足干涉条 件，由薄膜干涉公式：