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干涉實驗系統(tǒng)介紹
2025-03-31
晶萃光學JCOPTIX目前提供兩種干涉實驗系統(tǒng)：JC-EDU-OI和JC-EDU-SG，可以用來演示邁克爾遜干涉、馬赫-曾德爾干涉以及薩格納克干涉，演示系統(tǒng)內(nèi)包含全部所需光機組件。
1、邁克爾遜干涉
基本原理
在邁克爾遜干涉儀的典型光路中，激光器射出的光經(jīng)過半透半反分束鏡被分成強度大致相等、沿不同方向傳播的兩束相干光束\( (I) \)和\( (II) \)，它們分別經(jīng)非固定反射鏡和固定反射鏡反射后，返回分束鏡，入射到接收觀察屏。滿足一定的條件下，觀察屏將呈現(xiàn)出特定的干涉圖樣。
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使用平板分束鏡時，通常需要在\( (II) \)號干涉臂中放入一塊與分束鏡材料、厚度完全相同的平行玻璃補償板進行相位補償，使得\( (I) \)、\( (II) \)兩束光的相位差僅源自光程差，且與入射光波長完全無關。當入射光為單色光而不需要確定零光程差位置（兩路光程相等的位置）時，補償板可以省略；但對于需要確定零光程差位置的某些實驗，如白光干涉實驗，補償板是必不可少的。在晶萃光學JCOPTIX提供的該系統(tǒng)中，將平板分束鏡改為分束立方體（如圖1所示），可有效避免平板分束鏡帶來的相關問題，無需進行相位補償。
調(diào)節(jié)兩個反射鏡，使兩個反射鏡嚴格平行。對于入射角為\( θ \)的光線，反射鏡之間的光程差為：
\( \Delta=2d/\cos\theta-2d~{\tan\theta}~{\sin\theta}=2d\cos\theta \)
對于\( k \)級亮紋有\( \Delta=2d\cos\theta=k\lambda \) ，在同心圓中心處\( \theta \)為0，此時\( 2d=k\lambda \) ，其中\( d \)為兩個反射鏡到分束鏡之間的距離差。
當\( d \)增大時，\( k \)增大，中央亮紋的級數(shù)變大，此時，中央亮紋向外“冒出”，反之則向里“縮進”。由于“縮進”或者“冒出”一個條紋時，\( d \)的該變量為\( \lambda/2 \)，此時
\( \lambda=\frac{2\Delta d}{\Delta k} \)
其中\( \Delta k \)為縮進或者冒出的條紋數(shù)，\( \Delta d \)為距離差\( d \)的改變量。
晶萃光學JCOPTIX提供的干涉系統(tǒng)套件中包含N-BK7和藍寶石窗口片，厚度為\( 5~mm \)，學生可以利用干涉儀測量窗口片材料的折射率。
將一塊窗口片垂直于光路安裝在\( (II) \)號干涉臂中。由于窗口片的折射率與周圍空氣的折射率不同，光穿過帶窗口片的\( (II) \)號干涉臂時會產(chǎn)生不同的有效光程。旋轉(zhuǎn)該窗口片會增加光路中材料的厚度，光經(jīng)過干涉臂的光程也會相應發(fā)生變化。以某角度旋轉(zhuǎn)窗口片時，可以通過數(shù)出干涉圖樣中心縮進或者冒出的條紋數(shù)來確定光程的變化?？梢允褂孟旅娴墓接嬎阍摬牧系恼凵渎?span id="npf4lpmfaz0" class="math-tex">\( n \)：
\( n=\frac{(\frac{\Delta k\lambda}{2t}+\cos\alpha-1 )^2+\sin ^2\alpha}{2(-\frac{\Delta k\lambda}{2t}-\cos\alpha+1 )} \)
其中，\( \lambda \)為入射波長， \( t \)為窗口片厚度，\( \alpha \)為旋轉(zhuǎn)的角度。
2、馬赫-曾德爾干涉
基本原理
在馬赫-曾德爾干涉儀的典型光路中，激光器射出的光由擴束鏡擴束后形成寬口徑光，經(jīng)過分束鏡后形成兩路光。兩路光分別經(jīng)過反射鏡反射至分束鏡2處，經(jīng)過分束鏡2，兩束光形成干涉，接受觀察屏將呈現(xiàn)出特定的干涉圖樣。
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3、薩格納克干涉
基本原理
如圖 3所示為薩格納克干涉儀的典型光路，激光器射出的光經(jīng)過分光鏡被分成強度大致相等、沿兩個相反方向傳播的兩束相干光束\( (I) \)和\( (II) \)，它們分別經(jīng)相同的固定反射鏡和非固定反射鏡反射后，返回分光鏡，入射到接收觀察屏，在一定的條件下，觀察屏將呈現(xiàn)出特定的干涉圖樣，由于兩個光束的方向是完全相反的，這樣就可以使\( (I) \)、\( (II) \)兩束光的光程差始終相等，且與入射光波長完全無關。在本系統(tǒng)中，將分光平板改成分束立方體可以有效的避免分光平板帶來的問題，因而無需進行補償。
