光學(xué)課程設(shè)計(jì)

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1、91引言1.1選題背景折射率是物質(zhì)的基本特性參量，測(cè)量折射率是物理實(shí)驗(yàn)重要內(nèi)容之一。由于在大量的物理現(xiàn)象中，物質(zhì)的折射率具有決定性的意義，因此對(duì)其測(cè)量的方法也很多，各種方法各有優(yōu)點(diǎn),也各有其局限性,并且測(cè)量精度也不盡相同。在固體材料中．測(cè)量各種光學(xué)玻璃或其他光學(xué)材料的折射率和色散曲線是很重要的。但對(duì)于氣體或液體，折射率的測(cè)定和色散現(xiàn)象的研究，也有重要的工業(yè)上的應(yīng)甩和科學(xué)研究的意義?；瘜W(xué)及化學(xué)工業(yè)方面，對(duì)于水溶液及其他透明溶液中，溶質(zhì)成份及微量雜質(zhì)的研究，更是必需的。溶液的折射率也與溶液性質(zhì)及濃度有關(guān)，因此測(cè)定了折射率也就可以決定混和氣體或

2、溶液中某一成份的濃度所以，測(cè)定液體濃度，除了化學(xué)方法與其他方法外，也可以用光學(xué)的方法。傳統(tǒng)的測(cè)量折射率的方法很多，歸納起來(lái)測(cè)可分為兩類：一是應(yīng)用折射定律及反射、全反射定律，通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)量角度來(lái)求折射率的幾何光學(xué)方法，比如最小偏向角法、掠入射法、全反射法等。另一類是利用光通過(guò)介質(zhì)(或由介質(zhì)反射)后，透射光的位相變化(或反射光的偏振態(tài)變化)與折射率密切相關(guān)的原理來(lái)測(cè)定折射率的物理光學(xué)方法，比如布儒斯特角法、干涉法等。通常，液體折射率的測(cè)量方法都以折射定律為基礎(chǔ)，一般都可以歸結(jié)為測(cè)角法。這些方法傳統(tǒng)、操作簡(jiǎn)單，但有一定的局限性，且測(cè)量精度不夠高。

3、牛頓環(huán)是精密測(cè)量?jī)x器，如果用牛頓環(huán)測(cè)液體折射率測(cè)得結(jié)果應(yīng)該比較準(zhǔn)確。1.2本設(shè)計(jì)方法的介紹及優(yōu)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)采取何種方法,要根據(jù)具體情況而定,靈活應(yīng)用,以期達(dá)到我們所要求的結(jié)果。液體折射率的測(cè)量要比固體折射率的測(cè)量復(fù)雜，而且，引進(jìn)的測(cè)量誤差也較大。本文介紹的用牛頓環(huán)干涉的方法和光在液體內(nèi)傳播的特性，測(cè)量液體折射率，其不僅物理意義明確，方法簡(jiǎn)單，而且獲得較好的測(cè)量結(jié)果。牛頓環(huán)又稱“牛頓圈”。在光學(xué)上，牛頓環(huán)是一個(gè)薄膜干涉現(xiàn)象。光的一種干涉圖樣，是一些明暗相間的同心圓環(huán)。例如用一個(gè)曲率半徑很大的凸透鏡的凸面和一平面玻璃接觸，在日光下或用白光照射時(shí)

4、，可以看到接觸點(diǎn)為一暗點(diǎn)，其周圍為一些明暗相間的彩色圓環(huán)；而用單色光照射時(shí)，則表現(xiàn)為一些明暗相間的單色圓圈。這些圓圈的距離不等，隨離中心點(diǎn)的距離的增加而逐漸變窄。它們是由球面上和平面上反射的光線相互干涉而形成的干涉條紋。通常將同一光源發(fā)出的光分成兩束光，在空間經(jīng)過(guò)不同的路程后合在一起產(chǎn)生干涉。牛頓環(huán)是典型的等厚干涉現(xiàn)象。牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置通常是由光學(xué)玻璃制成的一個(gè)平面和一個(gè)曲率半徑較大的球面組成，9在兩個(gè)表面之間形成一劈尖狀空氣薄層。以凸面為例，當(dāng)單色光垂直入射時(shí)，在透鏡表面相遇時(shí)就會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象，空氣膜厚度相同的地方形成相同的干涉條紋，這種

5、干涉稱作等厚干涉。在干涉條紋是以接觸點(diǎn)為中心的一系列明暗相間的同心圓環(huán)，稱為牛頓環(huán)。2牛頓環(huán)的薄膜為一般介質(zhì)時(shí)干涉現(xiàn)象的討論在透鏡凸面和平板玻璃板間充滿待測(cè)液體，形成一層液體薄膜，其厚度從中心接觸點(diǎn)到邊緣逐漸增加。牛頓環(huán)如圖1-1所示。我們把一個(gè)曲率半徑很大的平凸透鏡放在一塊滴有許液體的平面玻璃板上,二者之間形成一層厚度不均勻的液體薄層(設(shè)其折射率為),當(dāng)光近乎垂直地照射到薄膜上時(shí),在整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)光線的入射角可視為不變的常數(shù),則反射光在相遇點(diǎn)的相位差只決定于產(chǎn)生該反射的薄膜厚度。薄膜上厚度相同的地方反射光所產(chǎn)生的光程差相同,因此等厚干涉條紋

6、的形狀是薄膜上等厚度點(diǎn)的軌跡。在牛頓環(huán)中,干涉條紋是一組以為中心的同心圓環(huán)。圖1-1牛頓環(huán)裝置圖圖1-2牛頓環(huán)干涉條紋由牛頓環(huán)干涉原理知，與第級(jí)條紋對(duì)應(yīng)的兩束相干光的光程差為（1-1）其中是因?yàn)楣饩€在膜層的下表面反射時(shí)發(fā)生半波損失而附加的光程差。由圖1-1，得（1-2）因?yàn)?，所以?-3）又由式（1-1）和式（1-3），得9（1-4）由干射條件可知，當(dāng)兩束相干光的光程差為波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)互相加強(qiáng)而形成明條紋，為半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)互相抵消而形成暗條紋。又由于透鏡的凸面是球面，所以離接觸點(diǎn)等距離的地方薄膜厚度相同，等厚膜的軌跡是以接觸點(diǎn)為中心的圓

7、環(huán)，如圖所示。由光的疊加原理可知，當(dāng)時(shí)，干涉條紋為暗紋。所以（1-5）由于牛頓環(huán)中心不是一點(diǎn)，設(shè)附加光程差為，則（1-6）取m、n級(jí)暗條紋，直徑分別為消去附加光程差，可得出透鏡與平面玻璃所形成的薄膜的折射率：（1-7）當(dāng)透明薄膜為另一種介質(zhì)時(shí)，設(shè)折射率為，同理有（1-8）由式（1-7）和式（1-8）得（1-9）當(dāng)薄膜為空氣膜，即=1時(shí)，則（1-10）因此,只要分別測(cè)出空氣介質(zhì)和液體介質(zhì)的第和第個(gè)暗環(huán)的直徑,便可以根據(jù)上式計(jì)算得到待測(cè)液體的折射率。3液體折射率的測(cè)量3.1實(shí)驗(yàn)儀器及裝置9儀器和用品：牛頓環(huán)、讀數(shù)顯微鏡45°反射鏡、鈉光燈、待

8、測(cè)液體。圖1-3牛頓環(huán)儀裝置示意圖3.2儀器調(diào)整打開鈉光燈，調(diào)節(jié)牛頓環(huán)，調(diào)節(jié)讀數(shù)顯微鏡及光路，調(diào)節(jié)出牛頓環(huán)干涉條紋。3.3測(cè)量牛頓環(huán)所形成的空氣膜的干涉環(huán)直徑測(cè)量時(shí)可根據(jù)凸透鏡曲率半徑的大小，