等厚干涉实验及其应用
等厚干涉实验及其应用
等厚干涉实验是光学领域中一个重要的实验，通过观察光在不同厚度的介质中反射时产生的干涉现象，可以深入理解光的波动性。本文将详细介绍等厚干涉实验的理论背景、相关仪器的使用方法以及具体的实验步骤，帮助读者掌握这一经典物理实验。
等厚干涉实验的理论背景
自牛顿时代起，科学家们就开始对光的本质进行深入探索。等厚干涉现象的研究是光学发展历程中的重要组成部分。17 世纪，牛顿通过著名的牛顿环实验，首次观察到了等厚干涉现象，这为后来光的波动性理论的发展提供了重要的实验依据。
在理论背景方面，等厚干涉基于光的波动性质。当光照射到厚度不均匀的透明薄膜或两个紧密接触的光学表面时，由于光在不同表面反射的光程差不同，满足一定条件时会产生干涉现象。这种干涉现象与光的波长、薄膜厚度以及折射率等因素密切相关。通过对等厚干涉的研究，可以深入理解光的传播、反射、折射等基本规律，以及光的波动性所带来的独特现象。
在实际应用背景中，等厚干涉实验有着广泛的用途。例如，在精密光学元件的制造和检测中，等厚干涉可以用来测量透镜的曲率半径、表面平整度等参数，确保光学元件的质量。在材料科学领域，等厚干涉可用于研究薄膜的厚度和折射率，为新材料的研发提供重要的技术手段。此外，在半导体工业中，等厚干涉也被用于检测芯片表面的平整度和厚度均匀性，对提高电子产品的性能和可靠性起着关键作用。
等厚实验相关仪器介绍
1. 读数显微镜
读数显微镜是实验室常用的光学仪器之一，其用途十分广泛。实验中，用于观察和测量牛顿环等厚干涉条纹。它可以对物体进行放大，并配备有刻度标尺和测微鼓轮等部件，能够精确测量条纹的位置、直径或间距等参数。通过读数显微镜，实验者可以清晰地看到牛顿环的干涉条纹，并准确读取相关数据以进行分析和计算。
实验室中常用的读数显微镜为JCD-3型，其基本结构如图2.7.6所示。读数显微镜实际上是具备了测量微小长度功能的显微镜。它的目镜中加有十字叉丝，用以对物像进行定位。它的螺旋测微装置可以带动镜筒平移（有的是带动被测物件平动），即叉丝在被测物像上平移。平移前后叉丝位置读数（位置读数由测微装置给出）之差即为被测物像前后两点间的距离。读数显微镜适用于游标卡尺、螺旋测微器难以测量的对象，如细孔内径、刻痕宽度等。
本实验使用的读数显微镜纵向测量范围50mm（纵向主尺），最小读数0.01mm（测微鼓轮）；升降方向上测量范围40mm（竖直卡尺），最小读数0.1mm。目镜可用锁紧螺钉固定于任一位置，棱镜室可在360°方向上旋转。物镜是用丝扣拧入镜筒内，调焦手轮可使镜筒上下移动完成物镜的调焦。转动测微鼓轮，镜筒沿导轨作纵向移动，移动的距离由量程为50mm的主尺和被分为100等份的测微鼓轮读出。测微鼓轮读数原理与螺旋测微器一样，鼓轮每旋转一周，镜筒纵向移动1mm，因此测微鼓轮的最小分度值为0.01mm。读数时，先读主尺（只读到毫米位），再读测微鼓轮上的读数（注意估读一位），读数精度可达到以毫米为单位的小数点后三位。
2. 牛顿环装置
牛顿环装置是由一块曲率半径较大的平凸透镜和一块光学平面玻璃片组成。平凸透镜的凸面与平板玻璃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。框架上有三个螺钉，用来调节透镜与之间的压力，即改变空气层的厚度，以改变牛顿环的形状和位置。调节螺钉时，不能过紧，以免接触压力过大引起凸透镜的弹性形变。
3. 单色光源
通常使用钠光灯作为单色光源，其发出的光波长较为单一稳定（波长约为589.3纳米），能满足等厚干涉实验对光源单色性的要求。单色光有利于产生清晰、稳定的干涉条纹，便于观察和测量。
等厚干涉实验步骤详解
1. 实验准备
（1）熟悉实验仪器：了解读数显微镜、牛顿环装置、单色光源等仪器的结构和使用方法。
（2）检查仪器状态：检查读数显微镜的目镜和物镜是否清洁，牛顿环装置是否有损坏，单色光源是否正常发光。
2. 调整实验装置
（1）放置牛顿环装置：将牛顿环装置放置在读数显微镜的载物台上，使牛顿环的中心大致与显微镜的光轴重合。
（2）调整光源位置：将单色光源放置在合适的位置，使光线能够垂直入射到牛顿环装置上。可以使用 45 度反射平面玻璃来调整光路，确保入射光近乎垂直。
（3）调整读数显微镜：
① 调节目镜，使十字叉丝清晰可见。
② 转动调焦手轮，使物镜逐渐接近牛顿环装置，直到能够清晰地看到牛顿环的干涉条纹。
③ 调整目镜和物镜的位置，使十字叉丝与干涉条纹平行，且叉丝交点位于干涉条纹的中心。
3. 开始实验
（1）借助室内灯光，用眼睛直接观察牛顿环装置，调节牛顿环装置上的三个螺钉，使牛顿环中心大致位于装置的中心并呈圆环形，注意螺钉不能拧得过紧，以免使凸透镜变形。
（2）将仪器按图3.46所示布置好。点亮钠光灯5~6分钟后，将反光镜调至背光状态。然后，调节半反镜G，使其与水平方向的夹角约为45°。光源s发出的光照射到半反镜G后，其中一部分光由G向下反射进入牛顿环装置。进入牛顿环装置的光会在牛顿环装置内部空气间隙的上、下两表面再次发生反射。两束反射光透过半反镜G进入读数显微镜的物镜，并形成干涉图样。调节半反镜G的倾斜角度，使读数显微镜目镜中呈现出尽可能明亮的黄光视场。
图2.7.7牛顿环干涉示意图 图2.7.8叉丝的位置 (a)正确 (b) 错误
（3）对读数显微镜的目镜进行调焦，使目镜中看到的叉丝最为清晰。改变牛顿环装置在工作台上的位置，使目镜中的叉丝交点对准牛顿环的中心。旋转调焦手轮，使镜筒向下靠近牛顿环装置（但不要碰上）。然后，自下而上的调节镜筒高度，直至在目镜中看到清晰的干涉条纹（注意条纹与测量叉丝之间应无视差）。调节目镜中叉丝的方向，使其中一根与显微镜移动的方向垂直。这样可使这根叉丝在镜筒移动时始终保持与干涉条纹相切，如图2.7.7所示。若叉丝的方向如图2.7.8所示，则测量将会产生较大误差。
4. 实验测量
（1）用读数显微镜测量牛顿环直径。牛顿环中心条纹较宽，且有些模糊，因此测量时至少要从第5环开始。为了提高测量精度及计算方便，()取10。为兼顾两方面，本实验取n=5、m=15。具体的测量方法如下：
（2）旋转测微鼓轮使叉丝在目镜视野中向左移动，从牛顿环中心开始向左数暗环环数，数到20环后（消除回程误差），反方向旋转测微鼓轮。从左15环（中心左侧）的位置开始记录位置读数，记为x左m，继续向右数，直至纵叉丝与左5环外切，记录相应位置读数x左n。继续旋转测微鼓轮使叉丝接着向右移动，并经过牛顿环的中心，然后依次与右侧第5环、第15环内切，记录相应的位置读数x右n、x右m。在测量某一条纹的直径时，左侧测的是条纹的外切位置，右侧测的是条纹的内切位置，这两个位置之间的距离接近于条纹的直径，这样可以减小条纹宽度带来的误差。测量时应注意测微鼓轮不能回旋，要始终沿着一个方向旋转，以免产生回程误差，并且竖直叉丝要与显微镜的移动方向垂直，始终与各个暗环相切。旋转测微鼓轮将叉丝平移回牛顿环中心，原地旋转牛顿环装置若干角度，重复、测量6次，并记录。