等厚干涉实验装置

1.本实用新型涉及干涉实验装置技术领域，尤其涉及一种等厚干涉实验装置。


背景技术：

2.等厚干涉实验是光学代表性实验之一。其中牛顿环和劈尖干涉实验最为典型。该实验通过读数显微镜对牛顿环和劈尖的干涉条纹进行测量，进而计算出平凸透镜的曲率半径或劈尖所夹物体的微小厚度。在目前测量曲率半径的实验过程中，实验者需要长时间专注观察显微镜下明暗相间的干涉条纹，很容易产生视觉疲劳，从而导致测量不准确。另外，由于显微镜下看到的视野有限，无法演示，导致学生在理解其现象时常常感到抽象费解，观测效果不佳。


技术实现要素：

3.本实用新型提供一种等厚干涉实验装置，用以解决现有技术中等厚干涉实验存在的容易产生视觉疲劳，观测效果不佳的缺陷。
4.本实用新型提供一种等厚干涉实验装置，包括：激光器、滤波机构、扩束镜、第一凸透镜、第二凸透镜、干涉条纹发生机构、半反射镜和光屏；其中，
5.所述滤波机构、所述扩束镜和所述第一凸透镜依次设置且均位于所述激光器的光轴上；
6.所述半反射镜倾斜设置于所述第一凸透镜发出的平行光路上，所述半反射镜、所述第二凸透镜和所述光屏依次设于所述干涉条纹发生机构的光路上。
7.根据本实用新型提供的等厚干涉实验装置，所述滤波机构包括第一傅里叶透镜、小孔屏和第二傅里叶透镜，所述第一傅里叶透镜、所述小孔屏和所述第二傅里叶透镜依次设置于所述激光器的光轴上。
8.根据本实用新型提供的等厚干涉实验装置，所述激光器与所述第一傅里叶透镜之间的距离、所述第一傅里叶透镜与所述小孔屏之间的距离、所述小孔屏与所述第二傅里叶透镜之间的距离、所述第二傅里叶透镜与所述扩束镜之间的距离均相等。
9.根据本实用新型提供的等厚干涉实验装置，所述干涉条纹发生机构为牛顿环实验机构或劈尖实验机构。
10.根据本实用新型提供的等厚干涉实验装置，所述激光器为半导体激光器。
11.根据本实用新型提供的等厚干涉实验装置，还包括样品架，所述样品架设于所述半反射镜的上方，用于放置样品。
12.根据本实用新型提供的等厚干涉实验装置，还包括第一移动测量装置，所述第一移动测量装置包括第一固定座、第一手柄、第一丝杠机构和第一刻度尺，所述第一手柄通过所述第一丝杠机构与所述样品架连接，用于驱动所述样品架移动，所述第一丝杠机构和所述第一刻度尺均设于所述第一固定座上，且所述第一刻度尺与所述第一丝杠机构平行且相对设置，用于测量所述样品架移动距离。
13.根据本实用新型提供的等厚干涉实验装置，在所述光屏的中央刻有十字叉丝。
14.根据本实用新型提供的等厚干涉实验装置，还包括第二移动测量装置，所述第二移动测量装置包括第二固定座、第二手柄、第二丝杠机构和第二刻度尺，所述第二手柄通过所述第二丝杠机构与所述光屏连接，用于驱动所述光屏移动，所述第二丝杠机构和所述第二刻度尺均设于所述第二固定座上，且所述第二刻度尺与所述第二丝杠机构平行且相对设置，用于测量所述光屏移动距离。
15.本实用新型提供的一种等厚干涉实验装置，将干涉条纹通过第二凸透镜放大，并成像在光屏上，利用肉眼即可观察到干涉条纹，方便观察和测量，无需使用显微镜进行观测，避免了视觉疲劳，观测效果好，有利于实验展示。
附图说明
16.为了更清楚地说明本实用新型或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是本实用新型提供的等厚干涉实验装置的结构示意图；
18.图2是本实用新型提供的牛顿环实验机构的结构示意图；
19.图3是本实用新型提供的牛顿环的光路示意图；
20.图4是本实用新型提供的劈尖实验机构的结构示意图；
21.图5是本实用新型提供的劈尖的光路示意图；
22.图6是本实用新型提供的第一移动测量装置的结构示意图；
23.附图标记：
24.1：激光器；
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2：傅里叶透镜；
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3：小孔屏；
25.4：扩束镜；
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5：第一凸透镜；
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6：牛顿环实验机构；
26.7：半反射镜；
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8：第二凸透镜；
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9：光屏；
27.10：劈尖实验机构；
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11：第一固定座；
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12：第一丝杠机构；
28.13：第一刻度尺。
具体实施方式
29.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
30.下面结合图1至图5描述本实用新型的一种等厚干涉实验装置。该等厚干涉实验装置，是基于光学放大法观测干涉条纹，无需使用显微镜，可肉眼进行实验测量。
31.该等厚干涉实验装置包括：激光器1、滤波机构、扩束镜4、第一凸透镜5、第二凸透镜8、干涉条纹发生机构、半反射镜7和光屏9。
32.其中，滤波机构、扩束镜4和第一凸透镜5依次设置，且均位于激光器1的光轴上；
33.半反射镜7倾斜设置于第一凸透镜5发出的平行光路上，半反射镜7、第二凸透镜8和光屏9依次设于干涉条纹发生机构的光路上。
34.激光器1产生的激光经滤波机构滤波后，再由扩束镜4进行扩展，利用第一凸透镜5形成平行光，平行光照射在半反射镜7上，半反射镜7反射的光在干涉条纹发生机构(可采用牛顿环实验机构6或劈尖实验机构10)上形成干涉图像，再经过第二凸透镜8的放大，成像在光屏9上。
35.具体地，激光器1可采用半导体激光器1；可利用牛顿环或空气劈尖进行干涉实验；在光屏9的中央刻有十字叉丝，以便进行图像定位。
36.本实用新型提供的一种等厚干涉实验装置，将干涉条纹通过第二凸透镜8放大，并成像在光屏9上，利用肉眼即可观察到干涉条纹，方便观察和测量，无需使用显微镜进行观测，避免了视觉疲劳，观测效果好，有利于实验展示。
37.在其中一个实施例中，滤波机构包括第一傅里叶透镜、小孔屏3和第二傅里叶透镜，第一傅里叶透镜、小孔屏3和第二傅里叶透镜依次设置于激光器1的光轴上。进一步地，激光器1与第一傅里叶透镜之间的距离、第一傅里叶透镜与小孔屏3之间的距离、小孔屏3与第二傅里叶透镜之间的距离、第二傅里叶透镜与扩束镜4之间的距离均相等。在本实施例中，滤波系统为一种4f光学频谱滤波系统，其是典型的空间频谱滤波系统之一，它利用了透镜的傅里叶变换特性，把透镜作为一个频谱分析仪，并在频谱面上通过插入适当的滤波器，借以改变物象的频谱，从而使物象得到改善。本实施例中利用两个傅里叶透镜2(即第一傅里叶透镜和第二傅里叶透镜，两个傅里叶透镜2规格相同)搭建4f滤波系统，在频谱面上放入小孔屏3作为滤波器，对激光器1发出激光的杂散光进行消减，提高干涉条纹的清晰度。
38.在其中一个实施例中，干涉条纹发生机构为牛顿环实验机构6或劈尖实验机构10。
39.例如：如图2所示，牛顿环实验机构6是将平凸透镜的凸面放置在平板玻璃上。凸透镜的曲率半径为r，第k级暗环的半径为r
k
，光的波长为λ，则曲率半径计算公式为：
[0040][0041]
当已知光的波长为λ，测出r
k
便可算出曲率半径r，但在实际测量中，由于灰尘以及表面形变的关系，常采用m和n级暗环的直径d
m
和d
n
代替半径来计算，即：
[0042][0043]
本实验由于经过透镜放大来直接观察牛顿环图像，因此测得的环直径为放大之后的直径。根据薄透镜成像原理，由高斯成像公式：
[0044][0045]
可得放大倍数则m和n级暗环的直径d
m
和d
n
为
[0046][0047]
则测量公式应修正为：
[0048]
[0049]
其中d
′
m
与d
′
n
为测量值。
[0050]
通过以上的牛顿环实验机构6得到的牛顿环干涉图像如图3所示。
[0051]
例如：如图4所示，将厚度为e0的小物体夹在两块相叠的光学平玻璃板之间，会在板间形成一个空气劈尖。此时若用单色光垂直照射，在劈尖上下表面反射的两束光会发生干涉，形成一系列与玻璃板相交棱线平行且间隔相等的明暗直条纹，如图5所示。
[0052]
劈尖的全长为l，30级条纹的距离为光的波长为λ，则劈尖微小厚度e0计算公式为：
[0053][0054]
本实验中劈尖全长l的测量是通过平移劈尖并观察干涉条纹判断劈尖始末位置，再直接测量出劈尖全长。而30条干涉条纹间距是经过光学放大的，放大倍数与牛顿环一致为则：
[0055][0056]
则实际计算劈尖微小厚度的公式为
[0057][0058]
其中为测量值。
[0059]
在其中一个实施例中，该等厚干涉实验装置还包括样品架，样品架设于半反射镜7的上方，用于放置样品。
[0060]
在其中一个实施例中，如图6所示，该等厚干涉实验装置还包括第一移动测量装置(图中未示出)，第一移动测量装置包括第一固定座11、第一手柄、第一丝杠机构12和第一刻度尺13，第一手柄通过第一丝杠机构12与样品架连接，用于驱动样品架移动，第一丝杠机构12和第一刻度尺13均设于第一固定座11上，且第一刻度尺13与第一丝杠机构12平行且相对设置，用于测量样品架移动距离。在本实施例中，该第一移动测量装置可以实现手动移动样品架，并读出样品架移动距离。具体地，第一丝杠机构12由螺杆、螺母以及轴承组成，螺杆的两端固定在第一固定座11上，手动转动第一手柄带动螺母在螺杆上水平移动，从而带动固定在螺母上的样品架进行水平移动，通过第一刻度尺13可以观察到样品架的移动距离，从而方便测算和实验。
[0061]
在其中一个实施例中，该等厚干涉实验装置还包括第二移动测量装置(图中未示出)，第二移动测量装置包括第二固定座、第二手柄、第二丝杠机构和第二刻度尺，第二手柄通过第二丝杠机构与光屏9连接，用于驱动光屏9移动，第二丝杠机构和第二刻度尺均设于第二固定座上，且第二刻度尺与第二丝杠机构平行且相对设置，用于测量光屏9移动距离。与第一移动测量装置同理，本实施例中的第二移动测量装置可以实现手动移动光屏9，并读出光屏9移动距离。具体地，第二丝杠机构由螺杆、螺母以及轴承组成，螺杆的两端固定在第二固定座上，手动转动第二手柄带动螺母在螺杆上水平移动，从而带动固定在螺母上的光
屏9进行水平移动，利用十字叉丝进行定位，读出各级干涉条纹的位置，通过第二刻度尺可以观察到光屏9的移动距离，从而方便测算和实验。
[0062]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。