專利名稱：多縫濾波雙縫干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)干涉技術(shù)領(lǐng)域，是以多縫濾波取代單縫濾波，使獲得的雙縫干涉條紋襯度遠(yuǎn)高于楊氏雙縫干涉條紋襯度。

背景技術(shù)：
1801年，托馬斯·楊提出了在物理學(xué)史上有著重要地位的楊氏實驗，即分波前雙縫(孔)干涉實驗。圖1為楊氏干涉實驗的原理示意圖，利用單縫S從非相干光中，濾出一些步調(diào)一致的相干光，雙縫S1和S2位于S的波前上，根據(jù)惠更斯原理，S1和S2可看作兩個新的波源。由于S1和S2是由同一點光源S發(fā)出的柱面波面上的兩個次級光源，因此S1和S2是一對有著固定相位差的相干光源，它們發(fā)出的子波疊加形成干涉場，在垂直于軸線放置的接收屏上生成一組穩(wěn)定的明暗相間的條紋。
圖5為楊氏雙縫干涉實驗光路圖。S位于S1和S2連線的中垂線上，以單色光照明屏ΣS，透過屏上的縫S的柱面波分別經(jīng)S1，S2到達(dá)接受屏上任意一點P(x′，y′)。來自S1，S2的波形成的光程差為 Δr＝r2-r1 相應(yīng)的相位差為 其中Z為屏∏與屏Σ的距離，d為雙縫S1和S2的間距。在傍軸近似條件下，即滿足 d2<<Z2， 式中ρM為觀測區(qū)域的最大橫向半徑，則依據(jù)|a|<1時的二項式展開式 可以略去r1、r2展開式中自變量x′、y′的二次方以上的高次項，從而得到近似式 這樣有 當(dāng)P點的位置滿足 Δr＝r2-r1＝mλ或Δφ＝2mπ (m＝0，±1，±2，…)(7) 時，兩次波在該點滿足干涉相長條件，產(chǎn)生干涉極大，從而形成亮紋；反之，當(dāng)P點位置滿足 或Δφ＝(2m+1)π (m＝0，±1，±2，…) (8) 時，兩次波在該點滿足干涉相消條件，產(chǎn)生干涉極小，從而形成暗紋。屏∏上的光強(qiáng)分布為 由上式可以得出，干涉條紋的形狀是一族與y′軸平行的等距直線。零級亮紋位于S1，S2的中垂面上，正負(fù)級條紋在其兩側(cè)對稱排列，越向外側(cè)干涉條紋的級別越高。干涉條紋的間距，即兩相鄰亮紋或兩相鄰暗紋之間的距離皆為 在實際上，利用普通可見光源進(jìn)行楊氏雙縫干涉實驗幾乎看不到干涉條紋。這是因為在實驗中，雖然可以利用單縫從非相干光中獲得相干光，但是這種方法要把大部分步調(diào)不一致的光濾除，獲得的相干光強(qiáng)度非常弱，從而由此得到的干涉條紋也非常弱，需要較長時間曝光，才能記錄到雙縫干涉條紋。因此，希望能找到一種能提高干涉條紋強(qiáng)度的方法，使得用可見光進(jìn)行楊氏雙縫干涉實驗成為可能，從而降低實驗的難度和成本。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開一種多縫濾波雙縫干涉儀，是基于對楊氏雙縫干涉儀的改進(jìn)，以特定間距的多縫濾波取代楊氏干涉儀中的單縫濾波，從而獲得襯度增強(qiáng)的干涉條紋，其襯度增強(qiáng)倍數(shù)與多縫的條數(shù)成正比。由于干涉條紋亮度得以大幅度增強(qiáng)，使得利用普通可見光源進(jìn)行雙縫干涉實驗變得簡單易行，降低雙縫干涉實驗的成本。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是 一種多縫濾波雙縫干涉儀，是基于對楊氏雙縫干涉儀的改進(jìn)，大幅度增強(qiáng)雙縫干涉條紋襯度，其以多縫濾波屏取代單縫濾波屏，多縫濾波屏上等間距相互平行的窄縫至少有兩條；當(dāng)多縫、雙縫和接收屏位置之間滿足一定的幾何關(guān)系時，獲得的雙縫干涉條紋襯度遠(yuǎn)高于楊氏雙縫干涉條紋襯度。
所述的多縫濾波雙縫干涉儀，其所述多縫、雙縫和接收屏位置之間一定的幾何關(guān)系，是由兩種方法確定 a)移動法 (1)在楊氏實驗裝置中，移動單縫濾波屏的位置，使干涉條紋在接收屏上移動一個周期的整數(shù)倍； (2)記錄下在(1)步狀況下這些單縫濾波屏上單縫的位置，并按照這些位置設(shè)置多縫濾波屏上的窄縫； b)計算法 通過下式計算的結(jié)果確定多縫濾波屏上的多縫的位置 其中，t為多縫濾波屏上等間距相互平行的窄縫之間的間距，d為雙縫濾波屏上兩條窄縫之間的間距，Zs是多縫濾波屏和雙縫濾波屏之間的距離，λ為照明單色光的波長，n為干涉的級數(shù)； 所述的多縫濾波雙縫干涉儀，其所述多縫濾波屏上等間距相互平行的窄縫，縫越多所得干涉條紋強(qiáng)度越強(qiáng)；實際應(yīng)用時以能清楚觀察到干涉條紋的襯度來確定多縫的數(shù)量。
所述的多縫濾波雙縫干涉儀，其利用多縫濾波屏將非相干光源分割成多個相互獨立的相干縫光源，其中每條縫都能獨立進(jìn)行雙縫干涉實驗； 由于多縫、雙縫和干涉條紋位置之間滿足一定的幾何關(guān)系，各縫光源產(chǎn)生的雙縫干涉條紋的位置重合，此時的干涉條紋的襯度增強(qiáng)了N倍，其襯度增強(qiáng)倍數(shù)與多縫濾波屏上的窄縫條數(shù)成正比。
所述的多縫濾波雙縫干涉儀，其用于測量均勻材料的折射率，其方法如下 a)將待測物體放置在雙縫濾波屏的一窄縫之后，并保證待測物體未遮擋經(jīng)另一窄縫發(fā)出的光波，測出其干涉條紋與未放置待測物體時產(chǎn)生的干涉條紋之間的偏移量； b)再根據(jù)下式算出待測物體的折射率 其中，d為雙縫濾波屏上兩條窄縫之間的間距，Z為雙縫濾波屏與接收屏之間的距離，T為放置待測物體前后干涉條紋的偏移量，l為待測物體的厚度。
本發(fā)明的優(yōu)點在于采用多縫濾波的方法進(jìn)行楊氏干涉實驗，由于每個縫光源產(chǎn)生的干涉條紋相重合，因而能獲得強(qiáng)度大幅度增強(qiáng)的雙縫干涉條紋，從而實現(xiàn)利用可見光源進(jìn)行楊氏干涉實驗，降低了實驗的難度和成本。



圖1是單縫濾波雙縫干涉原理示意圖； 圖2移動單縫，使雙縫干涉條紋在屏幕上移動一個周期的整數(shù)倍； 圖3是多縫濾波雙縫干涉原理示意圖； 圖4是多縫濾波雙縫干涉儀裝置示意圖； 圖5是楊氏雙縫干涉實驗原理圖； 圖6是多縫濾波雙縫干涉實驗原理圖。

具體實施例方式 圖4所示為多縫濾波雙縫干涉儀的裝置示意圖。本裝置可使用普通可見光源，由三個屏組成，第一個屏ΣS為多縫濾波屏，其上開多個等間距相互平行的窄縫(縫的數(shù)量以兩個以上，從理論上來說，縫越多所得干涉條紋強(qiáng)度越強(qiáng)，沒有限制)，作用是將普通非相干光照明變成多個相互獨立的相干光照明；第二個屏Σ為雙縫濾波屏，其上開雙縫，作用是產(chǎn)生一對有著固定相位差的相干光源，他們發(fā)出的子波疊加形成干涉場。第三個屏∏為接收屏，當(dāng)多縫、雙縫和接收屏位置之間滿足一定的幾何關(guān)系時，各個縫光源產(chǎn)生的雙縫干涉條紋位置就會重合，從而在接收屏∏上產(chǎn)生襯度增強(qiáng)的干涉條紋。
具體的研究方法如下。
在楊氏實驗裝置(圖1)中，移動單縫的位置，使干涉條紋在接受屏上移動一個周期的整數(shù)倍(圖2)；記錄下這些單縫的位置，并按照這些位置加工多縫；利用加工好的多縫再做楊氏干涉實驗(圖3)，即可獲得襯度增強(qiáng)的干涉條紋。
通過計算可直接獲得各多縫的精確位置。如圖6所示，假設(shè)S01為屏ΣS上與S0平行的一窄縫，S01與S0間距為t，S01與S1和S2的距離分別為R1′和R2′，則經(jīng)S01到達(dá)S1和S2的柱面波形成的光程差為 其中 式中Zs是屏ΣS和屏Σ的距離，在傍軸近似條件下可得到 當(dāng)經(jīng)S01到達(dá)S1和S2的光程差

與經(jīng)S0到達(dá)S1和S2的光程差ΔR(＝0)之間滿足 時，S01的雙縫干涉條紋和S0的雙縫干涉條紋重合，兩套條紋之間的橫向位移為一個周期，因此產(chǎn)生襯度加倍的干涉條紋。由此可以推出條紋襯度加倍條件，即縫S01與S0的間距為 利用多縫濾波雙縫干涉儀的實驗方法亦可測量未知材料的折射率，具體方法如下。假設(shè)一材質(zhì)均勻分布，折射率為n厚度為1的物體，放置在雙縫之一的S1之后(并保證待測物體未遮擋經(jīng)縫S2發(fā)出的光波)。其折射率可表示為 n＝1+δ (15) 經(jīng)過該物體的光波其相位的改變?yōu)? 假設(shè)待測物體厚度l<<Z，在這種情況下，經(jīng)由S1和S2到達(dá)接受屏上一點P的光波形成的光程差為 當(dāng)未放置待測物體時，亮紋位于S1，S2的中垂面與屏∏的交線上，放置待測物體后，零級亮紋產(chǎn)生的條件為 Δφ+Δφ1＝2mπ(m＝0) 將上式帶入(17)式，可得零級亮紋延x′軸方向有一平移 將(18)式代入(15)式，可得該物體的折射率為
權(quán)利要求
1.一種多縫濾波雙縫干涉儀，是基于對楊氏雙縫干涉儀的改進(jìn)，大幅度增強(qiáng)雙縫干涉條紋襯度，其特征在于以多縫濾波屏取代單縫濾波屏，多縫濾波屏上等間距相互平行的窄縫至少有兩條；當(dāng)多縫、雙縫和接收屏位置之間滿足一定的幾何關(guān)系時，獲得的雙縫干涉條紋襯度遠(yuǎn)高于楊氏雙縫干涉條紋襯度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多縫濾波雙縫干涉儀，其特征在于所述多縫、雙縫和接收屏位置之間一定的幾何關(guān)系，是由兩種方法確定
a)移動法
(1)在楊氏實驗裝置中，移動單縫濾波屏的位置，使干涉條紋在接收屏上移動一個周期的整數(shù)倍；
(2)記錄下在(1)步狀況下這些單縫濾波屏上單縫的位置，并按照這些位置設(shè)置多縫濾波屏上的窄縫；
b)計算法
通過下式計算的結(jié)果確定多縫濾波屏上的多縫的位置
其中，t為多縫濾波屏上等間距相互平行的窄縫之間的間距，d為雙縫濾波屏上兩條窄縫之間的間距，Zs是多縫濾波屏和雙縫濾波屏之間的距離，λ為照明單色光的波長，n為干涉的級數(shù)。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的多縫濾波雙縫干涉儀，其特征在于所述多縫濾波屏上等間距相互平行的窄縫，縫越多所得干涉條紋強(qiáng)度越強(qiáng)；實際應(yīng)用時以能清楚觀察到干涉條紋的襯度來確定多縫的數(shù)量。
4、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多縫濾波雙縫干涉儀，其特征在于利用多縫濾波屏將非相干光源分割成多個相互獨立的相干縫光源，其中每條縫都能獨立進(jìn)行雙縫干涉實驗；
由于多縫、雙縫和干涉條紋位置之間滿足一定的幾何關(guān)系，各縫光源產(chǎn)生的雙縫干涉條紋的位置重合，此時的干涉條紋的襯度增強(qiáng)了N倍，其襯度增強(qiáng)倍數(shù)與多縫濾波屏上的窄縫條數(shù)成正比。
5、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多縫濾波雙縫干涉儀，其特征在于用于測量均勻材料的折射率，其方法如下
a)將待測物體放置在雙縫濾波屏的一窄縫之后，并保證待測物體未遮擋經(jīng)另一窄縫發(fā)出的光波，測出其干涉條紋與未放置待測物體時產(chǎn)生的干涉條紋之間的偏移量；
b)再根據(jù)下式算出待測物體的折射率
其中，d為雙縫濾波屏上兩條窄縫之間的間距，Z為雙縫濾波屏與接收屏之間的距離，T為放置待測物體前后干涉條紋的偏移量，1為待測物體的厚度。
全文摘要
本發(fā)明多縫濾波雙縫干涉儀是基于對楊氏雙縫干涉儀的改進(jìn)，將楊氏雙縫干涉儀中的單縫濾波改為多縫濾波，利用多縫將非相干光源分割成多個相互獨立的相干縫光源，其中每一條縫都能獨立進(jìn)行雙縫干涉實驗；當(dāng)多縫、雙縫和干涉條紋位置之間滿足一定的幾何關(guān)系時，各個縫光源產(chǎn)生的雙縫干涉條紋位置就會重合，獲得的雙縫干涉條紋襯度遠(yuǎn)高于楊氏雙縫干涉條紋。本發(fā)明多縫濾波雙縫干涉儀，可以使利用普通可見光源進(jìn)行雙縫干涉實驗變得簡單易行，降低雙縫干涉實驗的成本，還可測量材料的折射率。
文檔編號G01N21/41GK101458211SQ200710179379
公開日2009年6月17日 申請日期2007年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月12日
發(fā)明者黃萬霞, 袁清習(xí), 朱佩平, 吳自玉 申請人:中國科學(xué)院高能物理研究所