1、近代物理實驗 實驗論文 光信息科學(xué)與技術(shù) 姓名：呂忠燁 學(xué)號：0572421 對塞曼效應(yīng)實驗中若干問題的討論摘要：本文討論了塞曼效應(yīng)實驗中的若干問題，尤其是對氣壓掃描式FP干涉儀的原理和調(diào)節(jié)方法做了詳細(xì)的論述，并對計算機(jī)處理的方法提出了一種改進(jìn)的設(shè)想。關(guān)鍵詞：塞曼效應(yīng) FP干涉儀 調(diào)節(jié) 干涉圓環(huán) 計算機(jī)處理 改進(jìn)引言：塞曼效應(yīng)是繼法拉第效應(yīng)和克爾效應(yīng)之后被發(fā)現(xiàn)的第三個磁光效應(yīng)，是物理學(xué)的重要發(fā)現(xiàn)之一1。塞曼效應(yīng)實驗的主要內(nèi)容是觀察汞原子546.1nm譜線的分裂現(xiàn)象以及它們的偏振狀態(tài)；由塞曼裂距計算電子的荷質(zhì)比。目前，塞曼效應(yīng)實驗主要有以下四種方法：拍攝底片法，直接觀察法，函數(shù)記錄儀法和微機(jī)塞曼

2、效應(yīng)實驗儀法。我們采用的是函數(shù)記錄儀的方法，但用計算機(jī)取代了XY函數(shù)記錄儀。要圓滿完成實驗內(nèi)容，首要的問題是：如何準(zhǔn)確的調(diào)整實驗系統(tǒng)使測量顯微鏡內(nèi)呈現(xiàn)出清晰的分裂譜線。這是實驗的難點(diǎn)和關(guān)鍵。理論：1影響同心干涉圓環(huán)清晰度的因素主要有以下幾點(diǎn)：1 進(jìn)入FP標(biāo)準(zhǔn)具的光要求是勻強(qiáng)磁場范圍內(nèi)光源發(fā)出的光，而且近似平行入射。圖1實驗裝置簡圖如圖1所示，根據(jù)分裂譜線的波數(shù)差公式： 分裂譜線的波數(shù)差與其光源處磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小成正比。如果磁場不均勻，分裂譜線的波數(shù)差就不相等，同心干涉圓環(huán)就不可能清晰。要保證磁場均勻應(yīng)保證兩點(diǎn)：（1）兩磁極之間的距離要盡可能的小，以恰好放入汞燈管為合適。（2）進(jìn)入FP標(biāo)

3、準(zhǔn)具的光一定是處于磁極中心位置的那部分光源發(fā)出的光。要保證這一點(diǎn)，既要做到使光源處于會聚透鏡的前焦平面上，并且會聚透鏡與FP標(biāo)準(zhǔn)具要有足夠的距離，這個距離要求在會聚透鏡的五倍以上；又要求光學(xué)系統(tǒng)很好的共軸。2 合理選擇偏振片的位置。從原理上偏振片位置不影響觀測效果，但實驗中偏振片有不均勻性。經(jīng)實驗證明，偏振片放在會聚透鏡和濾光片之間時同心干涉圓環(huán)最清晰。23 FP標(biāo)準(zhǔn)具鏡片平行度的調(diào)整這是整個實驗的關(guān)鍵，也是最麻煩，最難的一步。我們采用的是氣壓掃描式FP干涉儀。首先應(yīng)該用自準(zhǔn)直法調(diào)節(jié)使FP標(biāo)準(zhǔn)具平板與光軸垂直。當(dāng)鏡片不平行時，相當(dāng)于楔形平板干涉，形成等厚干涉直條紋。=2ndcos+/2=m,觀

4、察視場中的一點(diǎn)，d一定，增大壓強(qiáng)，折射率增加，光程差增大，條紋向級次增大方向移動，也就是d減小的方向，因此應(yīng)該增大那一方向的d；當(dāng)鏡片平行時，相當(dāng)于平行平板干涉，形成等傾干涉的同心圓環(huán)條紋。=2ntcos+/2=m，觀察視場中的一點(diǎn)，t一定，增大壓強(qiáng)，條紋應(yīng)陷入。2 下面重點(diǎn)介紹一下氣壓掃描的原理。1.步進(jìn)電機(jī)的作用是驅(qū)動封閉壓縮系統(tǒng)，改變壓強(qiáng)P。2.半導(dǎo)體壓力傳感器可以給出與壓強(qiáng)成正比的電信號U=K1P。3.將這個電信號反饋到步進(jìn)電機(jī)控制電路，調(diào)整步進(jìn)電機(jī)步速，以保證光程差有良好的線性變化（=2ntcos+/2）。要保證有良好的線性變化，因為，d和都是定值，所以只要保證n有良好的線性變化。已

5、知?dú)怏w的折射率n與壓強(qiáng)P成正比n=K2P=K2U/K1 ，因此實質(zhì)上就是要設(shè)計電路控制系統(tǒng)，使FP標(biāo)準(zhǔn)具鏡面間的氣體壓強(qiáng)有良好的線性變化。圖24.如圖2，在直接觀察測量中，我們選定了一確定波長和一確定折射率n，光程差=2ntcos+/2，考慮光在金屬表面反射的相位變化，I=I0/1+4Rsin2(/2)/(1-R)2，其中 =4ntcos/+2。 根據(jù)輸出光強(qiáng)極大條件=2m，m=2ntcos/+/。在式子中只有是變量，即級次m只由確定。對于同一波長，同心干涉圓環(huán)相鄰級次的條紋間距相等。圖3再來看氣壓掃描FP干涉儀的情況。在式子m=2ntcos/+/中，只有n是變量，即級次m只由n確定。因此當(dāng)改

6、變壓強(qiáng)以改變折射率n時，干涉條紋應(yīng)陷入或長出。假設(shè)圖3左圖對應(yīng)直接觀察測量時的波長和折射率n1=n，則光強(qiáng)為I1處的級次m1=2n1tcos1/+/,光強(qiáng)為I0處的級次m2=2n1tcos2/+/；上面右圖對應(yīng)波長為，折射率為n2，令折射率滿足2n2tcos2/+/=m1,易得出m1-m2=2（n2-n1）tcos2/，（n2-n1）= （m1-m2）/2tcos2 ，U2-U1=（K1/K2）（m1-m2）/2tcos2，即U=Cm，其中C=（K1/K2）/2t cos2 ，是一常數(shù)。這樣我們就成功的把長度的測量轉(zhuǎn)換成電壓的測量。3 對計算機(jī)處理方法改進(jìn)的設(shè)想上圖對比了四種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，從中

7、我們可以看出主要考慮的因素包括：成本，調(diào)節(jié)難易，直觀性，精確度，耗時以及眼睛的疲勞度。我們所采用的方法精確度很高，省時，也不需要消耗什么材料，但調(diào)節(jié)比較難，直觀性也較差。為了提高直觀性，我有一種改進(jìn)計算機(jī)處理方法的設(shè)想：由上面的討論我們知道，在下圖中，橫坐標(biāo)是掃描電壓U，而真正有意義的是U，所以我們可以把下圖的各個波峰轉(zhuǎn)換成一組同心圓環(huán)，圓環(huán)的直徑差等于對應(yīng)波峰的掃描電壓差，并且圓環(huán)線的亮度由波峰的高度來決定，這樣就能比較直觀的反映塞曼效應(yīng)。小結(jié)：本文的思路比較明確：討論了塞曼效應(yīng)實驗中的幾個關(guān)鍵問題，著重介紹了氣壓掃描式P干涉儀的工作原理和調(diào)節(jié)方法，同時給出了一種改進(jìn)計算機(jī)處理軟件的方法，這種方法既保留了原實驗方法高精確度，省時，成本小的優(yōu)點(diǎn)，又