牛頓環(huán)干涉裝置的應(yīng)用

光的干涉是一個(gè)重要的光學(xué)現(xiàn)象，為光的亮度提供了強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。利用透明薄膜(空氣層)上下表面對(duì)入射光的依次反射,入射光將被分成振幅不同且有一定光程差的兩部分,這是一種獲得相干光的重要途徑。由于兩束反射光在相遇時(shí)的光程差取決于產(chǎn)生反射光的薄膜厚度,同一條干涉條紋所對(duì)應(yīng)的薄膜厚度相同,這就是等厚干涉。而牛頓環(huán)是產(chǎn)生等厚干涉的典型裝置,其干涉現(xiàn)象應(yīng)用非常廣泛。1空氣薄膜上下表面主次反射法將一塊曲率半徑R較大的平凸透鏡的凸面置于光學(xué)平板玻璃上,在透鏡的凸面和平板玻璃的上表面間就形成一層空氣薄膜。當(dāng)平行的單色光垂直入射時(shí),入射光將在此薄膜的上下表面依次反射,產(chǎn)生具有一定光程差的兩束相干光。空氣薄膜厚度相同的地方形成相同的干涉條紋,干涉圖樣是以接觸點(diǎn)為中心的一系列明暗相間的同心圓環(huán),這就是牛頓環(huán)。設(shè)入射光波長(zhǎng)為某牛頓環(huán)半徑為r,對(duì)應(yīng)的空氣薄膜厚度為h,則空氣薄膜上下表面依次反射的兩反射光的光程差為:式中n是空氣折射率是光在平板玻璃上表面反射時(shí)產(chǎn)生的半波損失。R是平凸透鏡的曲率半徑,由幾何關(guān)系得:透鏡與平板玻璃之間為透明液體時(shí),公式(4)、(5)仍適用,采用暗紋的公式進(jìn)行計(jì)算更方便些。2牛頓環(huán)的應(yīng)用2.1透照直徑測(cè)量牛頓環(huán)的中心是一個(gè)不甚清晰的暗圓斑,這是由于接觸壓力引起玻璃形變而使接觸處為一圓面,或者是由接觸處可能存在的塵埃所產(chǎn)生的附加光程差造成的。這導(dǎo)致很難測(cè)準(zhǔn)干涉環(huán)的半徑rk,因此改測(cè)直徑Dk?？紤]到測(cè)量相鄰暗環(huán)的直徑時(shí),誤差較大,采用逐差法測(cè)兩不相鄰暗環(huán)直徑:在測(cè)量透鏡表面曲率半徑時(shí),都是在空氣的條件下測(cè)量,空氣的折射率n=1,則透鏡的曲率半徑為:牛頓環(huán)的級(jí)數(shù)需要較大些,這樣牛頓環(huán)中心的形變不會(huì)影響到所測(cè)量的直徑,級(jí)數(shù)越大,環(huán)紋的間距就越小,條紋比較模糊,容易產(chǎn)生視覺(jué)疲勞,不利于準(zhǔn)確測(cè)量;當(dāng)m很小時(shí),條紋很粗廓,也不利于準(zhǔn)確測(cè)量。所以級(jí)數(shù)的選取要適當(dāng),不能太大也不能太小,一般來(lái)說(shuō)取第11~30環(huán)比較合適。2.2空氣分辨率的計(jì)算折射率是液體的基本特性參量,有很多測(cè)量液體折射率的實(shí)驗(yàn),牛頓環(huán)等厚干涉現(xiàn)象為測(cè)量液體折射率提供了一種新的思路。取第i、j級(jí)暗紋,則有no是空氣折射率。由式(7)可知,透鏡的曲率半徑為當(dāng)凸透鏡與平板玻璃之間的間隙為液體時(shí),牛頓環(huán)的公式仍適用。在間隙中注滿液體,仍取第i、j級(jí)暗紋,此時(shí)暗紋的直徑變?yōu)閚是液體折射率,透鏡的曲率半徑為很容易得出空氣的折射率no=1,則求出液體折射率為:2.3長(zhǎng)時(shí)過(guò)濾面為凸面的原因中心將待測(cè)表面放在一平面標(biāo)準(zhǔn)件上,然后輕輕壓位于上面的待測(cè)透鏡,觀察牛頓環(huán)圖樣的變化。若中心有環(huán)涌出,各環(huán)半徑往邊緣擴(kuò)散,則可以判斷出待測(cè)的透鏡表面為凸面,這是由于在施壓時(shí),空氣薄膜厚度減小,相應(yīng)的,牛頓環(huán)的半徑增加;若中心有環(huán)淹沒(méi),各環(huán)半徑往中心收縮,這時(shí)可以判斷出透鏡的待測(cè)表面為凹面。2.4注兩方案第1款是第一方案,如果科技以往都是將標(biāo)準(zhǔn)件覆蓋在待測(cè)件的上面,根據(jù)光圈的形狀來(lái)判斷透鏡的表面規(guī)不規(guī)整,又來(lái)根據(jù)光圈的多少來(lái)判斷透鏡的曲率與樣板的曲率偏差的大小,還可以根據(jù)條紋的移動(dòng)情況來(lái)判斷透鏡的曲率偏大了還是偏小了。如果看不到牛頓環(huán),則表明兩者完全密合,說(shuō)明達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求;如果看到牛頓環(huán),則說(shuō)明被測(cè)的曲率半徑小于或者大于標(biāo)準(zhǔn)值。牛頓環(huán)越多,則說(shuō)明誤差越大。用手輕壓上面的標(biāo)準(zhǔn)件,若條紋往外擴(kuò)大,則說(shuō)明透鏡表面的曲率半徑偏大,應(yīng)該進(jìn)一步地研磨透鏡的中心部分;若條紋往中心收縮,則說(shuō)明透鏡表面的曲率半徑偏小,應(yīng)該進(jìn)一步地研磨透鏡的邊緣。如果想大致檢驗(yàn)光學(xué)元件表面質(zhì)量,當(dāng)透鏡出現(xiàn)缺陷時(shí),可以看到同一級(jí)牛頓環(huán)的兩端是不一樣的,一端是正常的,而另一端卻有更大的彎曲,使牛頓環(huán)紋不再是一個(gè)正常的圓。找到牛頓環(huán)不正常的地方,那里是透鏡有缺陷的地方,并會(huì)發(fā)現(xiàn)不正常的牛頓環(huán)的兩端的r是不一樣的,根據(jù)會(huì)發(fā)現(xiàn)兩端的高度是不一樣的,算出兩端的高度,求出高度差來(lái)反映缺陷的情況,即可對(duì)透鏡的缺陷情況進(jìn)行估計(jì)。3牛頓環(huán)的應(yīng)用根據(jù)上面的敘述可以看出,牛頓環(huán)裝置的等厚干涉現(xiàn)象原理簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛、易于操作。對(duì)上面