黃昊翀,江佳鑫,丁 琪,熊樹龍,張?zhí)鞕?quán),高 華,董愛國,劉 昊,肖 暢,鄭志遠(yuǎn)
(1. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)數(shù)理學(xué)院,北京 100083;2. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院,北京 100083)
法布里-珀羅干涉儀(以下簡稱F-P干涉儀)是一種結(jié)構(gòu)簡單,光譜分辨率高的多光束干涉光學(xué)度量儀器,其應(yīng)用范圍廣闊,被作為核心組件在溫度場、風(fēng)場等重要測量領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵性的作用。學(xué)習(xí)F-P干涉儀及光學(xué)干涉儀的基本原理和操作對高等院校理工科學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)、實驗動手能力提升以及物理思維啟發(fā)都有著積極的正面作用,是大學(xué)物理實驗課程的經(jīng)典教學(xué)實驗之一。F-P干涉儀測量鈉燈波長差”實驗?zāi)艹浞掷迷摳缮鎯x高光譜分辨率的特點,通過光學(xué)干涉手段解析鈉光燈微小的波長差值,一方面使學(xué)生充分了解F-P干涉儀的原理和結(jié)構(gòu);另一方面學(xué)習(xí)了干涉儀的操作流程及應(yīng)用知識,啟發(fā)學(xué)生將光學(xué)知識和自己相關(guān)專業(yè)結(jié)合提出更多的應(yīng)用實例,做到學(xué)以致用[1-12]。
F-P干涉儀的實驗內(nèi)容主要過程包括原理講解,干涉儀干涉條紋調(diào)節(jié)和測量及計算光源波長差。實驗中有以下3個方面的原因會導(dǎo)致實驗操作時間較長:
(1)在F-P干涉儀干涉圖樣調(diào)節(jié)中,需將兩片玻璃板調(diào)至嚴(yán)格平行狀態(tài),調(diào)節(jié)過程對于第一次接觸干涉儀的學(xué)生操作者有一定困難,一般情況下需要長時間調(diào)節(jié)才能獲得較清晰的干涉圓環(huán)以便后續(xù)測量;
(2)通過光源標(biāo)準(zhǔn)波長差值反推計算可知,微調(diào)鼓輪在測量過程中需轉(zhuǎn)動約30圈,單次測量即會消耗較長的時間;
(3)由于需進行逐差法計算數(shù)據(jù),保證消除測量誤差,同一物理量需多次數(shù)據(jù)測量。
原因(2)中的單次測量本身耗時較長,在此基礎(chǔ)上多次測量操作時間會出現(xiàn)成倍增長,因此在測量和結(jié)果誤差計算的過程中,學(xué)生因個體實驗技巧差異會出現(xiàn)完成整個實驗操作時間較長的現(xiàn)象。此外,F(xiàn)-P干涉儀作為光學(xué)實驗,需人眼長時間直視觀察光源和干涉圓環(huán),在實際教學(xué)過程中,長時間記錄和觀察操作的學(xué)生通常會出現(xiàn)視覺疲勞的狀態(tài),降低了實驗結(jié)果記錄的準(zhǔn)確性,也對接觸實驗的學(xué)生心理帶來一定的壓力和影響。因此,在保證實驗測量準(zhǔn)確性和精度的前提下,如何縮短實驗操作時間,減緩操作者視覺疲勞,提高實驗效率,讓首次接觸光學(xué)干涉儀實驗的學(xué)生在有限的時間內(nèi)能充分掌握儀器的操作流程,成為實際教學(xué)之中的重點。
本文對“F-P干涉儀測量鈉燈波長差實驗”提出了放大法調(diào)節(jié)干涉條紋并給出詳細(xì)的調(diào)節(jié)步驟,以及提出基于粗調(diào)鼓輪與微調(diào)鼓輪混合調(diào)節(jié)的有效改進方案,之后對改進方法和原傳統(tǒng)操作方式分別測量實驗數(shù)據(jù)結(jié)果,證明所提方法在保證測量準(zhǔn)確性的前提下可有效縮短實驗操作時間,同時探索和解決新方法產(chǎn)生的鼓輪補零問題。最后分別采用原方法和改進方法對鈉光燈進行測量,通過數(shù)據(jù)計算得到由實驗測出的波長差,并與標(biāo)準(zhǔn)值進行對比分析誤差,得出最終結(jié)論。
F-P干涉儀的基本原理可簡單總結(jié)為內(nèi)表度有高反射率膜的平行玻璃板通過調(diào)節(jié)間距測波長差。其核心部件是2片相向面鍍有高反射率膜的平行玻璃板,包括兩者之間的空氣層一起組成了F-P腔。通過儀器上的微調(diào)鼓輪和粗調(diào)鼓輪旋鈕,可精確調(diào)節(jié)空氣膜的厚度,即2片玻璃板之間間隙的寬度,由此改變干涉圓環(huán)的圖像形貌。
F-P干涉儀測量光源波長差實驗過程中,首先需將2片玻璃板調(diào)整至平行狀態(tài)。干涉儀的基本原理如圖1所示,其中p1和p2分別表示2片玻璃板,d代表 2片玻璃板間距,即空氣薄膜厚度,s代表入射光線,φ為光束在鍍膜表面上的傾斜角,數(shù)字分別代表了透射光和反射光。根據(jù)多束光干涉原理,鈉光燈光線入射經(jīng)過第一片玻璃板后到達(dá)空氣層,之后在第二片玻璃板高反射率膜表面形成反射光和透射光,其中反射光在2片玻璃板的高反射率膜間來回反射,之后繼續(xù)形成反射光和透射光。而由于2片玻璃板呈現(xiàn)平行狀態(tài),透射光部分為平行光,依次從第二片玻璃板后透射射出。透射平行光在無窮遠(yuǎn)處形成干涉,為了便于觀察,通常使用透鏡或望遠(yuǎn)鏡器件對射出光線完成匯聚。
圖1 F-P干涉儀多光束干涉的基本原理圖
傳統(tǒng)的鈉光燈波長差測量過程中,實驗者通過旋轉(zhuǎn)粗調(diào)鼓輪調(diào)節(jié)2片玻璃板之間的距離,使干涉圖樣的大小和形貌達(dá)到最佳觀測條件。之后通過旋轉(zhuǎn)微調(diào)鼓輪增加或減小2片玻璃板之間的間距改變光程差,同時觀察干涉條紋變化。由于鈉光燈的兩個波長等效于2個獨立的單色光源,在干涉面上會各自形成獨立的干涉圓環(huán),當(dāng)干涉圓環(huán)上某一位置的干涉光程發(fā)生變化時,根據(jù)等傾干涉的原理,干涉圓環(huán)整體會出現(xiàn)向外冒出或向里縮進的現(xiàn)象。而兩波長干涉形成的圓環(huán)由于波長值不同,向外冒出或向里縮進的速度會出現(xiàn)差異,從而周期性呈現(xiàn)如圖2所示的變化。圖中2組圓環(huán)分別代表波長較長的光線和波長較短的光線形成的干涉圖樣,假設(shè)初始狀態(tài)2套干涉圓環(huán)處于重疊狀態(tài),在2片玻璃板之間光程改變的過程中,干涉圖樣依次會出現(xiàn)2組圓環(huán)鑲嵌雙環(huán)狀態(tài),均勻圓環(huán)狀態(tài),2組圓環(huán)反向鑲嵌雙環(huán)狀態(tài),最終回到2組圓環(huán)重合狀態(tài)。整個變化定義為一個周期,在一個周期內(nèi)短波長形成的干涉圓環(huán)會比長波長多移動一個級次。
圖22組干涉圓環(huán)隨光程改變的變化規(guī)律
干涉條紋的調(diào)節(jié)是該實驗的重點和難點之一,由于調(diào)節(jié)難度較大、要求較高,學(xué)生在具體操作時往往會消耗較多時間去完成該項目的操作,現(xiàn)有實驗教學(xué)中的調(diào)節(jié)原理和目標(biāo)敘述較為概括,即將2片玻璃板調(diào)至完全平行的狀態(tài)。為指導(dǎo)學(xué)生更好更快地完成干涉條紋調(diào)節(jié),將F-P干涉儀條紋調(diào)節(jié)的步驟整理分為5步,在這一過程中加入放大透鏡和望遠(yuǎn)鏡,調(diào)節(jié)過程以2次對光源圖像的逐步放大為分界,具體步驟如下:
(1)調(diào)節(jié)內(nèi)容為旋轉(zhuǎn)兩塊玻璃板背后的黑色俯仰角螺絲以改變玻璃板角度,調(diào)節(jié)目標(biāo)為從外部觀察到鏡片互相平行,之后繼續(xù)調(diào)節(jié)使觀測區(qū)內(nèi)鈉黃光燈的重影重合消除。當(dāng)2片玻璃板接近平行狀態(tài)時,鈉黃光燈的多次反射透射像會處于同一位置,即重影通過重合方式消除,同時可以觀測到光源圖像上出現(xiàn)指紋狀圖形。
(2)完成第一次放大。在鈉黃光燈和F-P干涉儀之間放入一塊凸透鏡,凸透鏡的作用為對光源圖像的放大。在放大過程中根據(jù)透鏡成像原理,需注意保持透鏡與鈉黃光燈之間的距離,調(diào)節(jié)目標(biāo)為讓鈉黃光燈的黃光放大至盡量充滿觀測區(qū)。通過透鏡放大,玻璃板之間的微小傾角被同時放大,學(xué)生可以更好地通過觀測干涉條紋了解玻璃板的平行度。
(3)通過觀測區(qū)內(nèi)觀察干涉條紋,會出現(xiàn)光強分布不均勻干涉圓環(huán)。此時調(diào)節(jié)內(nèi)容為繼續(xù)慢速調(diào)節(jié)黑色俯仰角螺絲,調(diào)節(jié)速度和范圍需比上一步更小,調(diào)節(jié)目標(biāo)為在觀測區(qū)內(nèi)看到圓環(huán)圓心,同時調(diào)節(jié)圓環(huán)和光強分布的中心重合,達(dá)到盡量圓、盡量清晰的狀態(tài)。
(4)完成第二次放大。加入望遠(yuǎn)鏡觀察條紋,望遠(yuǎn)鏡的作用除匯聚平行光使之干涉之外,也起到放大的作用。
(5)調(diào)節(jié)內(nèi)容為微速調(diào)節(jié)黑色俯仰角螺絲,調(diào)節(jié)速度和范圍需比上一步更小,調(diào)節(jié)目標(biāo)為在望遠(yuǎn)鏡內(nèi)觀察到清晰度好、對比度高的干涉圓環(huán)。當(dāng)觀測到清晰度較差、較模糊的圖像時,也可改用微調(diào)精度螺絲調(diào)節(jié),使圖像達(dá)到清晰度高的狀態(tài)。
按照上述步驟操作,可以有效幫助學(xué)生完成干涉圓環(huán)的調(diào)節(jié),相比直接進行調(diào)節(jié)要節(jié)省時間和降低難度。
傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方法利用微調(diào)鼓輪精確改變空氣層厚度,測量條紋變化一個周期所改變的光程差,從而計算光源的波長差。在實驗操作過程中,根據(jù)已知數(shù)據(jù)可知,實驗人員每一個周期需旋轉(zhuǎn)大約數(shù)10圈的微調(diào)鼓輪,同時長時間觀察干涉圓環(huán)的變化情況,本文中所提改進方法主要聚焦于微調(diào)鼓輪操作上所展開的研究。
針對該問題,提出雙鼓輪混合調(diào)節(jié)測量法來縮短測量時間,減少該實驗的視覺疲勞誤差。改進方法的原理主要基于儀器上粗調(diào)鼓輪與微調(diào)鼓輪的關(guān)系,微調(diào)鼓輪旋轉(zhuǎn)一圈會帶動粗調(diào)鼓輪行走一小格刻度,可通過粗調(diào)鼓輪直接調(diào)節(jié)數(shù)值去代替微調(diào)鼓輪的一圈轉(zhuǎn)動,基于此原理的粗調(diào)鼓輪與微調(diào)鼓輪混合調(diào)節(jié)法由此提出。該方法替代傳統(tǒng)的微調(diào)鼓輪測量方法能有效縮減操作時間和觀察時長,也就相應(yīng)緩解了實驗人員的視覺疲勞。但在測量過程中需特別注意微調(diào)鼓輪的“補零”過程,才能使整個測量過程準(zhǔn)確地獲得條紋周期變化的光程改變量。
粗調(diào)鼓輪與微調(diào)鼓輪混合調(diào)節(jié)法的具體流程如下:
(1)微調(diào)鼓輪操作。完成2片玻璃板的平行調(diào)節(jié)之后,需將微調(diào)鼓輪和粗調(diào)鼓輪完成初始調(diào)零,消除零點誤差。之后通過旋轉(zhuǎn)微調(diào)鼓輪,尋找某個便于觀察的干涉條紋形貌為起始圖形,之后旋轉(zhuǎn)微調(diào)鼓輪同時觀察干涉圓環(huán)冒出或縮進現(xiàn)象,記錄起始位置讀數(shù)。假設(shè)首個周期操作者無法提前探知一個干涉條紋變化周期中2片玻璃板之間光程差的改變量,可采用傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)微調(diào)鼓輪方法測量。通過首次測量和理論計算可知,微調(diào)鼓輪需轉(zhuǎn)動約30圈可以完整觀察到干涉條紋出現(xiàn)如圖2所示的一個周期的變化。
(2)粗調(diào)鼓輪操作。由上一步測量數(shù)據(jù)可知,可用粗調(diào)鼓輪直接旋轉(zhuǎn)20小格刻度即2大格刻度,來替代微調(diào)鼓輪前20圈的轉(zhuǎn)動,達(dá)到同樣的玻璃板移動距離。在第二組數(shù)據(jù)測量時,可首先使用粗調(diào)鼓輪替代微調(diào)鼓輪調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn),粗調(diào)鼓輪的轉(zhuǎn)動方向需和微調(diào)鼓輪轉(zhuǎn)動方向一致,以消除系統(tǒng)的空程誤差。
(3)微調(diào)鼓輪操作。在完成粗調(diào)鼓輪的調(diào)節(jié)之后,繼續(xù)通過微調(diào)鼓輪旋轉(zhuǎn)同時觀察條紋變化情況,進行干涉圖樣整個周期的測量。同樣,該次微調(diào)鼓輪調(diào)節(jié)時,轉(zhuǎn)動方向應(yīng)與粗調(diào)鼓輪方向相同。
(4)“補零”操作。由于微調(diào)鼓輪旋轉(zhuǎn)時可以帶動粗調(diào)鼓輪旋轉(zhuǎn),但粗調(diào)鼓輪直接旋轉(zhuǎn)時微調(diào)鼓輪并不會同時改變刻度,因此采用兩鼓輪混合調(diào)節(jié)法時,需特別注意“補零”問題,即任意時間調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)粗調(diào)鼓輪的前后,需保證微調(diào)鼓輪刻度處于零值位置。在實際測量中,完成微調(diào)鼓輪測量一個周期之后,如微調(diào)鼓輪的刻度線不在零點位置上,應(yīng)將微調(diào)鼓輪調(diào)節(jié)至零刻度位置,同時記錄該段距離改變量,計算在下一周期的距離總值之內(nèi)。只有完成補零操作之后,才可以繼續(xù)旋轉(zhuǎn)粗調(diào)鼓輪計數(shù),確保消除測量誤差。
以此類推,之后每一周期的調(diào)節(jié),均采用上述順序流程,即微調(diào)鼓輪先調(diào)零,后調(diào)粗調(diào)鼓輪旋轉(zhuǎn),最后微調(diào)鼓輪旋轉(zhuǎn),并記錄所得數(shù)據(jù)。因此在本文表格中,為表現(xiàn)該方法的過程記錄了3組數(shù)據(jù),分別為微調(diào)鼓輪補零操作,粗調(diào)鼓輪調(diào)節(jié)操作,以及微調(diào)鼓輪旋轉(zhuǎn)值,干涉條紋變化一個周期2片玻璃板之間距離的改變量為三者之和。
為了驗證所提方法測量的可行性,分別對傳統(tǒng)微調(diào)鼓輪調(diào)節(jié)法和混合調(diào)節(jié)法分別完成實驗記錄,比較兩者在測量準(zhǔn)確性上的異同。2組實驗調(diào)整到干涉條紋雙環(huán)重疊狀態(tài)開始實驗,同時均通過調(diào)零法消除零點誤差之后記錄數(shù)據(jù)。
為對比測量效果,首先采用傳統(tǒng)方法記錄實驗數(shù)據(jù),即直接通過微調(diào)鼓輪改變兩塊玻璃板之間的光程差值。分別由甲乙兩位不同操作者完成2組數(shù)據(jù)的記錄,通過列表法記錄測量的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)值共測量6組。實驗中可通過主刻度尺、粗調(diào)鼓輪和微調(diào)鼓輪的讀數(shù)直接記錄到位移玻璃板的位置刻度值d,同時表格中記錄了微調(diào)鼓輪大約轉(zhuǎn)動經(jīng)過的整數(shù)圈數(shù),記錄得到的2組數(shù)據(jù)如表格1所示。
表1 傳統(tǒng)記錄方法得到的實驗數(shù)據(jù)
從表格1的數(shù)據(jù)可知,在測量過程中,干涉條紋每出現(xiàn)一個周期變化,大約需要轉(zhuǎn)動微調(diào)鼓輪約 30圈,即對應(yīng)改變實際距離大約0.3 mm。傳統(tǒng)記錄方法表明,微調(diào)鼓輪在轉(zhuǎn)動過程中,實際帶動了粗調(diào)鼓輪轉(zhuǎn)動了超過20小格(即2大格),即粗調(diào)鼓輪刻度改變遠(yuǎn)大于0.2 mm,由此可知兩鼓輪混合調(diào)節(jié)法方案從理論上講可行。
采用雙鼓輪混合調(diào)節(jié)法的實驗同樣由上述實驗相同的甲乙2位操作者完成2組數(shù)據(jù)的記錄,數(shù)據(jù)記錄過程中,記錄的微調(diào)鼓輪“補零”操作轉(zhuǎn)動的距離刻度小格數(shù)值對計算結(jié)果并無影響,只是為了更形象表達(dá)記錄過程。之后記錄粗調(diào)鼓輪旋轉(zhuǎn)的刻度格數(shù),在本實驗中該值均為2大格,對應(yīng)實際距離值0.2 mm。最后記錄微調(diào)鼓輪旋轉(zhuǎn)的圈數(shù),即旋轉(zhuǎn)微調(diào)鼓輪直到觀察到干涉條紋回到初始狀態(tài)。測量實驗數(shù)據(jù)如表格 2所示,表格中的微調(diào)鼓輪補零刻度值、粗調(diào)鼓輪轉(zhuǎn)動刻度值和微調(diào)鼓輪旋轉(zhuǎn)整圈數(shù)三欄記錄內(nèi)容主要作用為還原和描述雙鼓輪混合調(diào)節(jié)法的操作流程,在實際實驗中只需和傳統(tǒng)微調(diào)鼓輪記錄法相同,記錄下最終刻度讀數(shù)即可。
完成實驗數(shù)據(jù)記錄之后,本文分別對傳統(tǒng)方法測量的數(shù)據(jù)和雙鼓輪混合調(diào)節(jié)法數(shù)據(jù)分別完成處理和分析,計算被測鈉光燈的波長差值。首先為減少隨機誤差影響,通過逐差法計算6組數(shù)據(jù)中平均間距Δd,由于鈉光燈的兩個波長λ1和λ2差值較小,兩者相乘可近似為鈉光燈平均波長平方,則鈉光燈的波長差 Δλ可表示為:
其中,鈉光燈的平均波長值為589.3 nm,已知鈉光燈波長差標(biāo)準(zhǔn)值為0.597 nm,可計算得到的光源波長差和標(biāo)準(zhǔn)值之間的誤差α。
通過傳統(tǒng)調(diào)節(jié)法測量得到的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理之后,可得兩組平均光程差值分別為Δd1=0.29869 mm和 Δd2=0.29837 mm,計算得到的波長差值分別為Δλ1=0.58133 nm和Δλ2=0.58195 nm,兩者通過計算得到誤差值分別為α1=2.6%和α2=2.5%。通過分析以上數(shù)據(jù)可知,2組測量結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)值之間的誤差均未超過5%。
表2 雙鼓輪混合調(diào)節(jié)法得到的實驗數(shù)據(jù)
之后對兩鼓輪混合調(diào)節(jié)操作法記錄的2組數(shù)據(jù)完成計算,計算得到每個條紋周期光程變化值分別為Δd3=0.29439 mm和Δd4=0.28921 mm,之后計算得到波長差分別為Δλ3=0.58982 nm和Δλ4=0.60038 nm,通過改進方法計算得到的波長差和標(biāo)準(zhǔn)值之間的誤差分別為α3=1.2%和α4=0.6%。
運用 Matlab軟件分別對傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方式第一組結(jié)果和雙鼓輪混合調(diào)節(jié)方式第一組結(jié)果做線性擬合分析,可得到結(jié)果分別如圖 3(a)和圖 3(b)所示。圖中紫色圓點代表所測數(shù)據(jù)值,橫坐標(biāo)為測量組數(shù),縱坐標(biāo)為位置值d,紅色實線代表線性擬合曲線,紅色虛線代表預(yù)測界。通過數(shù)據(jù)分析可知,圖 3(a)中的線性擬合曲線的R值為0.9999,均方根誤差結(jié)果為0.0060,圖3(b)中線性擬合曲線的R值為0.9998,均方根誤差結(jié)果為0.0080。結(jié)合圖形曲線分析可知,所提方法所測數(shù)據(jù)的線性度和傳統(tǒng)方法基本一致,線性擬合曲線和數(shù)據(jù)差值微小,可認(rèn)為測量結(jié)果符合真實線性變化情況,從另一個側(cè)面也驗證所提雙鼓輪混合調(diào)節(jié)法的可行性和準(zhǔn)確性。
通過數(shù)據(jù)結(jié)果對比得到的光源波長差值,改進方法在誤差率上幾乎相同甚至優(yōu)于傳統(tǒng)方法,同時有效地縮短了實驗的操作和觀察時間,緩解了操作者因長時間觀察圖形的視覺疲勞問題,在提高操作效率的同時也減小了因視覺疲勞而產(chǎn)生的測量誤差。
圖3 實驗數(shù)據(jù)的線性擬合曲線
本文首先對F-P干涉儀測量鈉燈波長差的實驗內(nèi)容中干涉儀的成像和測量原理進行簡單介紹,尤其針對干涉圓環(huán)調(diào)節(jié)過程和測量過程中長時間旋轉(zhuǎn)微調(diào)鼓輪旋鈕及觀察干涉條紋變化規(guī)律而導(dǎo)致的視覺疲勞和誤差問題開展討論和研究,給出了干涉圓環(huán)的逐步放大調(diào)節(jié)方法的詳細(xì)步驟和雙鼓輪混合調(diào)節(jié)改進方法來替換傳統(tǒng)的微調(diào)鼓輪調(diào)節(jié)方法。之后,為對比所提方法操作的可行性和測量的準(zhǔn)確性,分別由2位實驗人員采用傳統(tǒng)測量方法和改進測量方法,使用同一儀器對同一光源的波長差完成測量。通過計算對比分析得出的同一操作者完成實驗的數(shù)據(jù)結(jié)果,兩種方法的測量結(jié)果均在誤差范圍之內(nèi)。所提干涉圓環(huán)調(diào)節(jié)方法和雙鼓輪混合測量方法能有效縮短實驗所需時間,緩解操作者的視覺疲勞,進而提高數(shù)據(jù)測量的精確度,從理論分析和實際操作上均有很強的可行性。在實際教學(xué)過程中,放大干涉條紋調(diào)節(jié)方法可作為基礎(chǔ)實驗教學(xué)內(nèi)容,而雙鼓輪混合調(diào)節(jié)方法則可以作為提升實驗教學(xué)內(nèi)容,這2種方法能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思路及學(xué)習(xí)興趣,加深學(xué)生對該實驗的理解,可得到更好的教學(xué)效果。