Na黃光的相干長度測量與原子發(fā)光時間的估計

袁 泉,張玉璞,李 義,敬曉丹,邱忠媛,王文新,符 偉

(遼寧工業(yè)大學(xué),遼寧錦州 121001)

Na黃光的相干長度測量與原子發(fā)光時間的估計

袁 泉,張玉璞,李 義,敬曉丹,邱忠媛,王文新,符 偉

(遼寧工業(yè)大學(xué),遼寧錦州 121001)

利用邁克爾遜干涉儀測量了Na黃光的波長、相干長度,獲得了波長差。與光柵衍射方法獲得的Na黃光的波長、波長差的進行比較,結(jié)果表明利用邁克爾遜干涉儀測量Na黃光波長、波長差與光柵衍射方法測量結(jié)果一致;同時,利用相干長度的結(jié)果,估算了Na原子發(fā)光的延續(xù)時間和Na原子發(fā)出的一個波列的長度。

Na黃光;薄膜干涉;相干長度;實驗測量

為了獲得光的干涉現(xiàn)象,應(yīng)將一個原子的一次發(fā)光分成兩束后再相遇,這樣兩束光滿足相干條件,可以在相遇區(qū)域內(nèi)觀察到明暗相間、穩(wěn)定的干涉圖樣[1]。在實驗室中觀測薄膜干涉現(xiàn)象常用He-Ne激光和Na光源。由于Ne-He激光幾乎為單一波長,觀察薄膜干涉現(xiàn)象時儀器調(diào)節(jié)容易、快捷,干涉現(xiàn)象便于觀察,因此邁克爾遜干涉儀(WSM-100)實驗大多數(shù)采用He-Ne激光光源。而Na光源作為普通光源,與He-Ne激光相比,發(fā)出的是一個個更短長度的波列,由于Na光源發(fā)出的是含有兩種波長相近的黃光,存在波長差,使用Na光源觀測薄膜干涉時,邁克爾遜干涉儀的調(diào)節(jié)相對復(fù)雜、不易觀察到干涉現(xiàn)象。

實驗將使用邁克爾遜干涉儀觀測Na黃光的等傾干涉圖樣,獲得Na黃光的波長、相干長度、波長差,揭示光源的波長差與干涉薄膜的厚度、相干長度間有緊密的聯(lián)系。同時對介質(zhì)膜的厚度、原子發(fā)光的延續(xù)時間進行半定量的估計,將邁克爾遜干涉儀獲得的Na黃光的波長、波長差的實驗結(jié)果與利用光柵、分光計(型號JJYT)測量結(jié)果進行比較,說明測量結(jié)果的合理性。

1 邁克爾遜干涉儀測量波長

1.1 實驗原理

如圖1(a)所示,兩個光學(xué)平面鏡M2和M1嚴格垂直時,M2的虛像M′2與M1平行,二者之間構(gòu)成厚度為d的“空氣薄膜”,Na黃光入射G1后分成兩束光,在P點相遇后觀察等傾干涉圖樣如圖1(b)所示。移動M1而使“空氣薄膜”的厚度改變時,整個同心圓的中心點的干涉條紋發(fā)生移動。移動的干涉條紋數(shù)N和M1移動的距離Δd之間滿足[1]

圖1 (a)裝置和光路圖

圖1 (b)邁克爾遜干涉儀觀察等傾干涉條紋圖像

1.2 邁克爾遜干涉儀測量鈉光波長的實驗數(shù)據(jù)

Na黃光的等傾干涉實驗中,調(diào)整光學(xué)平面鏡[2]M1嚴格垂直M2,移動的條紋數(shù)N=250,M1移動的距離為Δd=x2-x1,測量的實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 邁克爾遜干涉儀測量Na黃光的波長實驗數(shù)據(jù)(單位:mm)

Na黃光的平均波長表示為:

2 邁克爾遜干涉儀測量相干長度

2.1 實驗原理

Na光含有波長相近的λ1黃光1和波長為λ2的黃光2。當這兩種波長的光通過干涉裝置后,每一種波長的光都產(chǎn)生自己的一套干涉條紋。因為波長不同,除零級干涉條紋外的其它同級次的干涉條紋將彼此錯開,并發(fā)生不同級次的條紋重疊,將影響到干涉圖樣的清晰度。

為了描述干涉圖樣的清晰程度,引入可見度[1](或?qū)Ρ榷?、反襯度),它是相干疊加的判據(jù),其定義為

式中Imax,Imin分別為干涉圖樣中明紋的最大光強和暗條紋的最小光強。

這時,波長為λ1的黃光干涉暗紋的位置,恰好是λ2光波形成明紋的位置。如果這兩列波長強度相等,則由定義,在這些位置條紋的可見度為零。從某一可見度為零到相鄰的下一次可見度為零,一個波長暗條紋和另一波長的明條紋恰好顛倒。即如果第一次可見度為零時,λ1為暗條紋,那么第二次它即為暗條紋,光程差的變化滿足

式中,k為奇數(shù),由此得:

于是

對于視場中心來說,設(shè)M1平面鏡在相繼可見度為零時移動Δd,由此而引起的光程差的變化Δl=2Δd,所以

2.2 相干長度測量的實驗數(shù)據(jù)

邁克爾遜干涉儀測量相干長度δm的實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 邁克爾遜干涉儀(WSM-100)測量鈉黃光相干長度、波長差的實驗數(shù)據(jù) (單位:mm)

相干長度δm=2Δd=0.580 42mm,由表1的結(jié)果可知=588.09±0.28(nm)

波長差:Δλ=(0.5959±0.0006)nm

2.3 光柵法測量Na黃光波長

2.3.1 實驗原理

平行光垂直入射時,衍射光譜中主極大位置滿足如下的光柵方程:

式中:d為光柵常數(shù),λ為入射光波波長,k為主極大的級次,θ為k級主極大的衍射角。

2.3.2 實驗測量數(shù)據(jù)

調(diào)整分光計和光柵,使Na黃光垂直光柵表面入射后進行測量。測得k=1級兩條Na黃光譜線的衍射角數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 用分光計(JJYT)測量鈉光波長實驗數(shù)據(jù)(單位:度)

計算黃光2波長λ2=(587.99±0.04)nm;黃光1波長λ1=(586.85±0.04)nm;

3 實驗結(jié)果與分析

邁克爾遜干涉儀和光柵測量的Na黃光的波長、波長差與理論上Na黃光的波長、波長差計算結(jié)果如表4所示。由表4可知,邁克爾遜干涉儀和光柵測量的Na黃光波長、波長差值與理論值吻合。

表4 波長、波長差實驗測量值與理論值比較 (單位:nm)

從邁克爾遜實驗裝置分析,Na光源的同一個原子的一次發(fā)光經(jīng)分光后先、后到達某一觀察點,只有當折射后到達的兩條光線的光程差小于相干長度δm(或時間差τ小于某一值)時才能在觀察點產(chǎn)生干涉。相干長度δm(或一個波列長度)決定了光的空間相干性的好壞,δm越大,空間相干性越好;時間相干性的好壞用一個波列的延續(xù)時間τ表示,τ越大,時間相干性越好。

利用邁克爾遜干涉儀測得的Na黃光的波長、相干長度、波長差,結(jié)果表明利用邁克爾遜干涉儀測量Na黃光波長、波長差與光柵衍射方法測量結(jié)果及理論值一致;利用相干長度的結(jié)果,估算了Na原子發(fā)光的延續(xù)時間和Na原子發(fā)出的一個波列的長度。

[1] 姚啟鈞.光學(xué)教程[J].北京:高等教育出版社, 1989年.

[2] 王素紅.邁克爾遜干涉儀的調(diào)整與應(yīng)用[J].大學(xué)物理實驗,1999(1):18-19.

[3] 韋早春.用邁克爾遜干涉儀測量鈉黃光相干長度的實驗方法的探討[J].大學(xué)物理實驗,2000(3): 28-30.

[4] 康文秀,關(guān)榮華.相干長度的物理意義[J].大學(xué)物理實驗,2005(3):31-32.

[5] 王四海,董淑香,陳以方.邁克爾孫干涉儀組合實驗的改進與設(shè)計[J].物理實驗,2003(9):32-34.

[6] 李武鋼,葉錦義,陳真富.用干涉法測原子發(fā)光持續(xù)時間[J].廣西物理,2009(4):29-31.

[7] 萬偉.邁克爾遜干涉儀測透明介質(zhì)厚度及折射率[J].大學(xué)物理實驗,2013(5):37-38.

[8] 王小懷,李卓凡.邁克爾遜干涉儀測波長的一種便捷法[J].大學(xué)物理實驗,2014(5):18-19.

The Experimental M easurement of the Coherent Length for Na Lights and the Estimation of the Light Em itting Time

YUAN Quan,ZHANG Yu-pu,LIYi,JING Xiao-dan, QIU Zhong-yuan,WANGWen-xin,FUWei
(Liaoning University of Technology,Liaoning Jinzhou 121001)

The wavelength of Na lights and the coherent length weremeasured by using Michelson interferometer and the wavelength difference was obtained.The result obtained by Michelson interferometer is consistent with that of grating diffraction.Meanwhile the luminescent time and the length ofwave train were estimated for Na atoms.

Na lights;coherent length;film interference;experimentalmeasurement

O 4-34

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.005.004

1007-2934(2015)05-0011-03

2015-06-23

遼寧省教學(xué)改革項目;遼寧工業(yè)大學(xué)教學(xué)改革項目