专利名称：多缝滤波双缝干涉仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学干涉技术领域，是以多缝滤波取代单缝滤波，使获得的双缝干涉条纹衬度远高于杨氏双缝干涉条纹衬度。
背景技术：
1801年，托马斯·杨提出了在物理学史上有着重要地位的杨氏实验，即分波前双缝(孔)干涉实验。图1为杨氏干涉实验的原理示意图，利用单缝S从非相干光中，滤出一些步调一致的相干光，双缝S1和S2位于S的波前上，根据惠更斯原理，S1和S2可看作两个新的波源。由于S1和S2是由同一点光源S发出的柱面波面上的两个次级光源，因此S1和S2是一对有着固定相位差的相干光源，它们发出的子波叠加形成干涉场，在垂直于轴线放置的接收屏上生成一组稳定的明暗相间的条纹。
图5为杨氏双缝干涉实验光路图。S位于S1和S2连线的中垂线上，以单色光照明屏ΣS，透过屏上的缝S的柱面波分别经S1，S2到达接受屏上任意一点P(x′，y′)。来自S1，S2的波形成的光程差为 Δr＝r2-r1 相应的相位差为 其中Z为屏∏与屏Σ的距离，d为双缝S1和S2的间距。在傍轴近似条件下，即满足 d2<<Z2， 式中ρM为观测区域的最大横向半径，则依据|a|<1时的二项式展开式 可以略去r1、r2展开式中自变量x′、y′的二次方以上的高次项，从而得到近似式 这样有 当P点的位置满足 Δr＝r2-r1＝mλ或Δφ＝2mπ (m＝0，±1，±2，…)(7) 时，两次波在该点满足干涉相长条件，产生干涉极大，从而形成亮纹；反之，当P点位置满足 或Δφ＝(2m+1)π (m＝0，±1，±2，…) (8) 时，两次波在该点满足干涉相消条件，产生干涉极小，从而形成暗纹。屏∏上的光强分布为 由上式可以得出，干涉条纹的形状是一族与y′轴平行的等距直线。零级亮纹位于S1，S2的中垂面上，正负级条纹在其两侧对称排列，越向外侧干涉条纹的级别越高。干涉条纹的间距，即两相邻亮纹或两相邻暗纹之间的距离皆为 在实际上，利用普通可见光源进行杨氏双缝干涉实验几乎看不到干涉条纹。这是因为在实验中，虽然可以利用单缝从非相干光中获得相干光，但是这种方法要把大部分步调不一致的光滤除，获得的相干光强度非常弱，从而由此得到的干涉条纹也非常弱，需要较长时间曝光，才能记录到双缝干涉条纹。因此，希望能找到一种能提高干涉条纹强度的方法，使得用可见光进行杨氏双缝干涉实验成为可能，从而降低实验的难度和成本。
发明内容
本发明的目的是公开一种多缝滤波双缝干涉仪，是基于对杨氏双缝干涉仪的改进，以特定间距的多缝滤波取代杨氏干涉仪中的单缝滤波，从而获得衬度增强的干涉条纹，其衬度增强倍数与多缝的条数成正比。由于干涉条纹亮度得以大幅度增强，使得利用普通可见光源进行双缝干涉实验变得简单易行，降低双缝干涉实验的成本。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是 一种多缝滤波双缝干涉仪，是基于对杨氏双缝干涉仪的改进，大幅度增强双缝干涉条纹衬度，其以多缝滤波屏取代单缝滤波屏，多缝滤波屏上等间距相互平行的窄缝至少有两条；当多缝、双缝和接收屏位置之间满足一定的几何关系时，获得的双缝干涉条纹衬度远高于杨氏双缝干涉条纹衬度。
所述的多缝滤波双缝干涉仪，其所述多缝、双缝和接收屏位置之间一定的几何关系，是由两种方法确定 a)移动法 (1)在杨氏实验装置中，移动单缝滤波屏的位置，使干涉条纹在接收屏上移动一个周期的整数倍； (2)记录下在(1)步状况下这些单缝滤波屏上单缝的位置，并按照这些位置设置多缝滤波屏上的窄缝； b)计算法 通过下式计算的结果确定多缝滤波屏上的多缝的位置 其中，t为多缝滤波屏上等间距相互平行的窄缝之间的间距，d为双缝滤波屏上两条窄缝之间的间距，Zs是多缝滤波屏和双缝滤波屏之间的距离，λ为照明单色光的波长，n为干涉的级数； 所述的多缝滤波双缝干涉仪，其所述多缝滤波屏上等间距相互平行的窄缝，缝越多所得干涉条纹强度越强；实际应用时以能清楚观察到干涉条纹的衬度来确定多缝的数量。
所述的多缝滤波双缝干涉仪，其利用多缝滤波屏将非相干光源分割成多个相互独立的相干缝光源，其中每条缝都能独立进行双缝干涉实验； 由于多缝、双缝和干涉条纹位置之间满足一定的几何关系，各缝光源产生的双缝干涉条纹的位置重合，此时的干涉条纹的衬度增强了N倍，其衬度增强倍数与多缝滤波屏上的窄缝条数成正比。
所述的多缝滤波双缝干涉仪，其用于测量均匀材料的折射率，其方法如下 a)将待测物体放置在双缝滤波屏的一窄缝之后，并保证待测物体未遮挡经另一窄缝发出的光波，测出其干涉条纹与未放置待测物体时产生的干涉条纹之间的偏移量； b)再根据下式算出待测物体的折射率 其中，d为双缝滤波屏上两条窄缝之间的间距，Z为双缝滤波屏与接收屏之间的距离，T为放置待测物体前后干涉条纹的偏移量，l为待测物体的厚度。
本发明的优点在于采用多缝滤波的方法进行杨氏干涉实验，由于每个缝光源产生的干涉条纹相重合，因而能获得强度大幅度增强的双缝干涉条纹，从而实现利用可见光源进行杨氏干涉实验，降低了实验的难度和成本。
图1是单缝滤波双缝干涉原理示意图； 图2移动单缝，使双缝干涉条纹在屏幕上移动一个周期的整数倍； 图3是多缝滤波双缝干涉原理示意图； 图4是多缝滤波双缝干涉仪装置示意图； 图5是杨氏双缝干涉实验原理图； 图6是多缝滤波双缝干涉实验原理图。
具体实施例方式 图4所示为多缝滤波双缝干涉仪的装置示意图。本装置可使用普通可见光源，由三个屏组成，第一个屏ΣS为多缝滤波屏，其上开多个等间距相互平行的窄缝(缝的数量以两个以上，从理论上来说，缝越多所得干涉条纹强度越强，没有限制)，作用是将普通非相干光照明变成多个相互独立的相干光照明；第二个屏Σ为双缝滤波屏，其上开双缝，作用是产生一对有着固定相位差的相干光源，他们发出的子波叠加形成干涉场。第三个屏∏为接收屏，当多缝、双缝和接收屏位置之间满足一定的几何关系时，各个缝光源产生的双缝干涉条纹位置就会重合，从而在接收屏∏上产生衬度增强的干涉条纹。
具体的研究方法如下。
在杨氏实验装置(图1)中，移动单缝的位置，使干涉条纹在接受屏上移动一个周期的整数倍(图2)；记录下这些单缝的位置，并按照这些位置加工多缝；利用加工好的多缝再做杨氏干涉实验(图3)，即可获得衬度增强的干涉条纹。
通过计算可直接获得各多缝的精确位置。如图6所示，假设S01为屏ΣS上与S0平行的一窄缝，S01与S0间距为t，S01与S1和S2的距离分别为R1′和R2′，则经S01到达S1和S2的柱面波形成的光程差为 其中 式中Zs是屏ΣS和屏Σ的距离，在傍轴近似条件下可得到 当经S01到达S1和S2的光程差
与经S0到达S1和S2的光程差ΔR(＝0)之间满足 时，S01的双缝干涉条纹和S0的双缝干涉条纹重合，两套条纹之间的横向位移为一个周期，因此产生衬度加倍的干涉条纹。由此可以推出条纹衬度加倍条件，即缝S01与S0的间距为 利用多缝滤波双缝干涉仪的实验方法亦可测量未知材料的折射率，具体方法如下。假设一材质均匀分布，折射率为n厚度为1的物体，放置在双缝之一的S1之后(并保证待测物体未遮挡经缝S2发出的光波)。其折射率可表示为 n＝1+δ (15) 经过该物体的光波其相位的改变为 假设待测物体厚度l<<Z，在这种情况下，经由S1和S2到达接受屏上一点P的光波形成的光程差为 当未放置待测物体时，亮纹位于S1，S2的中垂面与屏∏的交线上，放置待测物体后，零级亮纹产生的条件为 Δφ+Δφ1＝2mπ(m＝0) 将上式带入(17)式，可得零级亮纹延x′轴方向有一平移 将(18)式代入(15)式，可得该物体的折射率为
权利要求
1.一种多缝滤波双缝干涉仪，是基于对杨氏双缝干涉仪的改进，大幅度增强双缝干涉条纹衬度，其特征在于以多缝滤波屏取代单缝滤波屏，多缝滤波屏上等间距相互平行的窄缝至少有两条；当多缝、双缝和接收屏位置之间满足一定的几何关系时，获得的双缝干涉条纹衬度远高于杨氏双缝干涉条纹衬度。
2.根据权利要求1所述的多缝滤波双缝干涉仪，其特征在于所述多缝、双缝和接收屏位置之间一定的几何关系，是由两种方法确定
a)移动法
(1)在杨氏实验装置中，移动单缝滤波屏的位置，使干涉条纹在接收屏上移动一个周期的整数倍；
(2)记录下在(1)步状况下这些单缝滤波屏上单缝的位置，并按照这些位置设置多缝滤波屏上的窄缝；
b)计算法
通过下式计算的结果确定多缝滤波屏上的多缝的位置
其中，t为多缝滤波屏上等间距相互平行的窄缝之间的间距，d为双缝滤波屏上两条窄缝之间的间距，Zs是多缝滤波屏和双缝滤波屏之间的距离，λ为照明单色光的波长，n为干涉的级数。
3、根据权利要求1所述的多缝滤波双缝干涉仪，其特征在于所述多缝滤波屏上等间距相互平行的窄缝，缝越多所得干涉条纹强度越强；实际应用时以能清楚观察到干涉条纹的衬度来确定多缝的数量。
4、根据权利要求1或2所述的多缝滤波双缝干涉仪，其特征在于利用多缝滤波屏将非相干光源分割成多个相互独立的相干缝光源，其中每条缝都能独立进行双缝干涉实验；
由于多缝、双缝和干涉条纹位置之间满足一定的几何关系，各缝光源产生的双缝干涉条纹的位置重合，此时的干涉条纹的衬度增强了N倍，其衬度增强倍数与多缝滤波屏上的窄缝条数成正比。
5、根据权利要求1或2所述的多缝滤波双缝干涉仪，其特征在于用于测量均匀材料的折射率，其方法如下
a)将待测物体放置在双缝滤波屏的一窄缝之后，并保证待测物体未遮挡经另一窄缝发出的光波，测出其干涉条纹与未放置待测物体时产生的干涉条纹之间的偏移量；
b)再根据下式算出待测物体的折射率
其中，d为双缝滤波屏上两条窄缝之间的间距，Z为双缝滤波屏与接收屏之间的距离，T为放置待测物体前后干涉条纹的偏移量，1为待测物体的厚度。
全文摘要
本发明多缝滤波双缝干涉仪是基于对杨氏双缝干涉仪的改进，将杨氏双缝干涉仪中的单缝滤波改为多缝滤波，利用多缝将非相干光源分割成多个相互独立的相干缝光源，其中每一条缝都能独立进行双缝干涉实验；当多缝、双缝和干涉条纹位置之间满足一定的几何关系时，各个缝光源产生的双缝干涉条纹位置就会重合，获得的双缝干涉条纹衬度远高于杨氏双缝干涉条纹。本发明多缝滤波双缝干涉仪，可以使利用普通可见光源进行双缝干涉实验变得简单易行，降低双缝干涉实验的成本，还可测量材料的折射率。
文档编号G01N21/41GK101458211SQ200710179379
公开日2009年6月17日 申请日期2007年12月12日 优先权日2007年12月12日
发明者黄万霞, 袁清习, 朱佩平, 吴自玉 申请人:中国科学院高能物理研究所