迈克尔逊干涉仪调整和使用.doc

迈克尔逊干涉仪的调整和使用一、实验目的：（1） 了解迈克尔逊干涉仪的原理结构，学习调节和使用方法。（2） 观察等倾,等厚干涉现象。（3） 测量He-Ne激光波长。读数窗分光板光阑孔观察屏二、实验仪器：补偿板补偿微调手轮固定反射镜移动反射镜 粗调手轮迈克尔逊干涉仪HeNe激光器 三、实验原理： 图1是迈克尔逊干涉仪的光路原理图。光源上一点发出的光线射到半透明层K上被分为两部分光线“1”和“2”。光线“2”射到M2上被反射回来后，透过G1到达E处；光线“1”透过G2射到M1，被M1反射回来后再透过G2射到K上，反射到达E处。这两条光线是由一条光线分出来的，故它们是相干光。光线“1”也可看作是从M1在半透明层中的虚像M1反射来的。在研究干涉时，M1与M1是等效的。调整迈克尔逊干涉仪，使之产生的干涉现象可以等效为M1与M2之间的空气薄膜产生的薄膜干涉。用凸透镜会聚的激光束是一个很好的点光源，它向空间发射球面波，从反射后可看成由两个光源发出的（见图2），至屏的距离分别为点光源S从 反射至屏的光程，的距离为M1和M2之间距离的二倍， 图2 非定域干涉M1M2激光器EG1G2图1 迈克尔逊干涉仪 2 k 1 即2。虚光源发出的球面波在它们相遇的空间处处相干，这种干涉是非定域干涉。如果把屏垂直于的连线放置，则我们可以看到一组同心圆，圆心就是连线与屏的交点。如图2，由到屏上的任一点A，两光线的程差可得： （1）由式（1）可知：（1）当 时程差最大，即圆心E点所对应的干涉级别最高。当移动的距离增大时，圆心干涉级数越来越高，我们就可以看到圆条纹一个一个从中心“冒”出来，反之当d减小时，圆条纹一个一个地向中心“缩”进去。每当“冒”出或“缩”进一条条纹时，就增加或减小，所以测出“冒出”或“缩进”的条纹数目，由已知波长就可求得移动的距离，这就是利用干涉测长法；反之，若已知移动的距离，则就可求得波长，它们的关系为： （2）即 （3）（2）增大时，程差每改变一个波长所需的的变化值减小，即两亮环（或两暗环）之间的间隔变小。看上去条纹变细变密。反之减小，条纹变粗变稀。四、实验步骤：1. 仪器的调节（1）使He-Ne激光束大致垂直于M1，即调节He-Ne激光器高低左右位置，使反射回来的光束按原路返回。（2）装上观察屏E，可看到分别由M1和M2反射至屏的两排光点，每排四个光点，中间两个比较亮，旁边两个比较暗。调节M1和M2背面的三个螺钉，使两排光点一一重合，这时M1与M2大致互相垂直。（3）用He-Ne激光器照在G1上，此时一般在屏上会出现干涉条纹，再调节细调拉簧微动螺钉，使能看到位置适中、清晰的圆环状非定域干涉条纹。观察条纹变化。转动粗调手轮，可看到条纹的“冒出”或“缩进”。判别M1M2之间的距离d是变大还是变小。2. 测量He-Ne激光波长仔细转动微调鼓轮，使条纹的变化处于“缩进”，当圆形条纹中间的一条缩为一暗点时，记录读数d；再向同一方向转动微调鼓轮，同时读取条纹变化的数目，每次数到50记录一次读数，共测量10组数据。每次测量时，也都使中间的一条暗纹刚好缩为一暗点时，再记录读数。应用逐差法加以处理，求出每冒出k条条纹时所对应的d的值，代入式(3)计算，写出结果表达式。五、数据记录： 圈数位置10250310041505200625073008350940010450六、数据处理：（1）求。 （2）求。 结果表达式： 七、注意事项： 1. 转动微动鼓轮时，手轮随着转动，但转动手轮时，鼓轮并不随着转动。因此在读数前应先调整零点，方法如下；将鼓轮15沿某一方向(例如顺时针方向)旋转至零，然后以同方向转动手轮13使之对齐某一刻度。这以后，在测量时只能仍以同方向转动鼓轮使C镜移动，这样才能使手轮与鼓轮二者读数相互配合。2. 为了使测量结果正确，必须避免引入空程，也就是说，在调整好零点以后，应将鼓轮按原方向转几圈，直到干涉条纹开始移动以后，才可开始读数测量。为了消除螺距差（空程差），调节中，粗调手轮和微调鼓轮要向同一方向转动；测量读数时，微调鼓轮也要向一个方向转动，中途不得倒退。这里所谓“同一方向”，是指始终顺时针，或始终逆时针旋转。 3. 迈克耳逊干涉仪是精密的光学仪器，必须小心爱护。G1，G2，M1，M2的表面不能用手触摸，不能任意擦揩，表面不清洁时应请指导老师处理。实验操作前，对各个螺丝的作用及调节方法，一定要弄清楚，然后才能动手操作。调节时动作一定要轻缓。 4. 测量调节中，有时会出现“空转”现象，即转动微调鼓轮而干涉图像不变的情况，这是由于微调鼓轮和粗调手轮没有同步，没有带动反射镜M2（动镜）移动所致。此时，将粗调手轮转动一下，再向同一方向转动微调鼓轮即可。 5. 做本实验时，要特别注意保持安静，不得大声喧哗，不得随意离开座位来回走动，以免引起振动影响本人及其他同学实验。八、思考题：1）迈克尔逊干涉仪中的G1和G2各起什么作用？ 提示：G1分光，产生两束频率相同、振动方向相同、初相位相同的相干光；G2起补偿作用，补偿第一束光线因在G1板中往返两次所多走的光程，使干涉仪对不同波长的光可同时满足等光程的要求。2）在迈克尔逊干涉仪的一臂中，垂直插入折射率为1.45的透明薄膜，此时视场中观察到15个条纹移动，若所用照明光波长为500nm，求该薄膜的厚度。提示：垂直插入折射率n=1.45的透明薄膜后，光程差改变：，这个改变与移动的条纹以及波长关系：，所以：。3）为什么M1和M2没有严格垂直时，眼睛移动干涉条纹会“冒出”或“缩入”？提示：若M1和M2严格垂直，眼睛上下左右移动时，M1，和M2之间