(李朝荣)迈克尔逊干涉仪2012

1、北京航空航天大学北京航空航天大学 物理实验中心物理实验中心 李朝荣李朝荣 实验及应用背景介绍 实验目的和教学要求 实验原理 实验仪器 实验内容 注意事项 问题讨论与思考 迈克尔逊干涉仪的调整迈克尔逊干涉仪的调整 和波长测量和波长测量 一、实验及应用背景介绍一、实验及应用背景介绍 一、实验及应用背景介绍一、实验及应用背景介绍 精密地测定光波波长、微小长度、光源 的相干长度等 最先以光的波长确定“米”的国际标准 测量气体、液体的折射率 发展和改进为其它许多形式的干涉仪器 二、实验目的和教学要求二、实验目的和教学要求 熟悉迈克尔逊干涉仪的结构，掌握其调 整方法 通过实验观察，认识点光源非定域干涉 条

2、纹的形成与特点 用干涉条纹变化的特点，测定光源波长 三、实验原理三、实验原理 1相干条件：相干条件： 2迈克尔逊干涉原理迈克尔逊干涉原理 S、M1、M2和 E 分布在四个不同方向， 有充分的空间可以安 插其它器件进行调整 处理，测量上有很大 的灵活性。 频率相同，振动方向相同，相位差恒定频率相同，振动方向相同，相位差恒定 迈克尔逊干涉原理图 S M1G1G2 M1 M2 E 1 1 2 2 半反半透膜半反半透膜 补偿板补偿板 三、实验原理三、实验原理 3点光源干涉点光源干涉 2d L d S S G EP R M1 M2 M1 S1 S2 点光源非定域干涉 相对： S S，M1M1 相对M2：

3、 S S2 相对M1 ： S S1 即虚光源S1、S2 在空间处 处相干，故称非定域干涉。 三、实验原理三、实验原理 4单色点光源的非定域干涉条纹单色点光源的非定域干涉条纹 干涉图样为空间旋转双曲面：干涉图样为空间旋转双曲面： 1 ) 2/(2/ 22 22 2 2 Ld zx L y S1S2 z x y 屏垂直于S1和S2连线：圆形干涉条纹 屏平行于S1和S2连线：双曲线形干涉条纹 当屏处于其它方位时，条纹为何形状？ 什么条件下能得到直条纹？ 三、实验原理三、实验原理 5点光源等倾干涉条纹点光源等倾干涉条纹 当屏垂直于S1和S2连线时，得等倾干涉 2dcos =kl k=0,1,2, 主要

4、特点： （1）d、l一定， 角相同的条纹属同级k， 故形成同心圆环 （2）d、l一定， 0 处的条纹级数k0最高 k02d/l （3）k、l一定，d减小时 角减小，即干涉 圆环内缩；同理d增大时干涉圆环外扩 （4）d=时，干涉场内无干涉条纹 吐级 吞级 6等厚干涉条纹等厚干涉条纹 四、实验仪器四、实验仪器 迈克尔逊干涉仪 定镜M1 动镜M2 分束板G1 补偿板G2 观察屏E 水平拉簧 垂直拉簧 粗动轮 微动轮 读数窗 读数轮 五、实验内容五、实验内容 （1）粗调： 将M1、M2和调至 状态 调方位，使反 射光大致 （2）细调：调节M1、M2， 使 （3）微调：调节，使在屏正中 央得一干涉条纹

5、（4）精调：换，调节微调拉 簧至中心条纹大小不随眼 睛移动而改变 1迈克尔逊干涉仪的调整迈克尔逊干涉仪的调整 五、实验内容五、实验内容 2点光源干涉测激光波长点光源干涉测激光波长 等倾干涉： 2dcos =kl k=0,1,2, 当中央条纹内缩或外扩N 次，光程差为 2dNl 于是 N d 2 l l 利用逐差法处理数据利用逐差法处理数据 思考：思考： N 应如何选取？ 六、注意事项六、注意事项 1读数机构读数机构 主尺主尺1mm1mm，粗动轮，粗动轮0.01mm0.01mm，微动轮，微动轮0.0001mm0.0001mm 仪器误差仪器误差 0.00005mm0.00005mm 2零点误差：粗

6、动轮与微动轮零点不匹配零点误差：粗动轮与微动轮零点不匹配 读数轮特点：读数轮特点：“微微”带带“粗粗”动，动，“粗粗”动动“微微”不动不动 消除方法：消除方法：先调先调“微微”指零，再将指零，再将“粗粗”对齐刻线对齐刻线 3空程误差：螺纹间隙误差空程误差：螺纹间隙误差 消除方法：消除方法：始终沿一个方向旋转读数始终沿一个方向旋转读数轮轮（2020圈以上）圈以上） 4等光程位置等光程位置判断判断 视场视场中心无干涉条纹中心无干涉条纹；该该位置前后条纹吞吐状态改变位置前后条纹吞吐状态改变 七、问题讨论与思考七、问题讨论与思考 1 1如何如何获得点光源和面光源？获得点光源和面光源？ 激光束由于发散角

7、很小，可近似看作平 行光，经扩束镜扩束后即可视为由焦点处发 出的球面波点光源。 将上述球面波投射到毛玻璃上，由于毛 玻璃的散射作用，其上每一点均可视作一点 光源，合成结果形成面光源。 七、问题讨论与思考七、问题讨论与思考 图示现象是条纹间 距过密的表现，由公式 2dcos =kl 可知，系光 程差过大所致。应旋转 读数轮使M2向M1靠拢， 此间条纹条纹应不断内缩内缩。 2 2实验实验中微调后，有时会出现如图所示干中微调后，有时会出现如图所示干 涉环很小的现象，给测量带来不便。请问涉环很小的现象，给测量带来不便。请问 这是什么原因造成的？应如何处理？这是什么原因造成的？应如何处理？ 七、问题讨论

8、与思考七、问题讨论与思考 3 3在在换成面光源后，通常换成面光源后，通常中心条纹大小会随中心条纹大小会随 眼睛移动而改变眼睛移动而改变。这是什么原因造成的？应。这是什么原因造成的？应 怎样进行调整？怎样进行调整？ 这是因为M2与M 1不平 行，当眼睛左右移动时，目 光所及处的光程差发生变化， 如图示情形，眼睛左移时将 看到条纹外扩。 应仔细调节M1的拉簧至 条纹不再变动，则M2/M1 。 背景介绍 实验目的和教学要求 实验原理 实验仪器 实验内容及注意事项 牛顿环干涉测透镜曲率半径牛顿环干涉测透镜曲率半径 一一、应用、应用背景介绍背景介绍 一一、应用、应用背景介绍背景介绍 一一、应用、应用背景

9、介绍背景介绍 二、实验目的和教学要求二、实验目的和教学要求 三、实验原理三、实验原理 分析光程差，取 n=1， (考虑半波损失) 消去e 计算环的半径r 由几何关系得 略去e2，有 2 1)1) 1,2,1,2, 0,1,0,1, ,(),() 2 2 2 2 ,(),() 2 2 2,2, e e l l l l l l 加加强强 减减弱弱（ k kk k k kk k 2 22 22 22 2 ) )2 2( (R RR Re er re eR Re e k k 2 2 2 2 r r e e R R 1 21 2 3, , , , , , 2 2 R R r r l l 级级明明纹纹 k k k k k k k k 0 1 2 3, , , , , ,r rR Rl l 级级暗暗环环 ， k k k kk k k k 测测量量暗暗环环直直径径 2 2 4 4D Dk k R Rl l 四、实验仪器四、