迈克尔逊干涉仪

1、迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪是利用分振幅的方法产生相干光，利用光干涉的一种精密的测长仪器，它设计巧 妙，包含极为丰富的实验思想，在物理学发展中具有重大的历史意义，而且得到了十分广泛的应用.例如，可以观察各种不同几何形状、不同定域状态的干涉条纹；研究光源的时间相干性；测量气体、 固体的折射率；进行微小长度测量等；在物理实验教学中因对训练学生的实验操作能力具有重要作用 而受到高度重视.一、实验目的了解迈克尔逊干涉仪的结构，学习其调节方法.观察等倾干涉条纹，测量He-Ne激光的波长.观察非定域干涉、定域等倾干涉、等厚干涉及白光干涉现象练习用逐差法处理实验数据.二、实验仪器迈克尔逊干涉仪，He-Ne激

2、光器，扩束镜，光源三、实验原理1 .仪器的构造原理迈克尔逊干涉仪的典型光路如图1所示.图1 迈克尔逊于涉仪的典型光路图中M和M2是两面平面反射镜，分别装在相互垂 直的两臂上M位置固定而M2可通过精密丝杆沿臂长 方向移动；M1和M2的倾角可通过背面螺丝调节G和 G2是两块完全相同的玻璃板，G1的后表面上镀有半透 明的银反射膜，能使入射光分为振幅相等的反射光和透 射光，称为分光板或半透半反镜.G1和G2与M1和M2 成45。角倾斜安装.由光源发出的光束，通过扩束镜被分 光板G1分成反射光束1和透射光束2，分别射向M2和 M1，并被反射回到G由于两束光是相干光，从而产生 干涉G2称为补偿板，是为了使

3、光束2也同光束1 一样 二次通过玻璃板，以保证两光束间在几何路程相同时光 程差相同图1 迈克尔逊于涉仪的典型光路由于G1银膜的反射，使在M2附近形成M2的一个 虚象M.因此，光束1和光束2的干涉等效于由M2 和M之间空气薄膜产生的干涉.等倾干涉（定域干涉）测光波波长.如图2所示，波长为4的光束J经间隔为d的上下两平面M和M2反射，反射后的光束分别为设七经过的光程为l, y2经过的光程为/+ l, M即为这两束光的光程差A l=AB + BC - AD ,如果入射角为。，则Al =2 一 2dtg0 sin 0cos 0=2d （口 一 Sin20） = 2d cos 0cos 0cos 0可见

4、当d 一定时，光程差取决于入射角.当用望远镜物镜将此二光线会聚时，则在物镜的焦平面上 产生干涉条纹.当 A = 2d cos0 =砍时，为干涉亮纹；人图2等倾干涉光路图Al = 2d cos0 = (2k +1)一时，为干涉暗纹，其中k为 2图2等倾干涉光路图整数，称干涉级序数，与相应干涉条纹对应.M2、M上下表面平行时，可以观察到明暗相间的圆 形条纹，这种干涉称为等倾干涉.M2镜移动每增加或减少 人/ 2距离，视场中心就涌出一个环纹或淹没(吞进)一个环 纹.视场中干涉条纹变化或移过的数目乙N与M2移动距离乙 d间的关系是：力Ad = AN - 2(2)观察干涉圆环的环心，如增大d，k也增大，

5、环心的级次也增大，环心不断涌出环纹，环纹增多变 密；如减小d，则发生相反的情景，环心不断吞进环纹，条纹减少变疏(见图3 (a).如果MJ和M1不平行，这时就能观察到等厚直条纹(有时微有弯曲，见图3 (b).图3干涉条纹个点1光源s产生的非定域干涉图样是这样的激光束，形成一个线度非常小、P个点1光源s产生的非定域干涉图样是这样的激光束，形成一个线度非常小、P图4非定域干涉M 2 2M 1/J5 口人勺、& 5、，于 k、uX、原理和方3法非定域干涉瞰1会聚1迈克耳孙形成J 心 ，一 克用孙干遍度足够大的点光源S.此点光源的光经平面地镜m）和M2反 间装1射后，相当挽由两个虚光源曹和S?发出的干涉

6、光束也 澎竟， 栓（见图4 24 1中的11、12）击对之州镜的水平竖直7 顷后移那髀离为M疗性附离耙两凯即S鬲等于曾图中所， F轮m使部虚光部*和s簿快的球面波在它们相遇的空间处处相干因j 证转微动轴此，将观察屏放入光场叠加区的任何位置处，都可观察到干涉 nm）/ii:前条纹，这种条纹称幅非定域干涉条纹*这种度涉现象属于非定成 |芝:糖干方 0. 000 1 mm）读出G 是一块分束板，在它 Z肘顷）.仪器介绍代的力顶J成H1 瞰1会聚1全相同，而且与G严格平行2. 3. 1. 2. 3.平面反射镜调节螺钉，4基底，5平直轨道，6,观察毛玻璃屏，.锁紧螺钉，K.微动1冬3,1顶护.平面镜调节

7、螺丝；4狠座;；5.轨道;:观察*、1 L镜水平微调屏；7.锁紧螺丝；8微调手轮顼粗调手轮；10.刻度盘观察窗；11.购镜竖直微调螺栓；12.M2镜水平微调螺栓；nn 3顷5孙分束器；BF板/勺动镜；购入射分成振幅儿相 光（|）和L）,光束（1）m 1/ 射打，透图5。迈克尔逊干涉仪n尤火L，n舌表面反射后也到达E,与光束（1）会合干涉。补偿板。2的作用是保证在与M2A 日等时，光束（1）和（2）有相等的光程。图4-24-2中的必是镜通过M反射而所成 私因而两束光在Mi与M，z上的反射，就相当于在Mi与此镜上的反射。这种干涉现象 芝为a的空气薄膜产生的干涉现象等效。改变虬与M的相对方位，就可得

8、到不同形式 步条纹。当m,与M严格平行时，产生等倾干涉条纹，当W与 接近重合、II有一微小四、实验内容（一）迈克尔逊干涉仪和非定域干涉条纹的调节使He-Ne激光器大致垂直于M1：即调节He-Ne激光器的高低左右位置，使被M1反射回来的光 束按原路返回（尽可能回到激光器的出光口）.使M1与M2互相垂直：装上观察屏（如图5）,可看到分别由M1和M2反射至屏的两排光点， 每排光点的中间两个较亮，旁边的亮度依次减弱.调节M1和M2背面的三个螺钉，使两排光点中对应 亮度的光点一一重合，这时M1与M2就大致互相垂直.在He-Ne激光器的实际光路中加入扩束镜（短焦距透镜），使扩束光照在色上，此时在屏上一 般

9、会出现干涉条纹，再缓慢细心地调节干涉仪的细调拉簧微动螺钉，便能在观察屏上看到位置适中、 清晰可辨的圆环状非定域干涉条纹.如果没有出现干涉条纹，应该移走扩束镜，从头再调观察条纹变化，熟悉仪器的使用.转动干涉仪的粗动手轮，观察到条纹的“涌出”或“淹没”， 便可判别M与M之间的距离d是变大还是变小，观察条纹粗细、疏密情况，判断d是较大还是较12小.待操作熟练之后，再将条纹调好，准备测量.（二）测量He-Ne激光的波长读数刻度基准线的调整转动微动手轮，使0刻度线对齐基准线,再仔细旋转粗调手轮，使刻度盘指示某一整数值调整好 读数刻度基准线后，粗调手轮不能再转动，这时只能旋转微调手轮，直至观察到干涉条纹一

10、个一个地 不断涌出或淹没，才能进行测量.测量读出M1的初位置d0，继续沿同一方向缓慢转动微动手轮，可以清晰地看到条纹一个一个地“涌 出”或“淹没”，每当“涌出”或“淹没” 100个完整的条纹时，读取一次M1的位置d连续测量10 个di值.每测一个d可以算出其与前一个位置的Ad. = Id,- d, |，并及时检查测量结果是否正确.（三）观察等厚干涉条纹转动粗调手轮，移动M2使干涉条纹不断淹没，条纹变稀疏，直到M与M 2大致重合，干涉条 纹渐趋于直线，调节M1镜的微调螺丝，使M与M2有一个很小的夹角，视场中出现直线干涉条纹. 条纹间距与夹角大小成反比，夹角越大，条纹越密，甚至观察不到条纹调节M1

11、后的微调螺丝，使条 纹间距为1mm，移动M2镜，观察条纹由直变弯，再由弯变直.在干涉条纹变直的位置，且条纹宽2mm时，换上白炽灯光源，缓慢地移动M2镜，在某一位 置可看到彩色的条纹.条纹中心是M1r与M2的交线，此时叫镜的位置准确与MJ重合.由于白光的相干 长度短，因此干涉条纹只有有限几条，所以必须细致耐心地调节才能观察到，如果M2移动太快，就 会一晃而过.五、数据处理列表记录d0、d、d1（r将数据前后平分为两组，并用逐差法求出Ad.2.按Nd = -N，算出并与标准值比较.He-Ne激光波长公认值（或称标准值）：632.8nm 2I公认值-测量值I相对误差：E =八、,，士x 100%公认值六、注意事项迈克尔逊干涉仪是精密光学仪器，绝对不能用手直接触摸各光学部件的表面，以免弄脏或损 坏光学部件表面.调节M1和M2的背部螺钉及微动拉簧螺钉时均应缓缓旋转，并且在调节之前应将各个螺钉置 于适中的位置.3.因为激光光强很强，不要用眼睛直接观看激光，以免损坏视网脱转动读数手轮，待干涉条纹的变化稳定后才能进行测量.测量一旦开始，读数手轮的转动方向 不能中途改变.粗动手轮，特别是微动手轮要缓慢、均