工程光学：实验二、迈克尔逊干涉仪实验

PAGE1PAGE1实验二迈克尔逊干涉仪实验1．引言两束光波的干涉需要满足一定的条件，即两束光的频率相同、振动方向相同、相位差恒定。实际上，光源发出的光波是一个个波列，原子这一时刻发出的波列与下一时刻发出的波列，其光波的振动方向和相位都是随机的，因此两个普通的独立光源产生的光波是无法发生干涉的，即使同一光源的不同部位发出的光波也不能满足干涉条件，只有同一原子发出的同一波列相遇才能相干。所以，要获得两个相干光波，必须利用同一发光原子（发光点）发出的光波，通过具体的干涉装置来获得两个相关联的光波，它们相遇时频率、振动方向和初相位将随着原光波同步变化，因此两束光仍可能有恒定的相位差，能够产生干涉。但它们相遇时还必须满足两叠加光波的光程差不超过光波的波列长度这一补充条件。由一个光波获得两个或多个相干光波的方法有分波前法和分振幅法两类，其中迈克尔逊干涉仪是最典型的分振幅干涉装置。2．实验目的1）学习组装并调节迈克尔逊干涉仪；2）观察点光源产生的非定域干涉条纹，加深对非定域干涉的理解；3）观察和分析干涉条纹可见度随光程差的变化规律，加深对光源相干长度的理解。3．基本原理3.1迈克尔逊干涉仪及其非定域干涉条纹迈克尔逊干涉仪是采用分振幅方法产生双光束以实现光的干涉的典型装置，其原理如图1所示（距离未按比例画，且为便于显示将反射光束与入射光束分开画）。其中S为单色点光源，M1、M2为互相垂直放置的两个平面反射镜，BS为分束镜，置于M1和M2法线的交点上，并分别与M1、M2成45角。点光源S发出的球面波经BS后表面的镀膜层分为两束光，这两束光分别经M1、M2反射又回到BS，并分别在BS上透过和反射，之后两束光在BS的另一侧空间形成一个非定域的干涉场。将观察屏垂直于光束方向置于该干涉场中，便可在观察到干涉条纹，即非定域干涉条纹。图1中M2为M2在BS上反射形成的虚像，S1、S2则分别为光源S在M1和M2中的虚像，因此观察到的干涉条纹也可以看成虚点光源S1、S2发出的两个球面波干涉的结果。当M2平行于M1时，观察屏上将出现圆形的等倾干涉条纹，其中心点在S1和S2的连线上，中心点光强取决于S1和S2之间的距离2d（其中d为M1和M2的距离），即：，因此当2d=n时（n为整数），中心将出现亮点；而当2d=(n+1/2)时，中心将出现暗点，即连续调节其中一个反射镜的位置，可以观察到圆形条纹的变化。另外，圆形条纹的粗细和疏密程度也与d有关，当d减小时，圆形条纹将变得疏而粗；而当d增大时，圆形条纹将变得细而密。若将M1（或M2）转动一个小角度，则M1和M2不再平行，观察屏上出现的将不再是圆形的等倾干涉条纹，即不再是圆形的封闭曲线，而是变成弯曲的曲线（实际上是双曲线或椭圆的一部分，弯向楔顶）甚至接近直线，称为混合型条纹。SSM2M1BSM2S2S12dd图1.迈克耳逊干涉仪原理图3.2干涉条纹的可见度和光源的相干长度干涉条纹的可见度K定义为：。影响干涉条纹可见度的主要因素是产生干涉的两束光的振幅比、光源的宽度以及光源的非单色性。其中光源的非单色光对干涉条纹可见度的影响，是由光程差和光源相干长度的相对大小决定的。He-Ne激光的单色性虽已相当好，但仍有一定的波长分布。多纵膜的He-Ne激光器其中心波长0为632.8nm，波长分布的半高全宽约0.0018nm，因此相干长度为：22cm。在迈克尔逊干涉仪中，来自光源的光束经BS分为两束，这两束光经不同的光程L1和L2又在BS合成一束。两束光的光程差为：＝。理论上可以证明：当l很小时干涉条纹的可见度很大，当l增大时K将降低，当l接近于Lmax时对比度就很弱了，而当l大于Lmax时则可能完全看不到干涉条纹。因此，为了得到对比度较高的干涉条纹，应尽可能使两束光的光程差在0.5cm左右。4.实验器材激光器（含夹持装置）、针孔滤波器（包括三维调节支架、扩束物镜和针孔）、准直透镜、分束镜、反射镜、观察屏（含干板夹）、中间带有小孔的分划板及其支杆、套筒、滑块等。5.实验内容1）打开激光器，调节使激光束平行于导轨并在观察屏上做好标记（调节方法同实验一），然后调节准直透镜的高度并使其与激光束共轴，调节各反射镜、分束镜高度并使反射镜镜面垂直于光束，调节扩束镜高度使其与激光束共轴；2）按图2所示的相对位置搭建光路（实验中沿激光出射方向的光路采用导轨，针孔滤波器中可不加针孔仅作为扩束镜使用，也可加针孔以获取更好的实验效果），调整扩束镜和准直透镜的相对位置使激光扩束，但注意不要调成平行光，调整反射镜及分束镜的摆放位置和角度，使两个反射镜与分束镜基本等距（可借助直尺）、分束镜与光轴约成45度、两反射镜镜面互相垂直；3）微调任意一个反射镜的角度（利用俯仰调节架的两个旋钮），使两束光在分束镜的出射面上重合（可用一张白纸靠近出射面以便观察光斑），然后微调分束镜的角度使出射的两束光在观察屏上重合，重复这两个调节过程，直至两束光的光斑在近处（分束镜出射面）和远处（观察屏）均能较好重合、观察屏上出现干涉条纹为止，记录观察到的现象，并根据条纹形状分析是否为等倾干涉；4）将观察屏沿垂直于光束的方向前后移动，观察干涉条纹是否能在任意位置得到，判断是否为非定域干涉条纹，验证非定域干涉的条件；5）微调任意一个反射镜的角度，观察并记录干涉条纹形状的变化规律；6）沿垂直光束方向前后移动任意一个反射镜（以移动导轨上的反射镜为宜），稍微改变两束光的光程差，观察并记录干涉条纹的粗细及疏密程度的变化规律；7）（选做内容）继续增大两束光的光程差，使一束光的光程改变量达到10-50cm或更多，观察并记录干涉条纹可见度的变化规律，直至干涉条纹消失为止，测量此时两束光的光程并计算光程差，以此估计激光光源的相干长度；8）实验结束，关闭激光器，取下针孔并保存好（如使用针孔的话），其他所有器件恢复原样。准直透镜扩束镜反射镜反射镜分束镜准直透镜扩束镜反射镜反射镜分束镜图2.迈克耳逊干涉仪实验装置参考图6.思考题1）若分束镜分