大学物理实验光学

迈克尔逊干涉仪实验迈克尔逊干涉仪是1887年美国物理学家迈克尔逊和莫雷为研究“以太”漂移而设计制造的精密光学仪器。该实验结果否定了“以太”的存在，为爱因斯坦建立狭义相对论奠定了基础。为此获得了1883年诺贝尔物理学奖。迈克尔逊干涉仪不仅可以观察光的等厚、等倾干涉现象，精密地测定光波波长、微小长度、光源的相干长度等，还可利用它的原理制成各种专用干涉仪器，广泛应用于生产和科研各领域。迈克尔逊首倡用光波波长作为长度基准，提出在天文学中利用干涉效应的可能性，并用自己设计的星体干涉仪测量了恒星参宿四的直径。荣获1907年诺贝尔物理学奖。一、实验目的1、了解迈克尔逊干涉仪的原理、结构，掌握其调节与使用方法。2、掌握使用迈克尔逊干涉仪测量氦－氖激光光波波长的方法。二、实验仪器：迈克尔逊干涉仪，氦－氖激光器水平调节螺丝1、光路部件

2、读数部件

3、调节部件

单色光源反射镜反射镜，与成角。补偿板移动导轨分光板三、实验原理1、点光源产生的非定域干涉dS2dG1R电光源S发出的光经

和

反射后的干涉，相当于两个虚光源和的干涉。这两束球面波的干涉在光场叠加区的任何位置都能观察到，因此称为非定域干涉。根据两反射镜的空间取向，非定域干涉可观察到等倾干涉和等厚干涉。当两反射镜严格垂直，且到分光板反射膜的距离差为d时，从观察屏方向看,M2的像与M1组成一个厚度为d的空气膜，相当于一个空气薄膜的干涉。2、等倾干涉可以证明，入射光线在膜上下表面反射时的光程差为dSdS相干加强（明条纹）的条件为：等倾干涉的特点：相同的光线入射到膜表面上应该在同一圆锥面上，而反射光经透镜会聚后分别相交于焦平面上的同一个圆环上。因而形成一组明暗相间的同心圆环。中心干涉级次最高(θ=0°)；移动M1，使d增大，可观察到不断有条纹从中心吐出；相反，减小d则条纹不断从中心吞进。吞进或吐出的条纹数目N与M1移动的距离Δd满足：M1M12M2M2M2MM1M1M12M2M2MM1M12M2MM1M1一片亮场吞环,条纹由密变稀冒环,条纹由无到有变密继续冒环变密继续冒环、、2、等厚干涉（不做）当不垂直于时，可形成劈尖型等厚干涉条纹.反射镜反射镜单色光源M1M2’M1M2’M2’M1M2’M1M1M2’（1）、将激光源放置在干涉仪的左端，调整光源，使激光束射向分束镜中央（2）、转动粗调鼓轮，移动可动反射镜，使两个反射镜与分束镜之间的距离粗略相等。四、实验内容及要求（3）、移去观察屏，用眼睛垂直观察分束镜，看到由两个平面镜反射产生的两排光点，调节微调螺丝，使两排光点中最亮的两点重合。重新装上观察屏，可以看到干涉条纹——同心圆环。1、迈克尔逊干涉仪的调整：

调节M1、M2互相垂直，即M1与M2的像平行。找到同心圆环的干涉条纹。2、测He-Ne激光器的波长：调节微动手轮，每吞进或吐出30个条纹，从主尺、读数窗口和微动手轮上读出M1的初末位置，吞吐各测3组数据。调节测微尺的零点（校零）：先将微调鼓轮沿某一方向旋转至零，然后以同方向转动粗调鼓轮对齐读数窗口的任一整刻度。注意：微调与粗调必须同一方向调节！避免引入空程。在调整好零点后，应使微动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。

主尺读数窗口微动手轮最后读数为：33.52246mm对吞进和吐出条纹的情形分别计算：吞进（吐出）30个条纹，M1移动距离Δd的平均值，计算波长，波长的定值误差。激光波长的标准值为632.8nm。五、数据处理等倾干涉M1初位置M1末置∆dNλ吐环303030呑环303030激光波长实验值：波长测量的百分差E：光栅衍射

衍射光栅是由大量相互平行、等宽、等间距的狭缝或刻痕所组成。利用多缝衍射原理使光发生色散的光学元件，由于光栅具有较大的色散率和较高的分辨本领，它已被广泛地装配在各种光谱仪器中。一、实验目的1、观察光栅衍射现象，掌握测定光栅常数、光波波长、角色散率的方法。3、进一步熟习分光计的调整和使用方法。二、实验仪器分光计、平行平面反射镜、汞灯、透射光栅三、实验原理d=a+b称为光栅常数。波长为λ的平行光垂直入射光栅，衍射角θ满足如下光栅方程时，得到衍射主极大明纹。本实验用汞灯作为复合光源，通过分光计的准直管产生平行光垂直照射在光栅上，其衍射图样又通过望远镜的物镜聚焦到分划板上。由上式可得，K级衍射明纹随波长变化，亮纹的衍射角θ也随之变化，从而产生如下的衍射光谱。-2-10+1+2绿+1级绿-1级黄1+1级黄2+1级黄2-1级黄1-1级本实验已知绿光波长λ=546.1nm，通过测量绿光的衍射角可计算出光栅常数d，再通过测量双黄线的衍射角，可计算出两种黄光的波长（理论值在P369，表19查询汞灯光源）。衍射光栅的基本特性可用分辨本领或角色散率来表征。角色散率D是两条谱线偏向角之差与两者波长差

之比：它表示单位波长间隔内两单色谱线之间的角间距。四、实验内容1、调节分光计平行光管产生平行光、望远镜能接受平行光且光轴与仪器主轴垂直；载物台平面与仪器主轴垂直。角色散率：角色散率理论值：2、调节光栅（1）望远镜及平行光管均与光栅平面垂直（三线合一）。望远镜对准平行光管，光栅放置于载物台上，转动内盘和望远镜，使零级主极大、反射绿叉丝像均与分划板垂线重合，然后锁紧内盘。B1B3B2（2）光栅刻线与仪器主轴平行。转动望远镜，观察±

1级、±2级各级衍射主极大，看它们是否等高。若不等高，调节B3螺钉使它们等高。注意，测量之前务必把望远镜与外刻度盘固定在一起。3、测量衍射角转动望远镜，从右端+1级黄2光开始，依次测黄2、黄1，绿光，······直到左端-1级的黄2光角位置，重复测量三次。设各波长谱线+1级与分划板垂线重合时，读角位置为θ1和θ′1，再测-1级角位置θ2和θ′2，则1级各光的衍射角为θ.K=+1K=-1θ1和θ′1θ2和θ′2θ1θ′1θ2θ′2五、数据处理1、计算绿光、黄1和黄2三种波长成分的衍射角及不确定度，正确表示结果。2、以绿光的衍射角计算光栅常数d（绿光波长为546.1nm）。3、使用上一步计算出的光栅常数和两条黄线的衍射角计算黄光的波长，并与已知值(p369、表19)比较，计算百分差。4、以黄色双线的夹角计算光栅的角色散率并与理论值比较，计算百分差。（注意单位）谱线次数衍射角位置读数游标位置-1级+1级绿光1左θ2θ1右