迈克尔逊干涉仪实验报告

迈克尔逊和法布里-珀罗干涉仪摘要：迈克尔逊干涉仪是一种精密光学仪器，在近代物理和近代计量技术中都有着重要的应用。通过迈克尔逊干涉的实验，我们可以熟悉迈克尔逊干涉仪的结构并掌握其调整方法，了解电光源非定域干涉条纹的形成与特点和变化规律，并利用干涉条纹的变化测定光源的波长，测量空气折射率。本实验报告简述了迈克尔逊干涉仪实验原理，阐述了具体实验过程与结果以及实验过程中的心得体会，并尝试对实验过程中遇到的一些问题进行解释。关键词：迈克尔逊干涉仪；法布里-珀罗干涉仪；干涉；空气折射率；一、引言【实验背景】迈克尔逊干涉仪是1883年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作，为研究“以太”漂移而设计制造出来的精密光学仪器。它是利用分振幅法产生双光束以实现干涉。通过调整该干涉仪，可以产生等厚干涉条纹，也可以产生等倾干涉条纹，主要用于长度和折射率的测量。法布里-珀罗干涉仪是珀罗于1897年所发明的一种能现多光束干涉的仪器，是长度计量和研究光谱超精细结构的有效工具；它还是激光共振腔的基本构型，其理论也是研究干涉光片的基础，在光学中一直起着重要的作用。在光谱学中，应用精确的迈克尔逊干涉仪或法布里-珀罗干涉仪，可以准确而详细地测定谱线的波长及其精细结构。【实验目的】1．掌握迈克尔逊干涉仪和法布里-珀罗干涉仪的工作原理和调节方法；2．了解各类型干涉条纹的形成条件、条纹特点和变化规律；3．测量空气的折射率。【实验原理】（一）迈克尔逊干涉仪、是一对平面反射镜，、是厚度和折射率都完全相同的一对平行玻璃板，称为分光板，在其表面镀有半反射半透射膜，称为补偿片，与平行。当光照到上时，在半透膜上分成两束光，透射光1射到，经反射后，透过，在的半透膜上反射到达；反射光2射到，经反射后，透过射向。两束光在玻璃中的光程相等。当观察者从处向看去时，除直接看到外还可以看到的像。于是1、2两束光如同从与反射来的，因此迈克尔逊干涉仪中所产生的干涉和～间形成的空气薄膜的干涉等效。（二）干涉条纹1.等倾干涉调节和,使与严格平行。对于入射角为的光线，与反射光的光程差为：为和的间距。由上式，可以得到产生明暗条纹的条件 其中，为整数。变化过程中缩进或冒出的条纹数可以定量表示为： 其中为缩进或冒出的条纹数，为距离的改变量。2.等厚干涉当与有一定的交角时，两镜所在的平面之间会有一个交线。考虑与与交线距离为处以角入射的光束，该光束经过两镜片反射产生的光程差为 若、与都很小，以致时，光程公式可以近似为，此时将产生等厚干涉条纹。（三）利用干涉条纹测量空气折射率用激光器做光源，将内壁长为l的小气室置于迈克尔逊干涉仪光路中，固定在反射镜前。调节干涉仪，获得适量等倾干涉条纹之后，向气室里充气，再稍微松开阀门，以较低的速率放气的同时，计数干涉环的变化数，以及相应的气压变化值，可得气压为时的空气折射率为的时候,形成的干涉条纹就不是等倾干涉,而是等厚干涉,而且不是同心圆环。当不是等倾干涉条纹的时候,就会对波长的计算产生误差。2）读数误差。肉眼判断缩进或冒出的条纹，数条纹数时，读测微螺旋示数时会产生随机误差。计算在标准大气压下空气的折射率，并与理论值比较，计算相对误差。组别123456/kPa323640283424/kPa1417229166/kPa181918191818,,，经计算得经查得，空气折射率理论值相对误差误差分析：人为因素包括测量误差，测量小气室内的压强值，读数时等稳定后再读数。环境因素包括压强、温度、湿度等。气体的折射率跟压强的大小有关，气体的折射率会随着压强的变化而变化。同时，气体的折射率还与温度有关。【实验遇到的问题及解决的方法】1.仪器安装完毕，但没有干涉现象。有多种可能的情况。1）两个光点重合，但没有干涉现象。两束光的没有达到等光程的要求，可能是由于激光在传播过程中不在同一水平面上，可以通过反复调节光阑来调节。调节光阑的位置，在近距离的位置调节光阑使光线通过恰好通过光阑，观察光线是否还是恰好通过光孔。2）未加聚焦透镜前两光点重合，加聚焦透镜后重合点消失。可能因为光线未通过透镜的中心而发生折射造成光路偏折。3）两个镜面并没有完全垂直。在安装仪器的过程中，每个仪器应尽量保证光路通过仪器的中心，令光点的重合。2.当用非单色光（比如白光）作为迈克尔逊干涉仪的光源时，为什么就必须加补偿片？答：非单色光不同色光的折射率不同、波长不同，通过调节、的位置不能达到等光程的目的。测量空气折射率能否用白炽灯做光源？答：不能，白光干涉条纹数量少，且波长不是单值的。三、实验小结【体会或收获】实验前的预习很重要，通过了解指导书上的大纲，宏观地把握做实验的全程，做到成竹于胸，但我们又不能依赖于实验指导书，很多地方都需要我们自己去多去思考，它可以使我们养成良好的科学思维习惯。实验过程中最重要的便是要做到用心观察及如实的记录，有些时候，实验的具体步骤与参考书中有所不同，这就需要我们用心思考；实验后的数据处理及分析也考验了我们对该实验的整体把握。做光学实验最需要的就是耐