大学物理下-迈克尔逊干涉仪实验报告

大学物理实验报告实验名称：迈克尔逊干涉仪学院：专业：班级：学号：姓名：电话：实验日期：实验室房间号：实验组号：成绩指导教师批阅日期年月日1.实验目的：(1)了解迈克尔逊干涉仪的结构、原理及调节和使用方法；(2)观察等倾干涉条纹，学会测量He-Ne激光的波长；(3)学会测定钠光双线的波长差。2.实验器材：名称编号型号精度迈克尔逊干涉仪He-Ne激光光源钠光灯会聚透镜3.实验原理（请用自己的语言简明扼要地叙述，注意原理图需要画出，测试公式需要写明）(1)

迈克耳孙干涉仪的结构与光路如图5.3.

1所示为迈克耳孙干涉仪的侧视图图与俯视图，导轨7固定在一只稳定的底座上，底座由三颗调平螺丝9及其锁紧螺丝10来调平。丝杠6螺距为1mm，转动粗调手轮2，经一对齿轮带动丝杠转动，进而带动移动镜M在导轨上滑动。移动距离可在毫米刻度尺5上读到1

mm,在窗口3中的刻度盘上读到0.01

mm。转动微调手轮1,经1:100的蜗轮传动，可实现微动。微动手轮上的最小刻度为0.0001

mm，可估读到0.00001

mm

。分光板G1和补偿板G2固定在基座上，不得强扳，且不能用手接触其光学表面。固定参考镜(定镜)13和移动镜(动镜)11后各有三颗螺丝,用于粗调两者相互垂直，不能拧得太紧或太松，以免使其变形或松动。固定参考镜13的一侧和下部各有一

颗微调螺丝

14和15,可用来微调13的左右偏转和俯视，微调螺丝也不能拧得太松或太紧。丝杠的顶进力由丝杠顶进螺帽8来调整。迈克尔逊干涉仪的实验原理如图5.3.2所示。由光源S发出一束光，射到分光板G1的半透半反膜L上，L使反射光和反射的光强基本相同，所以称G1为分光板。透过膜层L的光束(1)经G2到达参考镜M1后，被反射回来；被反射的光束(2)到达移动镜M2后,也被反射回来。由于(1)、(2)两束光满足光的相干条件，各自反射回来在膜层L所在表面相遇后，就发生干涉,在E处即可观察到干涉条纹。G2是补偿板，它使光束(1)和(2)经过玻璃的次数相同，当使用白光作为光源时,G2还可以补偿G1的色散。M1’是在G1中看到的M1的虚像。(2)单色点光源等倾干涉条纹的观察及波长的测量如图5.3.3所示，由He-Ne激光器发出的细束平行激光经过会聚透镜聚焦于一点,相当于一个强度足够大的点光源.当M1’与M2互相平行，即M1与M2互相垂直时,对于与M2的法线和M1’的法线夹角皆为θ的入射光，经M1’与M2反射后，两束光的光程差为∆=2dcosθ，式中d为M1’与M2间的空气膜的厚度，在E处可以观察到明暗相间的同心圆环(图5.3.4)，每一个圆环对应一个恒定的倾角θ,称这种干涉为等倾干涉.观察这些同心圆的圆心处，此处有∆=2d,θ=0,由干涉条纹的明暗条件可知，圆心处干涉条纹的级数最高,并且当移动M2使d改变时，中心处条纹数随之增减,可观察到条纹由中心处“冒出”或“缩入”.而每当中心处“冒出”或“缩入”一个条纹,光程∆就增加或减少一个波长λ,d就增加或减少了λ/2，即M2移动了λ/2。根据M2移动的距离|∆d|及条纹级数改变的次数|∆k|,可以测出入射光的波长(3)钠光双线波长差的测定若实验中使用的不是单色光，则不同色光将按照式(5.3.1)各自形成一套干涉条纹，从而形成特殊的干涉图样.。如本实验以钠光入射，它有两条谱线，对应空气中波长分别为λ1和λ2(设λ1>λ2)，彼此十分接近，就会出现这样一种情况:当d为某一定值d1时,对同一入射角θi,有2d1cosθi=kλ2,且2d1cosθi=(k+1/2)λ1,此时λ2的k级明条纹与λ1的k级暗条纹重叠，视场中干涉条纹的可见度最低，如图5.3.5所示。逐渐增大d,存在一个d2值,使2d2cosθi=(k+∆k+1)λ1,此时λ1与λ2的亮纹重叠，视场中干涉条纹具有最好的可见度。可见，在两次可见度最低之间，有∆k1=∆k2+1式中∆k1,∆k2分别是两次混叠之间λ1和λ2所改变的级数.实验中,可在可见度良好的区域测出∆d，得到钠光谱双线的平均波长设两混叠区问距∆d0,相应的∆k记作∆k0，对λ1来说，;对λ2来说,λ2=从而其中故有由此即可测定钠光的平均波长λ12和两波长的波长差∆λ.4.实验内容与步骤1.调整迈克耳孙干涉仪及其光路(1)由导轨毫米标尺观察动镜M2是否在零程差附近(由实验室给出),若不在，则转动手轮2,以使调出的干涉环纹较宽,减少测量误差.点亮He-Ne激光器，调整其倾角与方位,使射出光束透过G1、G2的中心,垂直地射到定镜M1的中心部位，由G1反射到动镜M2的光也处于M2的中心部位.安装上毛玻璃观察屏,其上将会出现两排光斑，(2)调节M1背后的三颗螺丝,直到两排光斑中相对应的两个较亮光斑完全重合，此时仔细观察，可隐约看到重叠的光斑上有干涉条纹.(3)将会聚透镜放在激光出射口之前，调整其高低方位，使观察屏上出现照明均匀的干涉图样，再继续调节M1背后的三颗螺丝，使屏上呈现圆形干涉条纹.调节两颗倾度微调螺丝,使干涉条纹中心在视场中央.2.观察激光的非定域干涉现象(1)观察条纹的“冒出"和“缩入”与d的变化关系，(2)观察条纹的粗细和间距如何随θ与d而变化.(3)将观察屏放在不同的位置，观察是否均可出现干涉条纹。3.测量He-Ne激光的波长(1)将M2重新移至零程差附近转动微调手轮，在观察屏上看到“冒出”或“缩入”几个圆环以后,记下M2的位置.(2)同方向转动微调手轮，使中心圆环“冒出”或“缩入”N=60个条纹时，记下M2的新位置.测量8次.(3)计算He-Ne激光波长λ，并与公认值λs进行百分差比较.4.观察钠光的视见度变化，测量钠双线的波长差(1)将激光器换成钠光灯,并去掉观察屏,用眼睛直接观察扩展光源的等倾干涉图样.如看不到干涉条纹的中心部位，可细心调节两个微调螺旋.(2)转动微调手轮,观察视见度的变化情况，并调至视见度最低的位置,记下M2的位置S1.继续同方向转动微调手轮，调到视见度再次达到最低时M2的位置S2.(3)转动粗调手轮，使动镜M2位于零程差位置，记下M2的位置S1',然后顺时针转动粗调手轮，直到干涉条纹完全消失,记下M2的新位置S2’.(4)计算钠双线的波长差，并与其公认值进行百分差比较.计算钠光相干长度粗略测量值.5.实验记录（注意：单位、有效数字、列表）请粘贴“原始数据模板”照片（有教师盖章）6.数据处理及误差分析7.思考题及实验小结思考题如何使用迈克尔逊干涉仪测量材料的微小长度的变化？迈克尔逊干涉仪把一束激光分成两束，经过平面镜分别反射,再干涉,形成干涉环,如果有材料的长度的变化,反映出光程差的变化这样,原来干涉相消的位置可能就会干涉相长,看起来就像环溢出或者收回,通过数干涉环溢出或者收回的个数,就可以计算长度变化的多少.折射率*变化的长度/激光波长=相位差=2*3.14*变化的干涉环数.实验小结在调整迈克尔逊干涉仪时需