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1、迈克尔逊及迈克尔逊 干涉仪实验 陕西师范大学物理学与信息技术学院 吴* 一、迈克尔逊及其对物理学发展的主要贡献 二、迈克尔逊干涉仪及光波波长的测量 三、古老原理的现代应用 一、著名物理学家阿尔伯特-迈 克尔逊及其对物理学发展的主要贡 献 1 阿尔伯特-迈克尔逊（Albert Abrahan Michelson，1852 1931）简介 美国著名实验物理学家：迈 克尔逊，1852 年12月19日出生于 波兰一个犹太商人家庭，1856年 随父母移居美国.1873年毕业于美 国海军学院。 n1883年任俄亥俄州克 利夫兰市开斯应用科 学学院物理学教授 n1889年成为麻省伍斯 特的克拉克大学的物 理
2、学教授。 n1892年到一个全新的 大学芝加哥大学 任物理学系教授，并 成为该系第一任系主 任。 1907年迈克尔逊因为“发明光学干涉仪并使用 其进行光谱学和基本度量学研究” 而成为美国 历史上第一位诺贝尔物理学奖获得者。 1910-1911年担任美国科学促进会主席。 1923-1927年担任美国科学院院长。 月球上的一个环形山是以他的名字命字。 1931年5月9日逝世于加利福尼亚的帕萨迪纳。 2、“以太漂移”学说的 提出 十八世纪后，惠更斯、杨氏双缝干涉实 验证明了光的波动性，并建立了光的波动理 论。人们为了解释光的传播而引入“以太” 的概念。设想“以太”是弥漫在整个宇宙空 间的一种物质。光
3、借助“以太”这种介质传 播。“以太” 的提出是假设，被当时物理学 界所接受。但如何用实验验证“以太”的存 在，许多物理学家用不同的实验进行了检验 ，具有代表性的是迈克尔逊的干涉仪实验最 为著名。 3、迈克尔逊莫雷实验 按经典理论地球在“以太”中绕太阳公 转，就象急驰的火车相对于周围空气运动而 产生一股风一样.也应有一股“以太风”。迈 克尔逊-莫雷实验就是为了测量“以太 风”而设计的。 实验装置如图所示 迈克尔孙干涉仪俯视图 测定“以太风”速率的实验设计思想 设计思想如图所示， 按照以太学说，光在以 太中传播速率是C，而以 太相对于地球的 速率为 。实验时观察相干条 纹，然后把仪器平稳转 动90
4、，再观察转动前 后干涉条纹的变化。若 干涉仪臂长 LMM1=LMM2=d 所需的 时间为: 根据经典速度合成公式， 光由MM1 M 光由MM2M所需的时间 为: 故两束光到达T的时 间差为: 干涉仪转动90前后时间差的改变为 由此而引起的光程差为: 从而引起干涉条纹移动的条数: 应应用数学展开，略去高次项项可得: 实验实验 中用钠钠光源，=5.9107； 地球的轨轨道运动动速率为为：104c； 干涉仪仪光臂长长度为为11m; 应该应该 移动动的条纹为纹为 ： 11(104)20.4 干涉仪仪的灵敏度:可观观察到的条纹纹数为为0.01条。 而实验结实验结 果没有观观察到条纹纹移动动. 设设 实验
5、结实验结 果没有观观察到条纹纹移动动，即 故推出 即“以太漂移”速度 实验结果显示“以太”不存在。 迈克尔逊验证“以太”实验的主要阶段 、1881年4月在 天文台的地下室进行 第一次实验后，得到 出乎意料的结果，实 验结果发表后，立即 引起物理学界的非议 。其本人承受巨大压 力。 、1884年著名物理学家开尔文访美，并 会见迈克尔逊，赞扬并鼓励他继续实验，建 议他和其助手莫雷合作实验。 1887年7月，进行第二次实验，用大石板 浮在水银槽上实验（可自由旋转方向，稳定 性好，精度高）共四天，结果仍然是零。 、1897年，迈克尔逊第三次实验，将干 涉仪掉在天花板上，为防止空气的干扰，光 路用铁管密
6、封，抽去空气，得到的仍然为零 结果。 4、迈克尔逊的主要科学贡献 迈克尔逊一生在追求科学和真理，他主要从 事光学和光谱学方面的研究，他以毕生精力从事 光速的精密测量，在他的有生之年，一直是光速 测定的国际中心人物。主要科学贡献有： 迈克尔逊的第一个重大科学贡献是发明了 迈克尔逊干涉仪，并用它完成了著名的迈克-莫雷 实验. 这是一个最重大的否定性实验，这次实验的 结果否定了“以太”学说，动摇了经典物理学的 基础，为爱因斯坦狭义相对论的建立铺平了道路. 迈克尔逊是第一个倡导用光波的波长作为 长度基准的科学家，1892年迈克尔逊利用特制的干 涉仪，以法国的米原器为标准，在温度15摄氏度、 压力760
7、毫米汞柱的条件下，测定了镉红线波长是 6438.4696埃，于是，1米等于1553164倍镉红线波 长。这是人类首次获得了一种永远不变且毁坏不了 的非实物长度基准。 在光谱学方面，迈克尔逊发现了氢光谱的 精细结构以及水银和铊光谱的超精细结构，这一发 现在现代原子理论中起了重大作用，其成果对现代 分子物理学、原子光谱和激光光谱学等新兴学科都 产生了重大影响 由于创制了精密的光学仪器和 利用这些仪器所完成的光谱学和基 本度量学研究，迈克尔逊于1907年 获诺贝尔物理学奖。 迈克尔逊是一位杰出的实验物理学家， 他所完成的实验都以设计精巧、精确度高而 闻名，爱因斯坦曾这样赞誉： “我总认为迈克尔逊是科
8、学中的艺术家, 他的最大乐趣似乎来自实验本身的优美和所 使用方法的精湛,他从来不认为自己在科学上 是个严格的专家,但始终是个艺术家。” 重要的物理思想+巧妙的实验构思+精湛的实验技术 科学中的艺术 二、迈克尔逊干涉仪测光波波 长 1、迈克尔逊干涉仪光路图 M1与M2之间形成的是 一个空气薄膜。迈克 尔逊干涉仪产生的干 涉，与M1、 M2之间的 空气薄膜产生的干涉 是等效的。改变M1、 M2的相对位置，就可 以得到各种形式的干 涉条纹。 d 2、干涉环的产生 等倾干涉光路图 等倾干涉圆环 实验条件:M1与M2平行时，即M1与M2严格垂直 。（1）和（2）的光程差可如下计算： 当d 一定时，光程差
9、只取决于 。这样，以中心线为 对称轴的同一角入射的光线，反射后形成一个圆形干 涉环；以各种不同倾角入射的光线，反射后形成一组 同心的明暗相间的等倾干涉环。形成明（即亮）和暗 的条件是： 3、干涉环的变化规律 干涉图像中， 随着d的增大或减 小，条纹从中心“冒 出”或向中心“缩 入”。 4、光波波长的测量 当M1移动d时，有N个 干涉条纹的变化，则 测量出N个条纹变化 对应的d，即可求出 波长。 5、实验内容 基本实验： 1、调节迈克尔逊干涉仪，观察干涉条纹 的变化； 2、测量氦氖激光的波长； 3、分析实验结果，总结实验过程，完成 论文式实验报告。 设计实验： 1、设计实验方案，测量钠光二谱线波
10、长差及其相干长 度； 2、设计实验方案，测量透明介质的折射率； 3、自选设计实验。 迈克尔逊干涉仪简介迈克尔逊干涉仪简介 观察屏 分光板 补偿板 全反镜 粗调手轮 细调手轮 竖直调节螺丝 水平调节螺丝 光学相干CT 断层扫描成像新技术 （Optical Coherence Tomography简称OCT） CT-Computed Tomography 计算机断层成象 第二代： NMR CT核磁共振成象 第三代： 光学相干CTOCT 微米量级的空间分辨率 第一代： X射线CT 射线CT工业CT 三、“古老”原理的现代应用之例 迈克尔逊干涉仪是历史上最著名的经典干涉仪，其 基本原理已经被推广到许多
11、方面，研制成各种形式的精 密仪器，广泛地应用于生产和科学研究领域 原理 * 样品中不同位置处反射 回的光脉冲延迟时间不同 * 不同的材料或结构反射 的强度不同 激光器的脉冲宽度要很小1015秒 飞秒 要实现微米量级的空间分辨率,即 就要求能测量 秒的时间延迟 时间延时短至10141015s 电子设备难以直 接测量 光源 探测器 参考镜 眼睛 可利用光学迈克耳逊干涉仪原理 只有当参考光与 信号光的某个脉 冲经过相等光程 时才会产生光学 干涉现象 因为1015秒 的光脉冲大约只有一个波长 要测量从眼内不同结构回来的光延迟,只须移动参考镜 使参考光分别与不同的信号光产生干涉 参考臂扫描可得到样品深
12、度方向的一维测量数据 光束在平行于样品表面的 方向进行扫描测量,可得到横 向的数据 将得到的信号经计算机处理 便可得到样品的立体断层图像 分别记录下相应的参考镜的空间位置,这些位置便反 映了眼球内不同结构的相对空间位置 光源 探测器 参考镜 眼睛 实验装置光纤化的迈克耳逊干涉仪 光源 电子学系统计算机 探 测 器 光纤耦合器样 品 光纤聚焦器 反 射 镜 大葱表皮的 OCT 图像 实际样品大小为10mm4mm，图中横向分辨 率约为20m 纵向分辨率约为25m 应用 生物医学材料科学 我国第一台OCT的第一张图 清华原子分子国家重点实验室 兔子眼球前部的OCT图像 晶状体上皮 睫状体 角膜后表面
13、 角膜前表面 光学相干断层扫描（optical coherence tomography） 参考链接 医用光学相干层析成像仪 光学相干层析技术（Optical Coherence Tomography, OCT ）是近十年迅速发展起来的一种成像技术，它利用弱相干光 干涉仪的基本原理，检测生物组织不同深度层面对入射弱相 干光的背向反射或几次散射信号，通过扫描，可得到生物组 织二维或三维结构图像。 虞启琏：生物组织光学成像技术及其医学应用 OCT利用宽带光源的短程相干特性对活体组织内部结构断层 成像。OCT系统一般由低相干光源(SLD或超快激光器)和迈克 尔逊光纤干涉仪组成。OCT是结合了空间门、
14、相干门及其他 形式的门技术。目前OCT可探测深度由几个毫米到厘米量级 ，空间分辨率达到220mm。 薛平、钱俊雯、刘志荣、陈瓞延：断层扫描成像新技术 光学相干计算机断层摄影术 OCT原理类似于超声成像，只是用光波代替了声波。由于光 波波长很短，因而分辨率高，而且成像时不需接触样品。 清华大学物理系OCT研究组 光学相干CT（Optical Coherence Tomography），简 称OCT，中文全称为“光学相干层析”，是继X射线CT 、MRI、超声诊断技术之后的又一种新的医学层析成像 方法。它集半导体激光技术、光学技术、超灵敏探测 技术和计算机图像处理技术于一身，能够对人体、生 物体进行
15、无伤害的活体检测，获得生物组织内部微观 结构的高分辨截面图像. Optical coherence tomography (Cardiovascular Radiation Medicine 4, 2003)(PDF) Optical coherence tomography (OCT) is a light-based imaging modality that can be used in biological systems to study tissues in vivo with near-histologic, ultrahigh resolution. The rationale
16、 for intravascular application of OCT is its potential for in vivo visualisation of the coronary artery microstructure. Miniature endoscope for simultaneous optical coherence tomography and laser-induced fluorescence measurement (1 January 2004 Vol. 43, No. 1 APPLIED OPTICS)(PDF)January 2004 Vol. 43, No. 1 APPLIED OPTICS)(PDF) We have designed a multimodalit
