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1、实验65 迈克尔逊干涉仪的原理与使用一 实验目的(1).了解迈克尔逊干涉仪的基本构造,学习其调节和使用方法。(2).观察各种干涉条纹,加深对薄膜干涉原理的理解。(3).学会用迈克尔逊干涉仪测量物理量。二实验原理 1.迈克尔逊干涉仪光路如图所示,从光源S发出的光线经半射镜 的反射和透射后分为两束光线,一束向上 一束向右,向上的光线又经M1 反射回来, 向右的光线经补偿板后被反射镜M2反射回来 在半反射镜处被再次反射向下,最后两束光线在 观察屏上相遇,产生干涉。 2.干涉条纹(1).点光源照射非定域干涉如图所示,为非定域干涉的原理图。点S1是光源相对于M1的虚像,点S2是光源相对于M2所成的虚像。
2、则S1、S2所发出的光线会在观察屏上形成干涉。当M1和M2相互垂直时,有S1各S2到点A的光程差可近似为: 当A点的光程差满足下式时 A点为第k级亮条纹。由公式知当i增大时cosi减小,则k也减小,即条纹级数变高,所以中心的干涉条纹的级次是最高的(2)扩展光源照明定域干涉在点光源之前加一毛玻璃,则形成扩展光源,此时形成的干涉为定域干涉,定域干涉只有在特定的位置才能看到。M1与M2严格垂直时,这时由于d是恒定的,条纹只与入射角i在关,故是等倾干涉M1与M2并不严格垂直时,即有一微小夹角,这种干涉为等厚干涉。当M1与M2夹角很小,且入射角也很小时,光程差可近似为 在M1与M2的相交处,d0,应出现
3、直线条纹,称中央条纹。 3.定量测量(1).长度及波长的测量由公式可知,在圆心处i=, cosi=1,这时 从数量上看如d减小或增大N个半波长时,光程差就减小或增大N个整波长,对应就有N条条纹缩进中心或冒出。即这时数出N的数,就可求得。反之,如果测出,并数出条纹变化数N,就可测出光源的波长。(2).两谱线精细结构的测量形成暗条纹的条件是 如果光源为非单色光,而是含有两个相邻的波长、,且,则两种波长的光形成的干涉条纹位置不同。当移动平面镜M1与M2间距为d1时,会出现波长的k1级明条纹与波长级暗条纹位置重合,这时条纹的对比度最小,有 当M1继续移动时,两个重合的条纹慢慢错开,条纹的对比度又继续增
4、加,当条纹的对比度再次最小时,有 式减去得 令,同时,当、很接近时,取或则 由上式可知,如果平均波长已知,只需在干涉仪上测出连续两次对比度最小时M1的位置,即可求得该光波的波长差。(3).均匀透明介质的折射率或厚度测量定域干涉的等厚干涉现象,干涉条纹的明暗和间隔与波长有关。当用白光扩展光源时,不同波长所产生的干涉条纹明暗相互交错重叠,所以一般中能在中心条纹两旁看到对称的几条彩色的直条纹,稍远就看不见干涉条纹了。利用这一待点,可以测量均匀透明介质的折射率或厚度。光通过折射为n、厚度为l的透明介质时,其光程比通过同厚度的空气层要大l(n-1)。当白光干涉的中央条纹出现在干涉仪的平面镜M1中央后,如
5、果在G1与M1间插入一折射率为n、厚度为l的均匀薄玻璃片,则经M1与M2反射相健美操的两光束获得的附加光程差为 由于附加光程差的影响,使得白光干涉中央条纹位置发生变化,条纹模糊。档案库将平面镜1向G1方向移动一段距离,满足 ,则白光干涉中央条纹将重新回到原来位置。这时 l (n-1) 根据上式,测量平面镜1前移的距离,就可以测量薄玻璃片的厚度l或折射率n。三 实验器材迈克尔逊干涉仪及附件,He-Ne激光器,扩束镜,光源等。四 实验内容1. 必做内容(1).干涉仪的调节 调节干涉仪使在观察屏上可看到干涉条纹。再调拉簧螺丝,使干涉条纹处于光场中心,则M1与M2完全平行。(2).观察与分析He-Ne
6、激光的非定域干涉现象,并测量激光波长。1) 观察M1与M2严格垂直产生等倾干涉时,d0情况的干涉条纹及前后移动平面镜M1时条纹的变化情况。2) 移动观察屏的位置,观察条纹是否都清晰,扒断干涉条纹是否定域。3) 按测量波长,N要大于50.4) 观察M1与M2不严格垂直时等厚干涉的条纹。 2选做内容 (1)用钠黄光与毛玻璃形成扩展光源,观察分析定域干涉现象,并测量钠黄光谱线的波长差。1) M1与M2严格垂直产生等倾干涉时,在原观察屏上能否观察到干涉条纹?去掉观察屏用眼睛直接观察能否看到干涉条纹?解释原因。2) 观察在移动平面镜M1时,干涉条纹由清晰变模糊,由模糊再变清晰的周期过程,解释原因,同时测量其周期。3) 按式求出钠黄光的波长差。4) 观察M1与M2不严格垂直时的现象。 (2)白光干涉现象的观察,并设计出以下内容的测量方法:1) 测量平板玻璃折射率。2) 测量滤光片的中心波长和半通带宽度。