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1、实验报告班级 姓名 学号 日期2011-9-19 室温30.9气压102.34 成绩教师 实验名称迈克尔逊干涉仪的调节和使用 【实验目的】1. 了解迈克尔逊干涉仪的工作原理，掌握其调节和使用的方法。2. 应用迈克尔逊干涉仪，测量He-Ne激光的波长【实验仪器】迈克尔逊干涉仪（WSM-200 03040303 20100538)He-Ne激光器 扩束镜迈克尔逊干涉仪的主体结构迈克尔逊干涉仪的主体结构如图3-45（a）所示，由下面6个部分组成。1微调手轮2粗调手轮3读数窗口4可调螺母5毫米刻度尺6精密丝杆7导轨（滑槽）8螺钉9调平螺丝10锁紧圈11移动镜底座12紧固螺丝13滚花螺丝14全反镜15水
2、平微调螺丝16垂直微调螺丝17观察屏固定杆18观察屏图3-45迈克尔逊干涉仪结构（1）底座底座由生铁铸成，较重，确保仪器的稳定性。由3个调平螺丝9支撑，调平后可以拧紧锁紧圈10以保持座架稳定。（2）导轨导轨7由两根平行的长约280mm的框架和精密丝杆6组成，被固定在底座上，精密丝杆穿过框架正中，丝杆螺距为1mm，如图3-45（b）所示。（3）拖板部分拖板是一块平板，反面做成与导轨吻合的凹槽，装在导轨上，下方是精密螺母，丝杆穿过螺母，当丝杆旋转时，拖板能前后移动，带动固定在其上的移动镜11（即M1）在导轨面上滑动，实现粗动。M1是一块很精密的平面镜，表面镀有金属膜，具有较高的反射率，垂直地固定在
3、拖板上，它的法线严格地与丝杆平行。倾角可分别用镜背后面的3颗滚花螺丝13来调节，各螺丝的调节范围是有限度的，如果螺丝向后顶得过松，在移动时可能因震动而使镜面有倾角变化，如果螺丝向前顶得太紧，致使条纹不规则，严重时，有可能使螺丝口打滑或平面镜破损。（4）定镜部分定镜M2是与M1相同的一块平面镜，固定在导轨框架右侧的支架上。通过调节其上的水平拉簧螺钉15使M2在水平方向转过一微小的角度，能够使干涉条纹在水平方向微动；通过调节其上的垂直拉簧螺钉16使M2在垂直方向转过一微小的角度，能够使干涉条纹上下微动；与3颗滚花螺丝13相比，15、16改变M2的镜面方位小得多。定镜部分还包括分光板P1和补偿板P2
4、，后面原理部分将介绍。（5）读数系统和转动部分 动镜11（即M1）的移动距离毫米数可在机体侧面的毫米刻尺5上直接读得。 粗调手轮2旋转一周，拖板移动1mm，即M2移动1mm，同时，读数窗口3内的鼓轮也转动一周，鼓轮的一圈被等分为100格，每格为10-2mm，读数由窗口上的基准线指示。 微调手轮1每转过一周，拖板移动0.01mm，可从读数窗口3中可看到读数鼓轮移动一格，而微调鼓轮的周线被等分为100格，则每格表示为10-4mm。所以，最后读数应为上述三者之和，如图3-46所示。图3-46 迈克尔逊干涉仪的读数（6）附件支架杆17是用来放置像屏18用的，由加紧螺丝12固定。【实验原理】1相干光的获
5、得迈克尔逊干涉仪是利用分振幅的方法产生双光束来实现干涉的。其工作原理如图3-47所示，M1、M2为两垂直放置的平面反射镜，分别固定在两个垂直的臂上。P1、P2平行放置，与M2固定在同一臂上，且与M1和M2的夹角均为45。M1由精密丝杆控制，可以沿臂轴前后移动。P1的第二面上涂有半透明、半反射膜，能够将入射光分成振幅几乎相等的反射光1、透射光2，所以P1称为分光板（又称为分光镜）。1光经M1反射后由原路返回再次穿过分光板P1后成为1光，到达观察点E处；2光到达M2后被M2反射后按原路返回，在P1的第二面上形成2光，也被返回到观察点E处。由于1光在到达E处之前穿过P1 3次，而2光在到达E处之前穿
6、过P1 1次，为了补偿1、2两光的光程差，便在M2所在的臂上再放一个与P1的厚度、折射率严格相同的P2平面玻璃板，满足了1、2两光在到达E处时无光程差，所以称P2为补偿板。由于1、2光均来自同一光源S，在到达P1后被分成1、2两光，所以两光是相干光。综上所述，光线2是在分光板P1的第二面反射得到的，这样使M2在M1的附近（上部或下部）形成一个平行于M1的虚像M2（即M2是M2经P1反射而成的虚像）。因而，在迈克尔逊干涉仪中，自M1、M2的反射相当于自M1、M2的反射。也就是，在迈克尔逊干涉仪中产生的干涉相当于M1与M2之间的空气薄膜所产生的干涉。当M1与M2严格平行时，空气膜厚度相同，所发生的
7、干涉为等倾干涉，可以观察到由一系列同心圆环组成的等倾干涉条纹。当M1与M2不平行且M2与M1足够靠近时，空气膜可看作夹角恒定的楔形薄膜，所发生的干涉为等厚干涉，可以观察到一系列互相平行，宽度相同的等厚干涉条纹。迈克尔逊干涉仪产生干涉的形成条件与条纹特点不仅与M1、M2的相对位置有关，而且与所用光源有关。在干涉仪中，M2可沿着与其表面垂直的方向平移，当M2平移时，M1与M2之间的距离d将发生变化。对等倾条纹来说，当d逐渐增大时，同心圆环不断向外扩展；当d逐渐减小时，同心圆环不断向内收缩。在实验中，我们就以等倾条纹的这一变化规律作为判断光程差增减的依据。当M2与M1相交且交角很小时，若用白光作光源
8、，则可看到彩色的条纹。若是等厚干涉，则中央是一条白色条纹，两侧有若干彩色条纹。中央条纹对应于d=0。2测量He-Ne激光波长（1）单色点光源产生的干涉及波长的测量He-Ne激光用短焦距透镜会聚后是一个相干性很好的点光源，经M1、M2反射后的相干光束相当于两个距离为2d的两个虚光源S1和S2，由这两个虚点光源发出的球面波在空间处处相干，这种干涉称为非定域干涉，即在两束光相遇的空间内均能用观察屏接收到干涉图像。若将观察屏放在不同的位置，则可以看到不同形状的干涉条纹。普通光源不是点光源，它们是由许多互不相干的点光源集合而成，但每个点光源发出的光，经迈克尔逊干涉仪后可以发生干涉，形成稳定的干涉图样。当
9、M1和M2严格平行且相距为d时，所有倾角为i的入射光束，由M1和M2反射的光线的光程差为（3-60）它们将处于同一级干涉条纹，并定位于无穷远。两束相干光明暗条件为（3-61）式（3-61）中i为反射光1在平面反射镜M1上的反射角，l为激光的波长，n2为空气薄膜的折射率，d为薄膜厚度。凡i相同的光线光程差相等，并且得到的干涉条纹随M1和M2的距离d而改变。当i=0时光程差最大，在O点处对应的干涉级数最高。由（3-61）式得（3-62）（3-63）由公式（3-63）可得，当d改变一个1/2l时，就有一个条纹“涌出”或“陷入”，所以在实验时只要数出“涌出”或“陷入”的条纹个数N，读出l的改变量Dd就
10、可以计算出光波波长l的值（3-64）从迈克尔逊干涉仪装置中可以看出，S1发出的凡与M2的入射角均为i的圆锥面上所有光线a，经M1与M2的反射和透镜L的会聚于L的焦平面上以光轴为对称同一点处；从光源S2上发出的与S1中a平行的光束b，只要i角相同，它就与1、2的光程差相等，经透镜L会聚在半径为的同一个圆上，如图3-48所示。（2）用迈克尔逊干涉仪测量钠光的双线波长差一般光学实验中所用的单色光源发出的光并不是绝对的单色光，它所辐射的光波有一定的波长范围D。钠光中光强最强的谱线有两条，波长分别为1、2。移动M1，当光程差满足两列光波的光程差恰为1的整数倍，而同时又为2的半整数倍，即，又（3-65）当
11、改变Dd时，光程差为，又 （3-66）这时1光波生成亮环的地方，恰好是2光波生成暗环的地方。如果两列光波的强度相等，则在此处干涉条纹的视见度应为零（即条纹消失）。那么干涉场中相邻的两次视见度为零时， 公式（3-65）和公式（3-66）两式对应相减得光程差变化量（3-67）由式（3-67）得于是，钠光的双线波长差为（3-68）式中/2在视场中心处，当M1在相继两次视见度为0时，移过Dd引起的光程差变化量为则（3-69）从式（3-69）可知，只要知道两波长的平均值和M1镜移动的距离Dd，就可求出钠光的双线波长差Ddl。【实验步骤】1迈克尔逊干涉仪的调整（1）按图3-47所示安装HeNe激光器和迈克
12、尔逊干涉仪。打开HeNe激光器的电源开关，光强度旋扭调至中间，使激光束水平地射向干涉仪的分光板P1。图3-47迈克尔逊干涉仪工作原理（2）调整激光光束对分光板P1的水平方向入射角为45。如果激光束对分光板P1在水平方向的入射角为45，那么正好以45的反射角向动镜M1垂直入射，原路返回，这个像斑重新进入激光器的发射孔。调整时，先用一张纸片将定镜M2遮住，以避免M2反射回来的像干扰视线，然后调整激光器或干涉仪的位置，使激光器发出的光束经P1折射和M1反射后，原路返回到激光出射口，这已表明激光束对分光板P1的水平方向入射角为45。（3）调整定臂光路将纸片从M2上拿下，遮住M1的镜面。发现从定镜M2反
13、射到激光发射孔附近的光斑有4个，其中光强最强的那个光斑就是要调整的光斑。为了将此光斑调进发射孔内，应先调节M2背面的3个螺钉，改变M2的反射角度。微小改变M2的反射角度再调节水平拉簧螺钉15和垂直拉簧螺钉16，使M2转过一微小的角度。特别注意的是，在未调M2之前，这两个细调螺钉必须旋转到中间位置。（4）拿掉M1上的纸片后，要看到两个臂上的反射光斑都应进入激光器的发射孔，且在毛玻璃屏上的两组光斑完全重合，若无此现象，应按上述步骤反复调整。（5）用扩束镜使激光束产生面光源，按上述步骤反复调节，直到毛玻璃屏上出现清晰的等倾干涉条纹。2测量He-Ne激光的波长用粗动手轮把平面射镜M1移至30mm左右。
14、点亮氦氖激光器，使激光束经过分光板P1分束，会出现两排各3点的光斑。调节M1和M2的两种镜后的螺旋。改变M1、M2镜的方位，使两排光斑重合并能观察到这些光斑有振动现象并有微少干涉条纹。再在激光器前放一扩束透镜，屏上即可呈现出干涉纹，缓慢细心调节M2镜后的调节螺丝，即可出现圆形条纹。图3-48迈克尔逊干涉光路图迈克尔逊干涉仪的手轮操作和读数练习，连续同一方向转动微调手轮，仔细观察屏上的干涉条纹“涌出”或“陷入”现象，先练习读毫米标尺、读数窗口和微调手轮上的读数。掌握干涉条纹“涌出”或“陷入个数、速度与调节微调手轮的关系。经上述调节后，读出动镜M1所在的相对位置，然后沿同一方向转动微调手轮，仔细观
15、察屏上的干涉条纹“涌出”或“陷入”的个数。每隔100个条纹，记录一次动镜M1的位置。共记500条条纹，读6个位置的读数，填入自拟的表格中（在调节和测量过程中，一定要非常细心，转盘的转动缓慢，均匀，为了防止引进螺距差，每次测量必须沿同一方向旋转转盘，不得中途倒退，且不能振动仪器）。3观察汞灯白光的彩色干涉条纹用激光观察到干涉条纹时，缓慢转动粗动手轮，使干涉圆环条纹向里陷入，使得干涉条纹变粗，当视场范围内只剩下几条干涉条纹时，把激光换成汞灯白光，就可以观察汞灯白光的彩色干涉条纹了。4测量钠光D双线（D1D2）的波长差用激光观察到干涉条纹时，缓慢转动粗动手轮，使干涉圆环条纹向里陷入，使得干涉条纹变粗，当视场范围内只剩下几条干涉条纹时，把激光换成钠光，将观察到干涉条纹，再仔细、慢慢地调节M2镜旁的微调弹簧，使条纹成清晰的圆形。向一个方向快速转动微动手轮（或缓慢转动粗动手轮）移动M1镜，使视场中心的可见度最小（即干涉条纹变模糊
