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1、补偿片度数窗大转轮垂直拉杆调节螺钉主咅反光镜1刀兀t兄费叫导轨反九現 调节螺钉 （各3个）微调转轮直尺（图后）反光镜2图29-1 WSM-100型迈克尔逊干涉仪实物图实验 5 迈克耳孙干涉仪的调节和使用实验目的】1. 了解迈克尔逊干涉仪的结构和干涉花样的形成原理。2. 学会迈克尔逊干涉仪的调整和使用方法。观察等倾干涉条纹，测量待测光源的 波长。3. 观察等厚干涉条纹，测量钠光的双线波长差。【仪器和用具】迈克尔逊干涉仪（WSM-100型），氦氖激光，毛玻璃屏。【实验原理】1. 迈克尔逊干涉仪的介绍19世纪末，迈克尔逊为了确定当时虚构的光传播介质“以太”的性质，设计和 制造了该种干涉仪，并在188
2、1年与莫雷合作在该干涉仪上进行了历史上有名的迈克尔 逊莫雷测“以太”风实验，实验得到了否定的结果，为爱因斯坦1905年创立相对论 提供了实验基础.迈克尔逊也因此获得1907年诺贝尔物理学奖。迈克尔逊干涉仪原理简明，构思巧妙，堪称精密光学仪器的典范。其原理是用分 振幅的方法产生双光束以实现 干涉的仪器。它的主要特点是 两相干光束完全分开，这就很 容易通过改变一光束的光程来 改变两相干光束的光程差，而 光程差可以以光波的波长为单 位来度量，随着对仪器的不断 改进，还能用于光谱线精细结 构的研究和利用光波标定标准 米尺等实验。因此，根据迈克 尔逊干涉仪的基本原理，研制 的各种精密仪器已被广泛应用于长
3、度精密计量、光学平面的质量检验和傅里叶光谱技术等方面，迈克尔逊干涉仪是 许多近代干涉仪的原型。WSM-100 型迈克尔逊干涉仪的实物图如图 29-1所示。（1）反光镜 1 和反光镜 2：这是两个互相垂直放置的平面镜，镜面镀有金属膜， 具有很高的反射率。（2）分光镜和补偿片：分光镜又称为分光板，是一块平行平面玻璃板，其第二平 面上镀有一层半透（反射）膜，可以将以 450 入射的一列光分成两列振幅近乎相等的 反射光和透射光。补偿片也称补偿板，它的厚度和折射率都与分光板相同，且与分光 板平行放置，用以补偿通过分光镜的透射光与反射光之间附加的光程差。（3）传动部分和读数系统：转动大转轮和微调鼓轮，都可
4、使导轨上的转轴转动， 从而带动反光镜 1 沿导轨移动。反光镜 1 的位置或移动的距离可由机体侧面的毫米刻 尺、读数窗口内刻度和微调鼓轮的读数确定。粗调手轮旋转一周，拖板移动1 毫米,即反光镜1 移动 1 毫米，同时，读数窗口内 的鼓轮也转动一周，鼓轮的一圈被等分为 100格，每格为 10-2毫米，读数由窗口上的 基准线指示。微调鼓轮每转过一周，拖板移动0.01 毫米，可从读数窗口中可看到读数刻度移动 一格，而微调鼓轮的周线被等分为 100 格，则每格表示为 10-4 毫米。如图 29-2 所示的读数为 33.52246mm。图29-2读数系统2. 用迈克尔逊干涉仪测量光波波长迈克尔逊干涉仪的工
5、作原理 如图 29-3 所示，光束 S 以 450角入射到分光板行，通过半透膜 的分光作用，分为反射光 1 和透 射光 2，反射光 1到达反光镜 1 后再次反射沿原路返回，记为反射光1, T通过P1得到透射光1。1 . 2而透射光2经过补偿板P2,到达j：反光镜2后反射沿原路返回记为2，经P1得到反射光2。光线1和线2来自同一光源 S因而是相干光，它们到达E处时将产生干涉。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(前面或后面) 形成一个平行于M的虚像MJ ,因而，在迈克尔逊干涉仪中，自M、M2的反射相 当于自MM2，的反射。也就是，在迈克尔逊干涉仪中产图29-3迈克尔逊干
6、涉仪工作原理图生的干涉相当于厚度为d的空气薄膜所产生的干涉。M和M2，反射的两束光的光程程差为5 = 2dn cosi(29-1)2式中i为反射光1在平面反射镜M上的反射角，久为入射光的波长，n2为空气薄膜的 折射率，近似为1, d为薄膜厚度。它们将处于同一级干涉条纹，并定们于无穷远。如 果在E处放一会聚透镜，将在其焦平面上看到一组明暗相间的同心圆纹。 两束相干光明暗条件为5 = 2dn2 cosi =一仇(k+2)(k = 1,2,3,)29-2)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E点处对应的干涉级数最高。由(29-2)式得2
7、d cos i = k九 n d =k九cos i 2由式(29-3)可知，当M和M2的距离d增大时，对于任一 K级干涉条纹， 其COSI的值将减小，此干涉条纹将向i变大的方向移动，即条纹向外扩展，我们 将看到条纹从中心向外“涌出”，且当距离d每增加1九时就有一个条纹从中心“涌2出”。反之，当距离d每减少-九时，就会有一个条纹向中心“陷入”由此可知，2连续“涌出”或“陷入” N个条纹时，距离d的改变量Ad满足如下关系：Ad = N-(29-4)2所以在实验时只要数出“涌出”或“陷入”的条纹个数N,读出d的改变量Ad 就可以计算出光波波长九的值九=型(29-5)N从迈克尔逊干涉仪装置中可以看出，
8、S发出的凡与M1的入射角均为i的圆锥面上 所有光线，经透镜L会聚在半径为r的同一个圆上，实际实验时，如果调节M2与M1 严格垂直，则我们用眼睛观察到的图像就是明暗相间的同心圆环，称为等倾干涉条纹 如图29-6 (a)所示，如果M2与M严不严格垂直，则出现等厚干涉条纹(图29-6中 (b),(c)。根据式(29-5)测量波长九时必须在等倾干涉下进行。(a)(b)(c)图29-4等倾干涉条纹(a)和可能的等厚干涉条纹(b)(c)实验内容与步骤】1、迈克尔逊干涉仪的调整(1) 按图29-5原理图摆放好钠灯和迈克尔逊干涉仪。在钠光的灯罩窗口上放置 毛玻璃，点亮钠灯，得到均匀的扩展光源，在光源和P1之间
9、加一指针或尖状物(如笔 尖)。(2) 旋转粗调手轮，使M和M2至P1镀膜面的距离大致相等，沿EP方向观察， 将看到尖状物有三个像(在其中两个像基本会固定不动，称为固定动像，第三个像则 会随着对M和M2背后的三个螺丝的调节会发生移动，称为可动像)。(3) 仔细调节M和M2背后的三个螺丝，改变M和M2的相对方位，直至可动 像与两固定动像之一在水平方向和铅直方向均完全重合；再继续微调三个螺丝，可观 察到干涉条纹，(此时一般是等厚干涉条纹)。(4) 细致缓慢调节M1下方的两个微调节拉簧螺丝，使干涉条纹中心随观察者的 眼睛左右上下的移动而移动，但不发生条纹的“涌出”或“陷入”现象。此时，才是 严格的等倾
10、干涉。(5该系统中M2为动镜，传动比为20 : 1，即从螺旋测微计上读出的最小分度值 0.01mm相当于动镜移动0.0005mm2、测量激光的波长(1) 旋转粗调手轮，使m2移动，观察条纹“涌出”或“陷入”现象，观察d的 取值与条纹粗细、疏密的关系。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。(2) 当视场中出现清晰的、对比度好的干涉圆环时，读出动镜M2所在的相对位 置，此为“0”位置，然后沿同一方向转动微调手轮，仔细数干涉条纹“涌出”或“陷 入”的个数。每隔50或100个条纹，记录一次动镜M2的位置，连续记录5个这样 的位置。(3) 由(29-5)计算激光的波长。取其平均
11、值与公认值(632.8纳米)比较， 计算相对误差。环数测微螺旋读数动镜移动量 N为150环时的 d值0dn=d0=0.0000mm di= d3 - d0=50di=di= d = d d =241100d=d2= d = d d =352JJ-Ad + Ad + AdAd =123 =3150d3 =d3=200d4=d4=250实验数据记录及处理】氦氖激光的波长九2AdAN计算相对误差注意事项】1. 在调节和测量过程中，一定要非常细心和耐心，转动手轮时要缓慢、均匀。2. 为了防止引进螺距差，每项测量时必须沿同一方向转动手轮，途中不能倒退。3. 在用激光器测波长时，M1镜的位置应保持在29-
12、60毫米范围内。4. 为了测量读数准确，使用干涉仪前必须对读数系统进行校正。实验 6 单缝衍射实验实验目的】1观察单缝衍射现象，加深对衍射理论的理解。2会用光电元件测量单缝衍射的相对光强分布，掌握其分布规律。3学会用衍射法测量微小量。仪器和用具】光学平台或光具座，单缝，薄透镜，物屏，光源，准直透镜（焦距大一些），平面 反射镜,白屏，测微目镜，二维、三维平移底座，升降调节座等。【实验原理】1.单缝衍射光的衍射是指光波在传播过程中遇到障碍物时，当障碍物（小孔、狭缝、毛发、 细针等）的线度与光的波长相差不多时，所发生的偏离直线传播的现象，即光可绕过图25-1单缝衍射障碍物，传播到障碍物的 几何阴影区
13、域中，并在障 碍物后的观察屏上呈现 出光强的不均匀分布。通 常将观察屏上的不均匀 光强分布称为衍射图样。 本实验涉及的是光通过 单缝时的衍射，即单缝衍射。单缝衍射可分为两类：菲涅耳 衍射、夫琅和费衍射。夫琅和费衍射是指狭缝和障碍物与观察屏的距离都是无限远的。在夫琅和费衍射中，入射到狭缝的光是平行光，传播到观察屏的也是平行光，即入射 光和衍射光都是平行光，所以夫琅和费衍射是平行光的衍射，在实验中可以借助两个 透镜来实现。本实验只研究夫琅和费单缝衍射，如图25-1所示，将波长为 的单色光源S置于透镜L的焦平面上，由光源S发出经L出射的平行光垂直照射在宽度为a的狭缝上，当a很小时，根据惠更斯一菲涅尔
14、原理，狭缝上每一点都可看成是发射子波的新波源。由于子波叠加的结果，可以在透镜 L 的焦面处的接收屏上看到一组平行于狭缝的明暗2 相间的衍射条纹，中央是亮而宽的明条纹，在它两侧是较弱的明暗相间的条纹，中央 明条纹宽度是两侧明条纹宽度的两倍。从单缝衍射理论可以得出在P点出现亮条纹的条件是ka sin 申= （2k +1）（k =1,2,）（25-1）在P点出现暗条纹的条件是ka sin 申=k九（k = 1,2,）（25-2）式中a是单缝的宽度，p是衍射角，九是入射光的波长（650nm）。设狭缝S与观测屏的距离为f，第k级亮条纹与衍射图样中心的距离为x，则2kxtgp =k因p角极小，tgp si
15、n p ；又因衍射图样中心位置不易准确测定，可以测量两条同级 条纹间的距离2x ,据式（25-1 ）得k25-3)所以25-4)(2k + lkfa = 2xk可见，某一级暗条纹至衍射图样中心的距离x与缝宽a成k”反比，a大，2乂丘小，各级衍射 条纹向中央收缩，当a宽到一 定程度，衍射现象便不再明显，只能图25-2细丝产生的衍射看到中央位置有一条亮线，这时可以认为光线是沿直线传播的。由单缝衍射理论计算可得，垂直入射于单缝平面的平行光经单缝衍射后光强分布 的规律为I 二 I sin2 *(25-5)0 * 2其光强分布如图25-1所示，当*= 0时，I = I，在整个衍射图样中，此处光强最强，0称为中央主极大；当* = kR(k = 1,2 ),在这些地方为暗条纹。暗条纹是以光
