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1、迈克尔逊干涉仪的调节和使用迈克尔逊干涉仪的调节和使用迈克尔逊干涉仪的调节和使用迈克尔逊干涉仪的调节和使用 实验目的实验目的 实验仪器实验仪器 实验原理实验原理 实验步骤实验步骤 数据记录与处理数据记录与处理 注意事项注意事项 山山山山 东东东东 交交交交 通通通通 学学学学 院院院院 大大大大 学学学学 物物物物 理理理理 实实实实 验验验验 中中中中 心心心心1 实验目的实验目的实验目的实验目的 了解迈克尔逊干涉仪的干涉原理和迈克尔逊干涉仪的结构。了解迈克尔逊干涉仪的干涉原理和迈克尔逊干涉仪的结构。掌握迈克尔逊干涉仪的调整和使用方法。掌握迈克尔逊干涉仪的调整和使用方法。观察非定域干涉条纹、定
2、域干涉条纹，测量单色光（氦氖激光）的波长。观察非定域干涉条纹、定域干涉条纹，测量单色光（氦氖激光）的波长。测量钠光灯的双线波长差。测量钠光灯的双线波长差。2 实验仪器实验仪器实验仪器实验仪器 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪，氦氖激光器，钠光灯，白炽灯，毛玻璃屏，扩束镜等。，氦氖激光器，钠光灯，白炽灯，毛玻璃屏，扩束镜等。3 实验原理实验原理 光源光源S发出的光经过分束板（半反镜）发出的光经过分束板（半反镜）G1以后就分成强度相同两束光以后就分成强度相同两束光1和和2，光束光束1经过补偿板经过补偿板G2以后由固定反射镜以后由固定反射镜M1反射回来再一次经过补偿板反射回来再一次经过补偿板G2和半和半
3、反镜反镜G1射向观测屏射向观测屏P; ;同时光束同时光束2经过平经过平面反射镜面反射镜M2反射，穿过补偿板反射，穿过补偿板G1也射也射向观测屏；由于两束光是相干光，所向观测屏；由于两束光是相干光，所以就可以在观测屏观察到干涉现象。以就可以在观测屏观察到干涉现象。用迈克尔逊干涉仪可观察非定域干涉用迈克尔逊干涉仪可观察非定域干涉和定域干涉，定域干涉又分为等倾干和定域干涉，定域干涉又分为等倾干涉和等厚干涉。涉和等厚干涉。迈克迈克耳逊干涉仪光路图耳逊干涉仪光路图4由氦氖激光经扩束镜汇聚形成的点光源由氦氖激光经扩束镜汇聚形成的点光源S发出发出的光经平面镜的光经平面镜M1和和M2反射后，相当于两虚光反射后
4、，相当于两虚光源源S1和和S2发出的相干光束。发出的相干光束。 S1与与S2间的距间的距离为离为M1和和M2的距离的距离d的两倍。虚光源的两倍。虚光源S1和和S2发出的球面波在其相遇的空间处相干，只要观发出的球面波在其相遇的空间处相干，只要观察屏放在两点光源发出光波的重叠区域内，都察屏放在两点光源发出光波的重叠区域内，都能看到干涉现象，这种干涉叫非定域干涉。能看到干涉现象，这种干涉叫非定域干涉。虚光源虚光源S1、S2到屏上任一点到屏上任一点A的光程差的光程差1 点光源产生的非定域干涉花样点光源产生的非定域干涉花样点光源产生的非定域干涉花样点光源产生的非定域干涉花样5（1） 时的光程差最大，观察
5、屏上圆心处对应干涉条纹的级别最高。时的光程差最大，观察屏上圆心处对应干涉条纹的级别最高。d增大时，增大时，若级别若级别k一定，一定，增大，条纹从中心用出向外扩张；增大，条纹从中心用出向外扩张；d减小时，若减小时，若k一定，一定，减小，减小，条纹向中心收缩，最后条纹向中心收缩，最后“淹没淹没”在中心。每在中心。每“涌出涌出”或或“淹没淹没”一个明圆环，一个明圆环，S1S2的光程差改变一个波长的光程差改变一个波长。设。设M1移动距离移动距离d时，时，“涌出涌出”或或“淹没淹没”的条的条纹数为纹数为N，则，则 (1)(1) 这样在迈克耳逊干涉仪上读出这样在迈克耳逊干涉仪上读出 ，数出条纹变化，数出条
6、纹变化N，就可以求出光波波长，就可以求出光波波长。（2）d较大时，干涉条纹级别较高，且又细又密；较大时，干涉条纹级别较高，且又细又密； d较小时，干涉条纹级别较低，且又粗又疏。较小时，干涉条纹级别较低，且又粗又疏。（3）若将）若将作为标准值，测出作为标准值，测出“涌出涌出”或或“淹没淹没”N个圆环的个圆环的（M1移动的距离），与移动的距离），与(1)式算出的理论值比较，可以校正仪器传动系统的误差。式算出的理论值比较，可以校正仪器传动系统的误差。（4）若将传动系统作为基准，则由）若将传动系统作为基准，则由N和和 可测定单色光源的波长可测定单色光源的波长。62 2 2 2 等倾干涉等倾干涉等倾干涉
7、等倾干涉薄膜等倾干涉是分振幅干涉。薄膜等倾干涉是分振幅干涉。设薄膜上下表面平行。如图设薄膜上下表面平行。如图a1与与a2的光程差为的光程差为即入射角相同的点的光程差即入射角相同的点的光程差 相同，故称等倾干涉。干涉相同，故称等倾干涉。干涉图样为同心圆图样为同心圆 。条纹方程条纹方程干涉图象中，随着干涉图象中，随着d 的增大的增大或减小，条纹从中心或减小，条纹从中心“冒出冒出”或向中心或向中心“缩入缩入” 。设。设M1移动移动 d时，时，K的变化量为的变化量为N则则 数出数出N个条纹对应的个条纹对应的 d，即可求出波长，即可求出波长 。等倾干涉光路图等倾干涉光路图73 3 等厚干涉等厚干涉等厚干
8、涉等厚干涉 若上下底面不平行，光线经上下表若上下底面不平行，光线经上下表面反射后得到的一对相干光面反射后得到的一对相干光a1与与a2，将不再平行，如图。设某处膜的，将不再平行，如图。设某处膜的厚度为厚度为d,如果入射角如果入射角以及的夹角以及的夹角都很小时，两束相干光的光程差都很小时，两束相干光的光程差 为为干涉条纹沿等厚线分布，故称为等厚干涉。干涉条纹沿等厚线分布，故称为等厚干涉。很小时，很小时， =2=2d d，干涉图样是等距离分布干涉图样是等距离分布的明暗相间的直条纹；离中央条纹较远处，的明暗相间的直条纹；离中央条纹较远处， 影响较大，条纹弯曲凸向中央条纹，离交影响较大，条纹弯曲凸向中央
9、条纹，离交线越远，条纹越弯曲。线越远，条纹越弯曲。等厚干涉原理等厚干涉原理84 4 钠黄光双线波长差的测量钠黄光双线波长差的测量钠黄光双线波长差的测量钠黄光双线波长差的测量 钠光源的两条临近强谱线的波长钠光源的两条临近强谱线的波长 1和和 2，移动，移动M1，当光程差满足，当光程差满足 时，时， 2光形成的明条纹处光形成的明条纹处 1光形成暗条纹。这时条纹的对比度最小。光形成暗条纹。这时条纹的对比度最小。 当当M1镜继续移动时，两个条纹继续错开，条纹的对比度又逐渐增加，条纹逐渐清镜继续移动时，两个条纹继续错开，条纹的对比度又逐渐增加，条纹逐渐清晰。当晰。当 时，条纹的对比度再次减小。由上述两式
10、，可得钠双线的波长差时，条纹的对比度再次减小。由上述两式，可得钠双线的波长差 （2）9 实验步骤实验步骤 1 1 迈克耳逊干涉仪的调节和观察激光非定域干涉条纹迈克耳逊干涉仪的调节和观察激光非定域干涉条纹迈克耳逊干涉仪的调节和观察激光非定域干涉条纹迈克耳逊干涉仪的调节和观察激光非定域干涉条纹（1） 调节干涉仪式导轨大致水平，调节粗调手轮，使活动镜大致移至导轨调节干涉仪式导轨大致水平，调节粗调手轮，使活动镜大致移至导轨30mm刻度处，使刻度处，使M1、M2镜与分束镜上反射膜的距离大致相等。调节倾度微镜与分束镜上反射膜的距离大致相等。调节倾度微调螺丝，使其拉簧松劲适中，使氦氖激光器大致垂直于调螺丝，
11、使其拉簧松劲适中，使氦氖激光器大致垂直于M2。（2）调节）调节M1和和M2相互垂直。相互垂直。（3） 在氦氖激光器的实际光路中加入扩束镜，使扩束光照在分束镜上，此时屏在氦氖激光器的实际光路中加入扩束镜，使扩束光照在分束镜上，此时屏上一般会出现干涉条纹，细调上一般会出现干涉条纹，细调M2镜水平微调螺丝和竖直微调螺丝，直到眼睛镜水平微调螺丝和竖直微调螺丝，直到眼睛晃动观察时无条纹移动，说明晃动观察时无条纹移动，说明M1和和M2完全垂直。观察屏上出现环状非定域完全垂直。观察屏上出现环状非定域干涉条纹。如果没有出现干涉条纹，应该移走扩束镜，从头再调。干涉条纹。如果没有出现干涉条纹，应该移走扩束镜，从头
12、再调。（4） 观察条纹变化，熟悉仪器的使用。转动干涉仪的微调手轮，观察条纹观察条纹变化，熟悉仪器的使用。转动干涉仪的微调手轮，观察条纹“涌涌出出”和和“淹没淹没”，判别，判别M1与与M2间的距离间的距离d的变化，观察条纹粗细、疏密情况，的变化，观察条纹粗细、疏密情况，判断判断d的变化，且与图的变化，且与图 进行比较，待操作熟练后，将条纹调好，准备测量。进行比较，待操作熟练后，将条纹调好，准备测量。102 2 测量激光波长测量激光波长测量激光波长测量激光波长（1）读数系统的调整。在整个测量过程中只能以同方向转动微调手轮使）读数系统的调整。在整个测量过程中只能以同方向转动微调手轮使M1镜移动，镜移
13、动，开始测量前应将微调手轮转动若干周，直到干涉条纹稳定移动后方可开始计数开始测量前应将微调手轮转动若干周，直到干涉条纹稳定移动后方可开始计数测量。测量。（2）用非定域干涉条纹测激光波长。缓慢转动微调手轮，让调好的非定域干涉条）用非定域干涉条纹测激光波长。缓慢转动微调手轮，让调好的非定域干涉条纹纹“涌出涌出”（或（或“淹没淹没”）。记下当条纹中心最亮和当干涉条纹）。记下当条纹中心最亮和当干涉条纹“涌出涌出”（“淹没淹没”）的条纹数）的条纹数N=100时时M1镜位置读数镜位置读数d0、d100，将数据填入表格，重复测，将数据填入表格，重复测量量6次。次。（3）根据（）根据（1）式计算出波长）式计算
14、出波长。计算不确定度，并与标准值比较，求出相对误差。计算不确定度，并与标准值比较，求出相对误差。113 3 等倾条纹和等厚条纹的调节与观察（选做）等倾条纹和等厚条纹的调节与观察（选做）等倾条纹和等厚条纹的调节与观察（选做）等倾条纹和等厚条纹的调节与观察（选做） 非定域干涉条纹测激光波长做完后，调节毛玻璃屏上的同心圆条环最大，且非定域干涉条纹测激光波长做完后，调节毛玻璃屏上的同心圆条环最大，且圆心在亮斑中心。在扩束镜和分光板之间放一毛玻璃，使激光束经透镜发出圆心在亮斑中心。在扩束镜和分光板之间放一毛玻璃，使激光束经透镜发出的球面波漫射成为扩展的面光源。观察的球面波漫射成为扩展的面光源。观察M1镜
15、方向的等倾条纹。进一步调节镜方向的等倾条纹。进一步调节M2镜微调螺钉，使上下移动眼睛时个圆环的大小不变，而仅仅是圆心随眼睛镜微调螺钉，使上下移动眼睛时个圆环的大小不变，而仅仅是圆心随眼睛移动而移动，并且干涉条纹反差大，此时移动而移动，并且干涉条纹反差大，此时M1镜与镜与M2镜完全平行，就可以看镜完全平行，就可以看到严格的等倾条纹。到严格的等倾条纹。 微微转动微微转动M2镜的微调螺钉，此时镜的微调螺钉，此时M1镜与镜与M2镜不再平行，转动粗调手轮，镜不再平行，转动粗调手轮，使使M1镜前后移动，观察干涉条纹的变化规律，并与图镜前后移动，观察干涉条纹的变化规律，并与图 比较。比较。124 4 测量钠
16、光双线波长差测量钠光双线波长差测量钠光双线波长差测量钠光双线波长差（1）以钠光为光源，使其照射到毛玻璃屏并形成均匀的扩束光源以便于增）以钠光为光源，使其照射到毛玻璃屏并形成均匀的扩束光源以便于增强条纹的亮度。在毛玻璃屏与分光镜强条纹的亮度。在毛玻璃屏与分光镜P之间放一叉线并进行观察。这时可之间放一叉线并进行观察。这时可出现干涉条纹，仔细慢慢调节出现干涉条纹，仔细慢慢调节M2镜下的水平微调螺丝和竖直微调螺丝，镜下的水平微调螺丝和竖直微调螺丝，使条纹呈圆形。使条纹呈圆形。（2）缓慢移动）缓慢移动M1镜，使视场中心的可见度最小，记下镜，使视场中心的可见度最小，记下M1镜的位置镜的位置d1，再沿，再沿
17、原来方向移动原来方向移动M1镜，直到可见度最小，记下镜，直到可见度最小，记下M1镜的位置镜的位置d2，即得到，即得到d d。（3 3）重复上述步骤）重复上述步骤3 3次，求得次，求得 代入（代入（2 2）式，计算出钠光的双线波长差）式，计算出钠光的双线波长差13 数据记录与处理数据记录与处理 次数次数Nd0/mmd100/mmd/mm1234561.数据记录数据记录142.数据处理数据处理（1）计算激光波长）计算激光波长 和不确定度和不确定度 。（2）写出测量结果）写出测量结果15 注意事项注意事项 1 切勿用手触摸光学仪器表面。切勿用手触摸光学仪器表面。2 调节螺钉和转动手轮时，一定要轻、慢
18、，不能强扭硬扳。反射镜背后的微调螺调节螺钉和转动手轮时，一定要轻、慢，不能强扭硬扳。反射镜背后的微调螺钉不可旋得太紧，防止镜面变形。调整反射镜背后微调螺钉时，先要把微调钉不可旋得太紧，防止镜面变形。调整反射镜背后微调螺钉时，先要把微调螺钉调在中间位置，以便能在两个方向上微调。仪器上所有锁紧螺钉、锁紧螺钉调在中间位置，以便能在两个方向上微调。仪器上所有锁紧螺钉、锁紧螺母不能拧得过紧。螺母不能拧得过紧。3 测量中，转动手轮只能缓慢的沿着一个方向移动，否则会引起较大空回误差。测量中，转动手轮只能缓慢的沿着一个方向移动，否则会引起较大空回误差。4 激光器电源应平稳放置，避免触及其输出电极。激光器电源应平稳放置，避免触及其输出电极。5 不要用眼睛直接看激光。不要用眼睛直接看激光。16与与重重 合合等等 倾倾 干干 涉涉 图图 样样17等等 厚厚 干干 涉涉 图图 样样18微调手轮粗调手轮刻度盘分光板反光镜倾度微调导轨竖直微调螺丝观察屏水平调节螺丝调平螺丝锁紧螺丝迈克尔逊干涉仪结构图（一）迈克尔逊干涉仪结构图（一）19分光板固定镜M2可动镜M1粗调手轮导轨迈克尔逊干涉仪结构图（二）迈克尔逊干涉仪结构图（二）毫米刻度尺丝杆20迈克尔逊干涉仪等倾干涉条纹迈克尔逊干涉仪等倾干涉条纹迈克尔逊干涉仪等厚干涉条纹迈克尔逊干涉仪等厚干涉条纹21
