邁克爾遜實(shí)驗(yàn)總結(jié).doc

一、干涉的分類(lèi) 當(dāng)滿(mǎn)足相干條件振動(dòng)方向相同，振動(dòng)頻率相同，有恒定位相差的兩束相干光相遇時(shí)，將在它們的相遇區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生明暗相間的干涉條紋，這個(gè)現(xiàn)象叫做光的干涉現(xiàn)象。光的干涉可以分為薄膜干涉和楊氏雙縫干涉。1、薄膜干涉由薄膜產(chǎn)生的干涉。薄膜可以是透明固體、液體或由兩塊玻璃所夾的氣體薄層。入射光經(jīng)薄膜上表面反射后得第一束光，折射光經(jīng)薄膜下表面反射，又經(jīng)上表面折射后得第二束光，這兩束光在薄膜的同側(cè)，由同一入射振動(dòng)分出，是相干光，屬分振幅干涉。若光源為擴(kuò)展光源（面光源），則只能在兩相干光束的特定重疊區(qū)才能觀(guān)察到干涉，故屬定域干涉。對(duì)兩表面互相平行的平面薄膜，干涉條紋定域在無(wú)窮遠(yuǎn)，通常借助于會(huì)聚透鏡在其像方焦面內(nèi)觀(guān)察；對(duì)楔形薄膜，干涉條紋定域在薄膜附近。薄膜干涉又可以分為等傾干涉和等厚干涉：等厚干涉 這是由平行光入射到厚度變化均勻、折射率均勻的薄膜上、下表面而形成的干涉條紋薄膜厚度相同的地方形成同條干涉條紋，故稱(chēng)等厚干涉。牛頓環(huán)和楔形平板干涉都屬等厚干涉等傾干涉 當(dāng)不同傾角的光入射到折射率均勻，上、下表面平行的薄膜上時(shí)，同一傾角的光經(jīng)上、下表面反射(或折射)后相遇形成同一條干涉條紋，不同的干涉明紋或暗紋對(duì)應(yīng)不同的傾角，這種干涉稱(chēng)做等傾干涉。當(dāng)光程差為波長(zhǎng)整數(shù)倍時(shí)，形成亮條紋，為半波長(zhǎng)奇數(shù)倍時(shí)是暗條紋。等傾條紋是內(nèi)疏外密的同心圓環(huán)。 2、楊氏雙縫干涉1801年，英國(guó)物理學(xué)家托馬斯楊用楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)證明了干涉現(xiàn)象。他讓太陽(yáng)光通過(guò)一個(gè)小針孔S，然后在距離針孔S相當(dāng)遠(yuǎn)的距離處，。通過(guò)這再讓光通過(guò)2個(gè)針孔S1及S2。通過(guò)這2個(gè)針孔S1及S2的球面光波發(fā)生干涉，從而在觀(guān)察屏上形成變化的對(duì)稱(chēng)狀圖樣。因?yàn)楣庠刺?yáng)非常遠(yuǎn)，所以入射于S孔的光波波前是平面波前。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)波前被分為兩個(gè)波前，從而得到兩束干涉光束。如圖1，在垂直于紙平面的方向置一小孔S，由一定距離處的單色光源（通常采用鈉光燈）照明通過(guò)針孔S后的光再通過(guò)兩針孔S1和S2。S1和S2平行于S，也垂直于紙平面。S1和S2距離約半毫米，并且他們到S的距離相等。由S1和S2輻射的波將在像屏L上出現(xiàn)干涉圖樣。圖1 楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)示意圖由圖中可以看出，該裝置的光程差r= r2- r1，可得r=當(dāng)r=（k=0，1，2） （1）由（1）式我們可以求得：（k=0，1，2） （2）由（2）式可以求得相鄰明（暗）條紋間距為。所以楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)所成的干涉圖像為平行與縫的等亮度，等間距，明暗相間的條紋。當(dāng)擋住S1和S 2任何一個(gè)，明暗條紋消失，這證明了光的波動(dòng)性。因此楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)是光的波動(dòng)性的結(jié)論性證明。如果用太陽(yáng)光代替單色光，則出現(xiàn)彩色條紋。二、邁克爾遜生平阿爾伯特亞伯拉罕（Albert Abrahan Michelson）,1852 年12月19日出生于普魯士斯特雷諾（現(xiàn)屬波蘭）,1931年5月9日在帕薩迪納逝世。邁克爾遜主要從事光學(xué)和光譜學(xué)方面的研究，他以畢生精力從事光速的精密測(cè)量，在他的有生之年，一直是光速測(cè)定的國(guó)際中心人物。他發(fā)明了一種用以測(cè)定微小長(zhǎng)度、折射率和光波波長(zhǎng)的干涉儀（ 邁克爾遜干涉儀），在研究光譜線(xiàn)方面起著重要的作用。因發(fā)明精密光學(xué)儀器和借助這些儀器在光譜學(xué)和度量學(xué)的研究工作中所做出的貢獻(xiàn)，被授予了1907年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。邁克爾遜干涉儀 1920年邁克爾遜和天文學(xué)家F.G.皮斯合作，把一臺(tái)20英尺的干涉儀放在100英寸反射望遠(yuǎn)鏡后面，構(gòu)成了恒星干涉儀，用它測(cè)量了恒星參宿四（即獵戶(hù)座一等變光星）的直徑，它的直徑相當(dāng)大，線(xiàn)直徑為2.50108英里，約為太陽(yáng)直徑的300倍。此方法后被用來(lái)測(cè)定其他恒星的直徑。邁克爾遜的第一個(gè)重要貢獻(xiàn)是發(fā)明了邁克爾遜干涉儀，并用它完成了著名的邁克爾遜 -莫雷實(shí)驗(yàn)。按照經(jīng)典物理學(xué)理論，光乃至一切電磁波必須借助靜止的以太來(lái)傳播。地球的公轉(zhuǎn)產(chǎn)生相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)，因而在地球上兩個(gè)垂直的方向上，光通過(guò)同一距離的時(shí)間應(yīng)當(dāng)不同，這一差異在邁克爾遜干涉儀上應(yīng)產(chǎn)生0.04個(gè)干涉條紋移動(dòng)。1881年，邁克耳孫在實(shí)驗(yàn)中未觀(guān)察到這種條紋移動(dòng)。1887年，邁克爾遜和著名化學(xué)家莫雷合作，改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)裝置，使精度達(dá)到2.5´10-10，但仍未發(fā)現(xiàn)條紋有任何移動(dòng)。這次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果暴露了以太理論的缺陷，動(dòng)搖了經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)，為狹義相對(duì)論的建立鋪平了道路。邁克爾遜是第一個(gè)倡導(dǎo)用光波的波長(zhǎng)作為長(zhǎng)度基準(zhǔn)的科學(xué)家。1892年邁克爾遜利用特制的干涉儀，以法國(guó)的米原器為標(biāo)準(zhǔn)，在溫度15攝氏度、壓力760毫米汞柱的條件下，測(cè)定了鎘紅線(xiàn)波長(zhǎng)是6438.4696埃，于是，1米等于1553164倍鎘紅線(xiàn)波長(zhǎng)。這是人類(lèi)首次獲得了一種永遠(yuǎn)不變且毀壞不了的長(zhǎng)度基準(zhǔn)。在光譜學(xué)方面，邁克爾遜發(fā)現(xiàn)了氫光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)以及水銀和鉈光譜的超精細(xì)結(jié)構(gòu)，這一發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)代原子理論中起了重大作用。邁克爾遜還運(yùn)用自己發(fā)明的“可見(jiàn)度曲線(xiàn)法”對(duì)譜線(xiàn)形狀與壓力的關(guān)系、譜線(xiàn)展寬與分子自身運(yùn)動(dòng)的關(guān)系作了詳細(xì)研究，其成果對(duì)現(xiàn)代分子物理學(xué)、原子光譜和激光光譜學(xué)等新興學(xué)科都發(fā)生了重大影響。 三、邁克爾遜干涉儀的應(yīng)用1、測(cè)鈉黃光波長(zhǎng) 取等傾干涉條紋的清晰位童，記下測(cè)鍛螺旋讀數(shù)d0，沿此前方向轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微螺旋，同時(shí)默數(shù)冒出或消失的條紋，每50環(huán)記二次讀數(shù)，直測(cè)到第2 50環(huán)為止，用逐差法計(jì)算出因每個(gè)環(huán)的變化相當(dāng)于動(dòng)鏡移動(dòng)了半個(gè)波長(zhǎng)的距離，若觀(guān)察到N個(gè)環(huán)的變化，則移動(dòng)距離 故 2、測(cè)鈉黃雙線(xiàn)的波長(zhǎng)差 鈉黃光含兩種波長(zhǎng)相近的單色光，所以在干涉儀動(dòng)鏡移動(dòng)過(guò)程中，兩種黃光產(chǎn)生的干涉條紋疊加的干涉圖樣會(huì)出現(xiàn)清晰與模糊的周期性變化(光拍現(xiàn)象)。根據(jù)推導(dǎo)，鈉黃取線(xiàn)的波長(zhǎng)差式中為兩種波長(zhǎng)的平均值，可取上一個(gè)實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果；d是干涉圖樣出現(xiàn)一個(gè)清晰-模糊一清晰的變化周期，平面鏡和另一個(gè)平面鏡的虛像之間空氣膜厚度的改變量。實(shí)驗(yàn)中對(duì)光拍周期須多次測(cè)量。 3、測(cè)透明介質(zhì)薄片的折射率 用測(cè)微螺旋使平面鏡M2地向分束器移動(dòng)時(shí)調(diào)出白光干涉條紋，使中央條紋對(duì)準(zhǔn)視場(chǎng)中的叉絲(可畫(huà)在光源與分束器之間的毛玻璃上)記下動(dòng)鏡位置讀數(shù)，在動(dòng)鏡前加入一片優(yōu)質(zhì)的透明薄片(厚度=1mm)之后，增加的光程差 致使彩色條紋移出場(chǎng)，沿原方向轉(zhuǎn)動(dòng)百分手輪至彩紋復(fù)位 時(shí)，補(bǔ)償?shù)墓獬滩?，記下?dòng)鏡位置，由和再用螺旋測(cè)微器千分尺)測(cè)出薄片的厚度，即可由上述關(guān)系計(jì)算出它的折射率n。4、測(cè)定空氣的折射率 用小功率激光囂做光源，將內(nèi)壁長(zhǎng)I的小氣室置于邁克耳孫干涉儀光路中，調(diào)節(jié)干涉儀，獲得適量等傾干涉條紋之后，向氣室里充氣(0-40 kPa)，再稍微松開(kāi)閥門(mén)，以較低的速率放氣的同時(shí)，計(jì)數(shù)干涉環(huán)的變化數(shù)N(估計(jì)出1位小數(shù))至放氣終止，壓力表指針回零。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境里，空氣的折射率 其中激光波長(zhǎng)為已知，環(huán)境氣壓Pamb從實(shí)驗(yàn)室的氣壓計(jì)讀出(條件不具備時(shí)，可取101325Pa)，本實(shí)驗(yàn)宜進(jìn)行多次測(cè)量， 計(jì)算平均值。 5、測(cè)鍍膜厚度 制備一個(gè)在平行平板玻璃上形成的鍍膜臺(tái)階，取代干涉儀的一個(gè)平面鏡，在上(下)半個(gè)視場(chǎng)調(diào)出白光等厚千涉條紋，下(上)半視場(chǎng)的直條紋必然存在錯(cuò)動(dòng)位移，旋動(dòng)測(cè)微螺旋，測(cè)出這個(gè)位移量，即補(bǔ)償?shù)墓獬滩罹偷扔诖郎y(cè)鍍膜的厚度。四、其它的干涉儀瑞利干涉儀 1896年瑞利為了測(cè)量惰性氣體氬和氦的折射率，利用楊氏雙縫干涉原理設(shè)計(jì)制作了一種專(zhuān)用干涉儀，稱(chēng)為瑞利干涉儀。 瑞利干涉儀是一種利用雙光束干涉原理的高精度測(cè)量?jī)x器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，其光學(xué)原理如圖。l樣品池及p1、p2 補(bǔ)償器的高度僅占整個(gè)空間的上半部分，補(bǔ)償器p1沿垂直軸有一個(gè)固定夾角，補(bǔ)償器p2可借助轉(zhuǎn)鼓測(cè)微器F轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)改變夾角，L2是會(huì)聚透鏡，L3為柱面鏡，在觀(guān)察管中看到上下兩列干涉條紋，一列由光縫的下半部分兩束光干涉形成，因?yàn)橄掳氩糠值墓獬滩畈蛔?，故此干涉條紋是固定的；從光縫上半部分通過(guò)的兩束光，分別經(jīng)樣品池后產(chǎn)生上半部干涉條紋。當(dāng)樣品池內(nèi)不發(fā)生光程差(光程差起源于兩室中的化學(xué)成分、溫度、壓力 等)，另p1 、p2 也不附加光程差時(shí)，才和下半部干涉條紋對(duì)齊，否則相對(duì)下半部干涉條紋便有移動(dòng)，這樣在干涉儀中下半部干涉條紋就是上半部干涉條紋的固定標(biāo)記。當(dāng)兩樣品池中裝有不同介質(zhì)時(shí)，其折射率分別為n1,n2由于折射率的不同，引起的光程差為： =(n2一n1)l=K,式中為光源波長(zhǎng)，K是對(duì)應(yīng)光程差的干涉級(jí)，l為樣品池的長(zhǎng)度。單頻激光干涉儀從激光器發(fā)出的光束，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后由分光鏡分為兩路，并分別從固定反射鏡和可動(dòng)反射鏡反射回來(lái)會(huì)合在分光鏡上而產(chǎn)生干涉條紋。當(dāng)可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí)，干涉條紋的光強(qiáng)變化由接受器中的光電轉(zhuǎn)換元件和電子線(xiàn)路等轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，經(jīng)整形、放大后輸入可逆計(jì)數(shù)器計(jì)算出總脈沖數(shù)，再由電子計(jì)算機(jī)按計(jì)算式356-11式中為 激光波長(zhǎng)(N 為電脈沖總數(shù))，算出可動(dòng)反射鏡的位移量L。使用單頻激光干涉儀時(shí)，要求周?chē)髿馓幱诜€(wěn)定狀態(tài)，各種空氣湍流都會(huì)引起直流電平變化而影響測(cè)量結(jié)果。射電干涉儀天文學(xué)家利用波干涉原理，作出射電干涉儀。通常是將兩面同樣大小的天線(xiàn)拉開(kāi)距離排列著，中間用電纜連系。射電干涉技術(shù)使人們能更有效地從噪音中提取有用的信號(hào)；甚長(zhǎng)基線(xiàn)干涉儀通常是相距上千公里的幾臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡作干涉儀方式的觀(guān)測(cè)，極大地提高了分辨率，使射電波段的分辨率首次高于光學(xué)，今天射電的分辨率高于其它波段幾千倍，能更清晰地揭示射電天體的內(nèi)核；綜合孔徑技術(shù)的研制成功使射電望遠(yuǎn)鏡具備了方便的成像能力，綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡相當(dāng)于工作在射電波段的照相機(jī)。塞格納克干涉儀它是利用塞格納克效應(yīng)構(gòu)成的。激光經(jīng)分束器分為反射和透射兩部分。這兩束光均由反射鏡反射形成傳播方向相反的閉合光路，并在分束器上會(huì)合，送入光探測(cè)器，同時(shí)也有一部分返回到激光器。在這種干涉儀中，兩光束的光程長(zhǎng)度相等。根據(jù)雙束光干涉原理，在光電探測(cè)器上探測(cè)不到干涉光強(qiáng)的變化。馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x12345M1M2圖2馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x4123M1M2M3圖3薩格奈克干涉儀 馬赫-曾德?tīng)?Mach-Zehnder)干涉儀的光路結(jié)構(gòu)如圖2所示, 從光源1發(fā)出的一束相干光經(jīng)分束鏡2一分為二，分為兩束。一束透射光落在反射鏡M1上，另一束反射光落 在發(fā)射鏡M2上，M1、M2分別將這兩束光反射至分束鏡3上,并使這兩束光重合,進(jìn)入擴(kuò)束鏡4，如果調(diào)整合適，我們可在擴(kuò)束鏡后的白屏5上看見(jiàn)一系列明暗相間的干涉條紋。這種干涉儀主要用于測(cè)量透明物質(zhì)的折射率的變化，光纖傳感器中的干涉儀大多采用這種光路結(jié)構(gòu)，薩格奈克干涉儀薩格奈克（Sagnac）干涉儀的光路結(jié)構(gòu)如圖3所示，光