大學(xué)物理實驗――邁克爾遜干涉儀_圖文

1、選擇性實驗 選擇性實驗:二十四 邁克爾遜干涉儀一 、 目 的要求 目的要求利用邁克爾遜干涉儀實現(xiàn)分振幅的雙光束干涉,并用來測量干涉光波的波長。實驗要求達到 實驗要求達到:1. 了解邁克爾遜在其創(chuàng)造的干涉儀上所完成的著名實驗。2. 掌握分振幅的雙光束干涉原理和用光波測量長度的原理。3. 理解點光源產(chǎn)生的不定域干涉條紋的道理。4. 學(xué)會邁克爾遜干涉儀的調(diào)整方法。5. 評定波長的測量結(jié)果。二 、 儀 器設(shè)備 儀器設(shè)備邁克爾遜干涉儀、 He -Ne 激光器、擴束透鏡。三 、 參 考書目 參考書目1.程守洙、江之永:普通物理學(xué)第三冊(1982年修訂本 , p.28-34。 2.赫克特:光學(xué)下冊, p.6

2、01-614、 p.666-671。 3.母國光、戰(zhàn)元齡:光學(xué) , p.237-243。 4.D ·哈里德、 R ·瑞斯尼克:物理學(xué)第二卷第二冊, p.508-512。 5.A ·M ·波蒂斯、 H ·D ·楊:大學(xué)物理實驗 , p.228-230。 6. 喬治·伽莫夫:物理學(xué)發(fā)展史 , p.157-161。四 、 原 理 原理邁克爾遜干涉儀的光路如圖 1所示。自光源 S 發(fā)出的光在鍍有半透半反膜的分束板 P 1后表面被分成振幅相等的兩束光 1和 2,它們分別經(jīng)過可移動的反射鏡 M 1和固定反射鏡 M 2的反射,最后在觀察系

3、統(tǒng) V 處相遇而產(chǎn)生干涉。 P 2是一塊補償板,它的作用實質(zhì)上是使得兩相干光束 1和 2的光程差就是幾何路程差,與光源的波長無關(guān)。因此,要求 P 2的材料和厚度與 P 1完全相同,且兩者嚴格平行。由于該干涉儀中兩相干光束可以完全分開,這就很容易通過改變一條光路中光束的光程來改變兩相干光束的光程差,所以可用來精確地計量長度(光程差可用光波的波長來量度 ,是許多近代實用干涉儀的原型。為分析干涉條紋的形成和它的形態(tài), 常將圖 1的光路圖簡化成圖 2的光路(稱等效光路 。圖中 S 是光源 S 對鍍有半透半反 膜 P 1的像, S 1 和 S 2 分別是 S 對 M 1和 M 2 的像。這樣,在分析由點

4、光源 S 發(fā)出的光通過干涉儀后產(chǎn)生的干涉時,權(quán)當(dāng)看作是S 1 和 S 2 兩個相干點源發(fā)出的對應(yīng)光線的干涉就可以了,因此在研究 S 1 和 S 2 的干涉時不再需要考慮干涉儀的實體了。 S 1 、 S 2和 S 的對應(yīng)關(guān)系取決于 M 1、 M 2的位置和它們的法線方向,它將影響觀察系統(tǒng)中出現(xiàn)的干涉條紋形態(tài)(形狀和疏密程度 。下面僅就單色點光源進行討論。在單色點光源 S 情況下, 由圖 2可知它形成了兩個相干點光源 S 1 和 S 2 。對于兩個相干點源,在 P 1以后的觀察系統(tǒng)一方的空間任意一點總有而且僅有兩條分別來自 S 1 和 S 2 的光線相遇,所以在觀察系統(tǒng)一方的整個空間處處都可見到干

5、涉現(xiàn)象, 這種干涉稱為不定域干涉。 不定域干涉可以用屏來觀察, 一塊毛玻璃就可作為這種干涉的觀察系統(tǒng)。 應(yīng)該注意的是:屏放在不同方位上見到的干涉圖樣是不相同的, 圖 3是在三個不同方位上用有限的屏見到的干涉圖樣。圖 3(a 屏垂直于 S 1 S 2 連線,圖形是同心 圓簇,圓心在 S 1 S 2 延長線和屏的交點處;圖 3(b 屏傾斜于 S 1 S 2 連線,圖形是弧形的;圖 3(c 屏垂直于 S 1 S 2 連線的垂直平分線上, 圖形近似直線。 由此分析, 實驗者可以從屏上所見干涉圖樣的形態(tài),來判斷反射鏡 M 1與 M 2垂直與否及其傾斜狀況。具體對邁克爾遜干涉儀,由于虛光源 S 1 、 S

6、 2只能向一側(cè)發(fā)出光線,且 P 1、 P 2、 M 1、 M 2的孔徑都是有限的, 所以干涉場實際上被限制在圖 4的陰影區(qū)域內(nèi), 觀察屏放置在這個區(qū)域的任何位置處都能看到不定域干涉的圖樣,而干涉條紋的形狀則與反射鏡M 1、 M 2的狀態(tài)有關(guān)。 1. M 2 與 M 1平行如圖 5所示,當(dāng)屏 V 垂直于 S 2 S 1 OS 的連線放置時,設(shè)該線與屏 V 的交點為 E ,則屏上光程差 = constant的點正好是以 E 為圓心的一個圓。 當(dāng)為波長的整數(shù)倍時為亮條紋, 為半波長的奇數(shù) 倍時為暗條紋;所以屏上的條紋是一簇以 E 為圓心的同心圓。在 M 1和 M 2 的間隔為 d 時,兩虛光源 S

7、1 和 S 2 之間的距離為 2d ,則 E 點的光程差是:d 2=當(dāng) m =時, E 處為亮點;當(dāng) 21+=m 時, E 處為暗點(m 為整數(shù) 。所以只要 d 變化 2, E 處就將“冒出”或“縮進”一個條紋;根據(jù)這點就可以用來進行長度測量或測量波長。應(yīng)該注意到:在這種情況下,即儀器確實調(diào)整到了 M 2 與 M 1平行,則當(dāng) d 變化時,干涉條紋的圓心位置不會發(fā)生 變動(它也正是 M 2 與 M 1平行的判據(jù) 。2. M 2 與 M 1不平行 如圖 6所示, 兩鏡交線垂直于圖面。 此時 S 1 S 2 連線和 OS 連線不再在同一條直線上, 若屏仍垂 直于 OS 連線放置,則屏上見到的干涉圖

8、樣將是一些弧線,弧形曲線凸向 M 1和 M 2 的交線所在的方 向,據(jù)此可用來作為調(diào)整 M 1和 M 2 平行的指導(dǎo)原則。用點光源產(chǎn)生不定域干涉時,空間每一點只有兩條光線交匯,因此光源必須很強。本實驗采用 He -Ne 激光作為光源,通過 d 變化時對干涉條紋的記數(shù)來測定其波長。對于面光源 (如鈉光燈前加毛玻璃 , 可以將它看作為無數(shù)不相干點光源的集合, 同樣可以用圖 2等效光路進行分析;所不同的是它通過 M 1和 M 2 后形成了無數(shù)對相干點光源(各對之間又是不相 干的 , 這就造成在觀察系統(tǒng)一方空間的某點處不能同時滿足各相干點源到該點的光程差正好都是波 長的整數(shù)倍關(guān)系,所以一般就看不到干涉

9、圖樣;但也存在著某個區(qū)域,在該區(qū)域內(nèi)上述關(guān)系得到滿 足(或近似滿足 ,則在該區(qū)域內(nèi)可看到干涉條紋,這種干涉稱為定域干涉。觀察定域干涉時,應(yīng)選 擇相應(yīng)的觀察系統(tǒng),如干涉定域在無窮遠處,則就應(yīng)選用望遠鏡觀察,等等。五 、 調(diào) 節(jié)說明 調(diào)節(jié)說明1. 調(diào)節(jié)激光束使能射在 M 1和 M 2的中心部位,并使:(1 M 1反射的光能返回到激光的發(fā)射孔 (此時可先擋住 M 2的反射光 ; (2在觀察屏上觀察 M 1和 M 2的反射光點是否重合,不重合時調(diào) M 2鏡背面的螺絲;然后記住屏上兩光點的重合位置。2. 在激光器前放置擴束透鏡,使激光照亮整個 M 1和 M 2;通過調(diào)節(jié) M 2處有彈簧的形變微調(diào)螺 絲使屏上看到同心圓干涉條紋, 并使圓心盡量接近原兩光點重合的位置; 然后用移動 M 1鏡來檢驗圓 心位置是否不變。六 、 觀 察與思考 觀察與思考1. 干涉圖樣有什么特征?2. 觀察 M 1和 M 2 距離遠、近時干涉圖樣的變化,并作出解釋。3. 總結(jié)調(diào)整 M 1和 M 2 平行的經(jīng)驗,并作分析。4. 實驗中如何能確定零光程差位置?5. 用面光源作實驗(鈉燈或汞燈加毛玻璃