實驗7邁克爾遜干涉儀的調(diào)整和使用

1、實驗7 邁克爾遜干涉儀的調(diào)整和使用【實驗?zāi)康摹?. 了解邁克爾遜干涉儀的原理并掌握調(diào)節(jié)方法。2. 觀察等傾干涉，等厚干涉的條紋，并能區(qū)別定域干涉和非定域干涉。3. 測定He-Ne激光的波長。【實驗儀器】邁克耳遜干涉儀、多光束激光器、叉絲、毛玻璃屏 【預(yù)習(xí)要求】1. 敘述非定域干涉和定域干涉特點及觀察方法 2.制定觀察和測量步驟【研究內(nèi)容與方法】1. 觀察非定域干涉條紋并測量光波波長(1)非定域干涉條紋的調(diào)節(jié)：為了獲得肉眼直接可觀察得到的干涉條紋，要求兩束相干光的傳播方向夾角必須很小，幾乎是共線傳播。為此，作如下調(diào)節(jié)：在HeNe激光器前設(shè)一小孔光闌，使激光束通過小孔，并經(jīng)過分光板中心透射到反射鏡

2、中心上。然后調(diào)節(jié)后面三個螺絲，使光點反射像返回到光闌上并與小孔重合。再調(diào)從后表面反射到的光束，調(diào)節(jié)后面三個螺絲，使其反射光到達后表面時恰好與的反射光相遇(兩光點完全重合)，同時兩反射光在光闌的小孔處也完全重合。這樣和就基本上垂直即和互相平行了。去掉光闌，該處放一短焦距的透鏡，使激光束會聚成一點光源，這時在屏上就可以看到干涉條紋了，再仔細調(diào)節(jié)的兩個微調(diào)拉簧螺釘，使和嚴格平行，則在屏上就可看到非定域的圓條紋。轉(zhuǎn)動手輪使在導(dǎo)軌上移動，觀察條紋變化情況。并體會非定域的含義。(2)測量HeNe激光的波長利用非定域的干涉條紋測定波長。移動以改變，記下“冒”出或“縮”進的條紋數(shù)，可每累進50條讀取一次數(shù)據(jù)，

3、連續(xù)取10個數(shù)據(jù)，利用(2)式即可算出（參見閱讀材料）。 表1 波長測量數(shù)據(jù)記錄與處理表圈數(shù)位置123456=（）=789102. 定域干涉條紋的觀測(1) 等傾條紋在透鏡前放一毛玻璃，使光源成為面光源，用聚焦到無窮遠的眼睛代替屏，這時可看到圓條紋，進一步調(diào)節(jié)的微調(diào)拉簧螺釘，使眼睛上下左右移動時，各圓的大小不變，僅僅圓心隨眼睛移動，這時我們看到的就是嚴格的等傾條紋。移動觀察條紋變化情況。(2) 等厚條紋移動和大致重合，調(diào)節(jié)射后面的螺絲使射和有一個很小的夾角，這時視場中出現(xiàn)直線干涉條紋，這就是等厚干涉條紋?！緮?shù)據(jù)處理】1. 應(yīng)用逐差法處理數(shù)據(jù)。2. 寫出的結(jié)果表達式。3. 詳細記錄觀測過程與結(jié)果

4、。【閱讀材料】邁克爾遜干涉儀是利用分振幅法產(chǎn)生雙光束以實現(xiàn)干涉的一種儀器。邁克爾遜（1852-1931年）研制并與其合作者用此儀器進行了三項著名的實驗，即測量光速、標定米尺及推斷光譜線精細結(jié)構(gòu)。邁克爾遜運用它進行了大量的反復(fù)的實驗，動搖了經(jīng)典物理的以太說，為相對論的提出奠定了實驗基礎(chǔ)。該儀器設(shè)計精巧，用途廣泛，不少其它干涉儀均由此派生出來，是許多近代干涉儀的原型。邁克爾遜也因發(fā)明干涉儀和光速的測量而獲得1907年的諾貝爾物理學(xué)獎。目前，邁克爾遜干涉儀仍被廣泛地應(yīng)用于長度精密計量和光學(xué)平面的質(zhì)量檢驗（可精確到十分之一波長左右）及高分辨率的光譜分析中。1.邁克爾遜干涉儀的構(gòu)造邁克爾遜干涉儀的構(gòu)造如

5、圖17-1。其主要由精密的機械傳動系統(tǒng)和四片精細磨制的光學(xué)鏡片組成。和是兩塊幾何形狀、物理性能相同的平行平面玻璃。其中的第二面鍍有半透明鉻膜，稱其為分光板，它可使入射光分成振幅（即光強）近似相等的一束透射光和一束反射光。起補償光程作用，稱其為補償板。和是兩塊表面鍍鉻加氧化硅保護膜的反射鏡。是固定在儀器上的，稱其為固定反射鏡，裝在可由導(dǎo)軌前后移動的拖板上，稱其為移動反射鏡。邁克爾遜干涉儀裝置的特點是光源、反射鏡、接收器（觀察者）各處一方，分得很開，可以根據(jù)需要在光路中很方便的插入其它器件。和鏡架背后各有三個調(diào)節(jié)螺絲，可用來調(diào)節(jié)的傾斜方位。這三個調(diào)節(jié)螺絲在調(diào)整干涉儀前均應(yīng)先均勻地擰幾圈（因每次實驗

6、后為保證其不受應(yīng)力影響而損壞反射鏡都將調(diào)節(jié)螺絲擰松了），但不能過緊，以免減小調(diào)整范圍。同時也可通過調(diào)節(jié)水平拉簧螺絲與垂直拉簧螺絲使干涉圖像作上下和左右移動。而儀器水平還可通過調(diào)整底座上三個水平調(diào)節(jié)螺絲來達到。1.主尺 2.反射鏡調(diào)節(jié)螺絲3.移動反射鏡M1 4.分光板G15.補償板G2 6.固定反射鏡M2 7.讀數(shù)窗8.水平拉簧螺釘 9.粗調(diào)手輪 10.屏 11.底座水平調(diào)節(jié)螺絲圖17-1確定移動反射鏡M1的位置有三個讀數(shù)裝置：(1) 主尺在導(dǎo)軌的側(cè)面，最小刻度為毫米，如圖17-2：圖 17-2(2) 讀數(shù)窗可讀到0.01mm，如圖17-3：圖17-3(3) 帶刻度盤的微調(diào)手輪，可讀到0.000

7、1mm，估讀到10mm，如圖17-4:圖 17-42.邁克爾遜干涉儀的光路邁克爾遜干涉儀的光路如圖17-5。圖17-5光源上一點發(fā)出的一束光線經(jīng)分光板而被分為兩束光線（1）和（2）。這兩束光線分別射向互相垂直的全反射鏡，經(jīng)反射后又匯于分光板，這兩束光再次被分束，它們各有一束按原路返回光源（設(shè)兩光束分別垂直于、），同時各有一束光線朝E方向射出。由于光線（1）和（2）為兩相干光束，因此我們可在E的方向觀察到干涉條紋。為補償板，它的引進使兩束相干光的光程差完全與波長無關(guān)（由于分光板的色散作用，光程是的函數(shù)，因此作定量的檢測時，沒有補償板的干涉儀只能用準單色光源，有了補償板就可消除色散的影響。即使是帶

8、寬很寬的光源也會產(chǎn)生可分辨的條紋），且保證了光束（1）和（2）在玻璃中的光程完全相同，因而對不同的色光都完全可將等效為。在圖33-2中，是反射鏡反射所成的虛像。從E處看兩相干光是從反射而來。因此在邁克爾遜干涉儀中產(chǎn)生的干涉與間空氣膜所產(chǎn)生的干涉是一樣的。3. 點光源產(chǎn)生的非定域干涉用凸透鏡會聚的激光束是一個很好的點光源，它向空間發(fā)射球面波，從反射后可看成由兩個光源發(fā)出的（見圖17-6），至屏的距離分別為點光源S從反射在至屏的光程，的距離為距離的二倍，即2。虛光源發(fā)出的球面波在它們相遇的空間處處相干，這種干涉是非定域干涉。如果把屏垂直于的連線放置，則我們可以看到一組組同心圓，圓心就是連線與屏的交

9、點。圖 17-6 如圖17-6，由到屏上的任一點A，兩光線的程差可得： (1)由式（1）可知：（1）當 時程差最大，即圓心E點所對應(yīng)的干涉級別最高。當移動的距離增大時，圓心干涉級數(shù)越來越高，我們就可以看到圓條紋一個一個從中心“冒”出來，反之當d減小時，圓條紋一個一個地向中心“縮”進去。每當“冒”出或“縮”進一條條紋時，就增加或減小，所以測出“冒出”或“縮進”的條紋數(shù)目，由已知波長就可求得移動的距離，這就是利用干涉測長法；反之，若已知移動的距離，則就可求得波長，它們的關(guān)系為： (2)（2）增大時，程差每改變一個波長所需的的變化值減小，即兩亮環(huán)（或兩暗環(huán)）之間的間隔變小。看上去條紋變細變密。反之減

10、小，條紋變粗變稀。4. 擴展的面光源產(chǎn)生的定域干涉當光源為擴展光源時，干涉條紋都有一定的位置。這種干涉稱為定域干涉。對于定域干涉中等傾干涉條紋，定位于無窮遠，而定域干涉中的等厚干涉條紋，定位于鏡面附近（亦即薄膜干涉中的薄膜表層附近）。(1) 等傾干涉 當和互相平行時，入射角為的光線經(jīng)反射成為（1）和（2）兩束光（圖17-7），（1）和（2）互相平行，兩光束的光程差為： (3)圖17-7所以，在一定時，光程差只決定入射角。如在E處放一會聚透鏡，并在其焦平面上放一屏，則在屏上可看到一組同心圓。而每個圓相應(yīng)于一定的傾角，其產(chǎn)生干涉的平面是會聚透鏡的后焦面。和非定域干涉類似，干涉級別以圓心最高，當增加

11、時，圓環(huán)從中心“冒”出，當減小時，圓環(huán)從中心“縮”進。(2) 等厚干涉當和有一很小角度時(如圖17-8)。和之間形成楔形空氣薄層，就會出現(xiàn)等厚干涉條紋。等厚干涉紋定域在鏡面附近，如用眼睛觀察，眼睛必須聚焦在鏡面附近。圖17-8經(jīng)過和鏡反射的光線，其光程差仍可近似地表； (4)但在鏡和相交處附近，很小時，光程差的變化主要決定于的變化，項影響很小，可忽賂不計，因此可觀察到直線條紋。當變大時，的變化不能忽略，此時將引起干涉條紋的彎曲，以增加 (或減小)來彌補因增大(或彌補因減小)而引起的減小(或增大)，所以看到的條紋是二端彎向厚度增加(或減小)的方向，即條紋凸向厚度減小(或增加)的方向。5. 相干長度從理論上講，單色的點光源發(fā)出的光經(jīng)干涉儀后總是能夠產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的。然而實際上并不如此。在邁克爾遜干涉儀中，如果和之間的距離超過一定限度時就觀察不到干涉條紋。為了簡