邁克爾遜及邁克爾遜干涉儀實(shí)驗(yàn)

1、邁克爾遜及邁克爾遜干涉儀實(shí)驗(yàn)陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院 吳俊林一、邁克爾遜及其對物理學(xué)發(fā)展的主要貢獻(xiàn)二、邁克爾遜干涉儀及光波波長的測量三、古老原理的現(xiàn)代應(yīng)用一、著名物理學(xué)家阿爾伯特-邁克爾遜及其對物理學(xué)發(fā)展的主要貢獻(xiàn) 1 阿爾伯特-邁克爾遜（Albert Abrahan Michelson，1852 1931）簡介 美國著名實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家：邁克爾遜，1852 年12月19日出生于波蘭一個(gè)猶太商人家庭，1856年隨父母移居美國.1873年畢業(yè)于美國海軍學(xué)院。 1883年任俄亥俄州克利夫蘭市開斯應(yīng)用科學(xué)學(xué)院物理學(xué)教授1889年成為麻省伍斯特的克拉克大學(xué)的物理學(xué)教授。1892年到一個(gè)全新的大學(xué)芝

2、加哥大學(xué)任物理學(xué)系教授，并成為該系第一任系主任。 1907年邁克爾遜因?yàn)椤鞍l(fā)明光學(xué)干涉儀并使用其進(jìn)行光譜學(xué)和基本度量學(xué)研究” 而成為美國歷史上第一位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者。1910-1911年擔(dān)任美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)主席。1923-1927年擔(dān)任美國科學(xué)院院長。月球上的一個(gè)環(huán)形山是以他的名字命字。1931年5月9日逝世于加利福尼亞的帕薩迪納。2、“以太漂移”學(xué)說的提出 十八世紀(jì)后，惠更斯、楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)證明了光的波動(dòng)性，并建立了光的波動(dòng)理論。人們?yōu)榱私忉尮獾膫鞑ザ搿耙蕴钡母拍睢ＴO(shè)想“以太”是彌漫在整個(gè)宇宙空間的一種物質(zhì)。光借助“以太”這種介質(zhì)傳播?！耙蕴?的提出是假設(shè)，被當(dāng)時(shí)物理學(xué)界所接受。

3、但如何用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證“以太”的存在，許多物理學(xué)家用不同的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了檢驗(yàn)，具有代表性的是邁克爾遜的干涉儀實(shí)驗(yàn)最為著名。 3、邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn) 按經(jīng)典理論地球在“以太”中繞太陽公轉(zhuǎn)，就象急馳的火車相對于周圍空氣運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生一股風(fēng)一樣.也應(yīng)有一股“以太風(fēng)”。邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)就是為了測量“以太風(fēng)”而設(shè)計(jì)的。實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示 邁克爾孫干涉儀俯視圖測定“以太風(fēng)”速率的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)思想如圖所示，按照以太學(xué)說，光在以太中傳播速率是C，而以太相對于地球的 速率為。實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察相干條紋，然后把儀器平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)90，再觀察轉(zhuǎn)動(dòng)前 后干涉條紋的變化。若干涉儀臂長LMM1=LMM2=d所需的時(shí)間為:根據(jù)經(jīng)典速度合成公式，光由

4、MM1M光由MM2M所需的時(shí)間為:故兩束光到達(dá)T的時(shí)間差為:干涉儀轉(zhuǎn)動(dòng)90前后時(shí)間差的改變?yōu)橛纱硕鸬墓獬滩顬? 從而引起干涉條紋移動(dòng)的條數(shù): 應(yīng)用數(shù)學(xué)展開，略去高次項(xiàng)可得: 實(shí)驗(yàn)中用鈉光源，=5.9107；地球的軌道運(yùn)動(dòng)速率為：104c；干涉儀光臂長度為11m;應(yīng)該移動(dòng)的條紋為： 11(104)20.4干涉儀的靈敏度:可觀察到的條紋數(shù)為0.01條。而實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有觀察到條紋移動(dòng). 設(shè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有觀察到條紋移動(dòng)，即 故推出 即“以太漂移”速度 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示“以太”不存在。邁克爾遜驗(yàn)證“以太”實(shí)驗(yàn)的主要階段 、1881年4月在天文臺(tái)的地下室進(jìn)行第一次實(shí)驗(yàn)后，得到出乎意料的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表后，立

5、即引起物理學(xué)界的非議。其本人承受巨大壓力。 、1884年著名物理學(xué)家開爾文訪美，并會(huì)見邁克爾遜，贊揚(yáng)并鼓勵(lì)他繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，建議他和其助手莫雷合作實(shí)驗(yàn)。 1887年7月，進(jìn)行第二次實(shí)驗(yàn)，用大石板浮在水銀槽上實(shí)驗(yàn)（可自由旋轉(zhuǎn)方向，穩(wěn)定性好，精度高）共四天，結(jié)果仍然是零。 、1897年，邁克爾遜第三次實(shí)驗(yàn)，將干涉儀掉在天花板上，為防止空氣的干擾，光路用鐵管密封，抽去空氣，得到的仍然為零結(jié)果。4、邁克爾遜的主要科學(xué)貢獻(xiàn) 邁克爾遜一生在追求科學(xué)和真理，他主要從事光學(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量，在他的有生之年，一直是光速測定的國際中心人物。主要科學(xué)貢獻(xiàn)有： 邁克爾遜的第一個(gè)重大科學(xué)貢獻(xiàn)

6、是發(fā)明了邁克爾遜干涉儀，并用它完成了著名的邁克-莫雷實(shí)驗(yàn). 這是一個(gè)最重大的否定性實(shí)驗(yàn)，這次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果否定了“以太”學(xué)說，動(dòng)搖了經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)，為愛因斯坦狹義相對論的建立鋪平了道路. 邁克爾遜是第一個(gè)倡導(dǎo)用光波的波長作為長度基準(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，測定了鎘紅線波長是6438.4696埃，于是，1米等于1553164倍鎘紅線波長。這是人類首次獲得了一種永遠(yuǎn)不變且毀壞不了的非實(shí)物長度基準(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，其

7、成果對現(xiàn)代分子物理學(xué)、原子光譜和激光光譜學(xué)等新興學(xué)科都產(chǎn)生了重大影響 由于創(chuàng)制了精密的光學(xué)儀器和利用這些儀器所完成的光譜學(xué)和基本度量學(xué)研究，邁克爾遜于1907年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 邁克爾遜是一位杰出的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，他所完成的實(shí)驗(yàn)都以設(shè)計(jì)精巧、精確度高而聞名，愛因斯坦曾這樣贊譽(yù)： “我總認(rèn)為邁克爾遜是科學(xué)中的藝術(shù)家,他的最大樂趣似乎來自實(shí)驗(yàn)本身的優(yōu)美和所使用方法的精湛,他從來不認(rèn)為自己在科學(xué)上是個(gè)嚴(yán)格的專家,但始終是個(gè)藝術(shù)家。”重要的物理思想+巧妙的實(shí)驗(yàn)構(gòu)思+精湛的實(shí)驗(yàn)技術(shù)科學(xué)中的藝術(shù) 二、邁克爾遜干涉儀測光波波長1、邁克爾遜干涉儀光路圖M1與M2之間形成的是一個(gè)空氣薄膜。邁克爾遜干涉儀產(chǎn)生的干

8、涉，與M1、 M2之間的空氣薄膜產(chǎn)生的干涉是等效的。改變M1、 M2的相對位置，就可以得到各種形式的干涉條紋。d2、干涉環(huán)的產(chǎn)生等傾干涉光路圖 等傾干涉圓環(huán)實(shí)驗(yàn)條件:M1與M2平行時(shí)，即M1與M2嚴(yán)格垂直。（1）和（2）的光程差可如下計(jì)算： 當(dāng)d 一定時(shí)，光程差只取決于 。這樣，以中心線為對稱軸的同一角入射的光線，反射后形成一個(gè)圓形干涉環(huán)；以各種不同傾角入射的光線，反射后形成一組同心的明暗相間的等傾干涉環(huán)。形成明（即亮）和暗的條件是： 3、干涉環(huán)的變化規(guī)律 干涉圖像中， 隨著d的增大或減小，條紋從中心“冒出”或向中心“縮入”。4、光波波長的測量當(dāng)M1移動(dòng)d時(shí)，有N個(gè)干涉條紋的變化，則 測量出N

9、個(gè)條紋變化對應(yīng)的d，即可求出波長。5、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本實(shí)驗(yàn)： 1、調(diào)節(jié)邁克爾遜干涉儀，觀察干涉條紋 的變化； 2、測量氦氖激光的波長； 3、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)實(shí)驗(yàn)過程，完成 論文式實(shí)驗(yàn)報(bào)告。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)： 1、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，測量鈉光二譜線波長差及其相干長 度； 2、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，測量透明介質(zhì)的折射率； 3、自選設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。邁克爾遜干涉儀簡介觀察屏分光板補(bǔ)償板全反鏡粗調(diào)手輪細(xì)調(diào)手輪豎直調(diào)節(jié)螺絲水平調(diào)節(jié)螺絲 光學(xué)相干CT 斷層掃描成像新技術(shù) （Optical Coherence Tomography簡稱OCT） CT-Computed Tomography 計(jì)算機(jī)斷層成象第二代： NMR CT核磁共振成象第

10、三代： 光學(xué)相干CTOCT 微米量級的空間分辨率第一代： X射線CT射線CT工業(yè)CT 三、“古老”原理的現(xiàn)代應(yīng)用之例 邁克爾遜干涉儀是歷史上最著名的經(jīng)典干涉儀，其基本原理已經(jīng)被推廣到許多方面，研制成各種形式的精密儀器，廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域 原理* 樣品中不同位置處反射回的光脈沖延遲時(shí)間不同* 不同的材料或結(jié)構(gòu)反射的強(qiáng)度不同激光器的脈沖寬度要很小1015秒 飛秒要實(shí)現(xiàn)微米量級的空間分辨率,即就要求能測量 秒的時(shí)間延遲時(shí)間延時(shí)短至10141015s 電子設(shè)備難以直接測量光源探測器參考鏡眼睛可利用光學(xué)邁克耳遜干涉儀原理只有當(dāng)參考光與信號(hào)光的某個(gè)脈沖經(jīng)過相等光程時(shí)才會(huì)產(chǎn)生光學(xué)干涉現(xiàn)象因?yàn)?0

11、15秒 的光脈沖大約只有一個(gè)波長 要測量從眼內(nèi)不同結(jié)構(gòu)回來的光延遲,只須移動(dòng)參考鏡使參考光分別與不同的信號(hào)光產(chǎn)生干涉 參考臂掃描可得到樣品深度方向的一維測量數(shù)據(jù) 光束在平行于樣品表面的方向進(jìn)行掃描測量,可得到橫向的數(shù)據(jù) 將得到的信號(hào)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理便可得到樣品的立體斷層圖像 分別記錄下相應(yīng)的參考鏡的空間位置,這些位置便反映了眼球內(nèi)不同結(jié)構(gòu)的相對空間位置光源探測器參考鏡眼睛實(shí)驗(yàn)裝置光纖化的邁克耳遜干涉儀光源電子學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)探測器光纖耦合器樣品光纖聚焦器反射鏡 大蔥表皮的 OCT 圖像 實(shí)際樣品大小為10mm4mm，圖中橫向分辨率約為20m 縱向分辨率約為25m應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)材料科學(xué)我國第一臺(tái)OCT的第

12、一張圖 清華原子分子國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室兔子眼球前部的OCT圖像晶狀體上皮睫狀體角膜后表面角膜前表面光學(xué)相干斷層掃描（optical coherence tomography）參考鏈接 醫(yī)用光學(xué)相干層析成像儀光學(xué)相干層析技術(shù)（Optical Coherence Tomography, OCT）是近十年迅速發(fā)展起來的一種成像技術(shù)，它利用弱相干光干涉儀的基本原理，檢測生物組織不同深度層面對入射弱相干光的背向反射或幾次散射信號(hào)，通過掃描，可得到生物組織二維或三維結(jié)構(gòu)圖像。 虞啟璉：生物組織光學(xué)成像技術(shù)及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用OCT利用寬帶光源的短程相干特性對活體組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷層成像。OCT系統(tǒng)一般由低相干光源(SLD

13、或超快激光器)和邁克爾遜光纖干涉儀組成。OCT是結(jié)合了空間門、相干門及其他形式的門技術(shù)。目前OCT可探測深度由幾個(gè)毫米到厘米量級，空間分辨率達(dá)到220mm。薛平、錢俊雯、劉志榮、陳瓞延：斷層掃描成像新技術(shù)光學(xué)相干計(jì)算機(jī)斷層攝影術(shù)OCT原理類似于超聲成像，只是用光波代替了聲波。由于光波波長很短，因而分辨率高，而且成像時(shí)不需接觸樣品。清華大學(xué)物理系OCT研究組光學(xué)相干CT（Optical Coherence Tomography），簡稱OCT，中文全稱為“光學(xué)相干層析”，是繼X射線CT、MRI、超聲診斷技術(shù)之后的又一種新的醫(yī)學(xué)層析成像方法。它集半導(dǎo)體激光技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、超靈敏探測技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像處

14、理技術(shù)于一身，能夠?qū)θ梭w、生物體進(jìn)行無傷害的活體檢測，獲得生物組織內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的高分辨截面圖像.Optical coherence tomography (Cardiovascular Radiation Medicine 4, 2003)(PDF)Optical coherence tomography (OCT) is a light-based imaging modality that can be used in biological systems to study tissues in vivo with near-histologic, ultrahigh resolution

15、. The rationale for intravascular application of OCT is its potential for in vivo visualisation of the coronary artery microstructure. Miniature endoscope for simultaneous optical coherence tomography and laser-induced fluorescence measurement (1 January 2004 Vol. 43, No. 1 APPLIED OPTICS)(PDF)We ha

16、ve designed a multimodality system that combines optical coherence tomography OCT and laser-induced fluorescence LIF in a 2.0-mm-diameter endoscopic package. OCT provides 18-m resolution cross-sectional structural information over a 6-mm field.Video-rate three-dimensional optical coherence tomograph

17、y (Vol. 10, No. 9 May 06, 2002, Optics Express)Here we demonstrate three-dimensional optical coherence tomography (3D OCT) at video rate.Use of optical coherence tomography to monitor biological tissue freezing during cryosurgery (Journal of Biomedical Optics 9(2), 282286, March/April 2004)(PDF)OCT

18、provides high spatial resolution (510 mm) images of optical backscattering due to local variations in refractive index, such as the boundary between liquid and frozen water in tissue.Optical Coherence Tomography: Endoscopic Instrumentation and Applications (James R. Parker March 20, 2003)This report reviews the technology of OCT with emphasis on endoscopic applications.Emerging Clinical Applications of Optical Coherence