大學物理實驗光學

邁克爾遜干涉儀實驗邁克爾遜干涉儀是1887年美國物理學家邁克爾遜和莫雷為研究“以太”漂移而設計制造的精密光學儀器。該實驗結果否定了“以太”的存在，為愛因斯坦建立狹義相對論奠定了基礎。為此獲得了1883年諾貝爾物理學獎。邁克爾遜干涉儀不僅可以觀察光的等厚、等傾干涉現(xiàn)象，精密地測定光波波長、微小長度、光源的相干長度等，還可利用它的原理制成各種專用干涉儀器，廣泛應用于生產和科研各領域。邁克爾遜首倡用光波波長作為長度基準，提出在天文學中利用干涉效應的可能性，并用自己設計的星體干涉儀測量了恒星參宿四的直徑。榮獲1907年諾貝爾物理學獎。一、實驗目的1、了解邁克爾遜干涉儀的原理、結構，掌握其調節(jié)與使用方法。2、掌握使用邁克爾遜干涉儀測量氦－氖激光光波波長的方法。二、實驗儀器：邁克爾遜干涉儀，氦－氖激光器水平調節(jié)螺絲1、光路部件

2、讀數(shù)部件

3、調節(jié)部件

單色光源反射鏡反射鏡，與成角。補償板移動導軌分光板三、實驗原理1、點光源產生的非定域干涉dS2dG1R電光源S發(fā)出的光經

和

反射后的干涉，相當于兩個虛光源和的干涉。這兩束球面波的干涉在光場疊加區(qū)的任何位置都能觀察到，因此稱為非定域干涉。根據(jù)兩反射鏡的空間取向，非定域干涉可觀察到等傾干涉和等厚干涉。當兩反射鏡嚴格垂直，且到分光板反射膜的距離差為d時，從觀察屏方向看,M2的像與M1組成一個厚度為d的空氣膜，相當于一個空氣薄膜的干涉。2、等傾干涉可以證明，入射光線在膜上下表面反射時的光程差為dSdS相干加強（明條紋）的條件為：等傾干涉的特點：相同的光線入射到膜表面上應該在同一圓錐面上，而反射光經透鏡會聚后分別相交于焦平面上的同一個圓環(huán)上。因而形成一組明暗相間的同心圓環(huán)。中心干涉級次最高(θ=0°)；移動M1，使d增大，可觀察到不斷有條紋從中心吐出；相反，減小d則條紋不斷從中心吞進。吞進或吐出的條紋數(shù)目N與M1移動的距離Δd滿足：M1M12M2M2M2MM1M1M12M2M2MM1M12M2MM1M1一片亮場吞環(huán),條紋由密變稀冒環(huán),條紋由無到有變密繼續(xù)冒環(huán)變密繼續(xù)冒環(huán)、、2、等厚干涉（不做）當不垂直于時，可形成劈尖型等厚干涉條紋.反射鏡反射鏡單色光源M1M2’M1M2’M2’M1M2’M1M1M2’（1）、將激光源放置在干涉儀的左端，調整光源，使激光束射向分束鏡中央（2）、轉動粗調鼓輪，移動可動反射鏡，使兩個反射鏡與分束鏡之間的距離粗略相等。四、實驗內容及要求（3）、移去觀察屏，用眼睛垂直觀察分束鏡，看到由兩個平面鏡反射產生的兩排光點，調節(jié)微調螺絲，使兩排光點中最亮的兩點重合。重新裝上觀察屏，可以看到干涉條紋——同心圓環(huán)。1、邁克爾遜干涉儀的調整：

調節(jié)M1、M2互相垂直，即M1與M2的像平行。找到同心圓環(huán)的干涉條紋。2、測He-Ne激光器的波長：調節(jié)微動手輪，每吞進或吐出30個條紋，從主尺、讀數(shù)窗口和微動手輪上讀出M1的初末位置，吞吐各測3組數(shù)據(jù)。調節(jié)測微尺的零點（校零）：先將微調鼓輪沿某一方向旋轉至零，然后以同方向轉動粗調鼓輪對齊讀數(shù)窗口的任一整刻度。注意：微調與粗調必須同一方向調節(jié)！避免引入空程。在調整好零點后，應使微動鼓輪按原方向轉幾圈，直到干涉條紋開始移動以后，才可開始讀數(shù)測量。

主尺讀數(shù)窗口微動手輪最后讀數(shù)為：33.52246mm對吞進和吐出條紋的情形分別計算：吞進（吐出）30個條紋，M1移動距離Δd的平均值，計算波長，波長的定值誤差。激光波長的標準值為632.8nm。五、數(shù)據(jù)處理等傾干涉M1初位置M1末置?dNλ吐環(huán)303030呑環(huán)303030激光波長實驗值：波長測量的百分差E：光柵衍射

衍射光柵是由大量相互平行、等寬、等間距的狹縫或刻痕所組成。利用多縫衍射原理使光發(fā)生色散的光學元件，由于光柵具有較大的色散率和較高的分辨本領，它已被廣泛地裝配在各種光譜儀器中。一、實驗目的1、觀察光柵衍射現(xiàn)象，掌握測定光柵常數(shù)、光波波長、角色散率的方法。3、進一步熟習分光計的調整和使用方法。二、實驗儀器分光計、平行平面反射鏡、汞燈、透射光柵三、實驗原理d=a+b稱為光柵常數(shù)。波長為λ的平行光垂直入射光柵，衍射角θ滿足如下光柵方程時，得到衍射主極大明紋。本實驗用汞燈作為復合光源，通過分光計的準直管產生平行光垂直照射在光柵上，其衍射圖樣又通過望遠鏡的物鏡聚焦到分劃板上。由上式可得，K級衍射明紋隨波長變化，亮紋的衍射角θ也隨之變化，從而產生如下的衍射光譜。-2-10+1+2綠+1級綠-1級黃1+1級黃2+1級黃2-1級黃1-1級本實驗已知綠光波長λ=546.1nm，通過測量綠光的衍射角可計算出光柵常數(shù)d，再通過測量雙黃線的衍射角，可計算出兩種黃光的波長（理論值在P369，表19查詢汞燈光源）。衍射光柵的基本特性可用分辨本領或角色散率來表征。角色散率D是兩條譜線偏向角之差與兩者波長差

之比：它表示單位波長間隔內兩單色譜線之間的角間距。四、實驗內容1、調節(jié)分光計平行光管產生平行光、望遠鏡能接受平行光且光軸與儀器主軸垂直；載物臺平面與儀器主軸垂直。角色散率：角色散率理論值：2、調節(jié)光柵（1）望遠鏡及平行光管均與光柵平面垂直（三線合一）。望遠鏡對準平行光管，光柵放置于載物臺上，轉動內盤和望遠鏡，使零級主極大、反射綠叉絲像均與分劃板垂線重合，然后鎖緊內盤。B1B3B2（2）光柵刻線與儀器主軸平行。轉動望遠鏡，觀察±

1級、±2級各級衍射主極大，看它們是否等高。若不等高，調節(jié)B3螺釘使它們等高。注意，測量之前務必把望遠鏡與外刻度盤固定在一起。3、測量衍射角轉動望遠鏡，從右端+1級黃2光開始，依次測黃2、黃1，綠光，······直到左端-1級的黃2光角位置，重復測量三次。設各波長譜線+1級與分劃板垂線重合時，讀角位置為θ1和θ′1，再測-1級角位置θ2和θ′2，則1級各光的衍射角為θ.K=+1K=-1θ1和θ′1θ2和θ′2θ1θ′1θ2θ′2五、數(shù)據(jù)處理1、計算綠光、黃1和黃2三種波長成分的衍射角及不確定度，正確表示結果。2、以綠光的衍射角計算光柵常數(shù)d（綠光波長為546.1nm）。3、使用上一步計算出的光柵常數(shù)和兩條黃線的衍射角計算黃光的波長，并與已知值(p369、表19)比較，計算百分差。4、以黃色雙線的夾角計算光柵的角色散率并與理論值比較，計算百分差。（注意單位）譜線次數(shù)衍射角位置讀數(shù)游標位置-1級+1級綠光1左θ2θ1右