邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報告

邁克耳干涉儀的使用09材物2班陳騁學(xué)號：200910240212實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）.了解邁克耳遜干涉儀的基本構(gòu)造，學(xué)習(xí)其調(diào)節(jié)和使用方法，學(xué)習(xí)按照一定原理組裝儀器的技能，通過自行組裝邁克耳干涉儀學(xué)習(xí)光路的調(diào)整。（2）.觀察各種干涉條紋，加深對薄膜干涉原理的理解，開拓學(xué)習(xí)應(yīng)用的技能。（3）.學(xué)會用邁克耳遜干涉儀測量物理量，在組裝好的個邁克耳干涉儀上進(jìn)行壓電晶片電致伸縮效應(yīng)的觀測。粗略測出壓電晶片的壓電系數(shù)。實(shí)驗(yàn)原理1、邁克耳遜干涉儀的原理。邁克耳遜干涉儀是應(yīng)用分振幅法產(chǎn)生雙光束以實(shí)現(xiàn)干涉的儀器，儀器的光學(xué)系統(tǒng)由兩個平面反射鏡M］和M2及兩塊材質(zhì)相同、厚度相等的平行平面玻璃板G1和G2所組成，如上圖所示。從光源S發(fā)出的光，射到分光板G1上,分光板G1后表面有半反射膜,將一束光分解成兩束光；一束為反射光（1），另一束為透射光（2）,他們的強(qiáng)度近似相等。由于G1與M1、M2均成45度角，所以兩束光都垂直的射到M1和M2,并經(jīng)反射后回到G1上的半反射膜，再在觀察處E相遇。因?yàn)楣馐?）、（2）是相干光，若儀器調(diào)整得當(dāng)，便可在E處觀察到干涉圖樣。G2為補(bǔ)償板，其物理性能和幾何形狀與G1相同，它的作用是為了補(bǔ)償光束（2）的光程，使光束（1）和光束（2）在玻璃中的光程完全相等。2、干涉條紋的形成。由于半反射膜實(shí)質(zhì)上是一塊反射鏡，它使M2在M1附M2近形成一個虛像M'2。由于是從觀察處E看到的兩束光好像是從M1和M；射來的，故可將M；看成一個虛平面。因M；不是實(shí)物，它的表面和M1的表面所夾的空氣薄膜可以任意調(diào)節(jié)如使其平行則形成等厚的空氣薄膜，產(chǎn)生等傾干涉；若不平行則形成空氣劈尖，成

等厚干涉。從而在實(shí)驗(yàn)過程中可以觀察到不同的干涉圖樣。(1)等傾干涉使M2垂直Ml(即Ml平行M；),S又為面光源時，這就相當(dāng)于空氣平面板所產(chǎn)生的等傾干涉。自Ml和M2反射后兩光束的光程差(如果光束(1)、(2)在半反射膜上反射時無附加光程差)為A二IdCosi'，式中d為M1和M；間的距離，即為空氣膜厚度。I為入射光M］、M；鏡表面的入射角。由上式可知，當(dāng)d一定時，光程差只決定于入射角。面光源上具有相同傾角I的所有光束的光程差A(yù)也相同，它們在干涉區(qū)域里將形成同一條干涉條紋，這種干涉即為等傾干涉。對應(yīng)不同入射角的光束光程差不相同，形成不同級次的干涉條紋，便得到一組明暗相間的同心圓環(huán)，條紋定域在無窮遠(yuǎn)處，在E處直接用眼睛就可以觀察到等傾干涉的同心圓環(huán)。(2)等厚干涉當(dāng)M］、M'2相距很近，并把M；調(diào)成與M］相交呈很小的角度時，就形成一空氣劈尖。在劈尖很薄的情況下，從E處便可看到等厚干涉條紋。這時，兩相干光程差仍可近似的表示為A=2dcosi,，在M］和M；的交線處的直線紋稱為中央條紋。在交線上，d=0，光程差A(yù)為零，條紋為一條直線；在交線附近d很小，i的變化可以忽略，即cosi視為常數(shù)，條紋為一組近似與中央條紋平行的等間距的直條紋，可視為等厚條紋；離交線較遠(yuǎn)處d變大，光程差A(yù)的改變，除了與膜厚度d有關(guān)外，還受i角的影響，cosi的影響不能忽略。實(shí)際上i很小，A=2dcosi~2d(1-i2/2)，條紋發(fā)生彎曲。實(shí)驗(yàn)背景歷史背景邁克耳遜干涉儀,是1883年美國物理學(xué)家邁克耳遜和莫雷合作，為研究“以太”漂移而設(shè)計制造出來的精密光學(xué)儀器。它是利用分振幅法產(chǎn)生雙光束以實(shí)現(xiàn)干涉。通過調(diào)整該干涉儀，可以產(chǎn)生等厚干涉條紋，也可以產(chǎn)生等傾干涉條紋。主要用于長度和折射率的測量，若觀察到干涉條紋移動一條，便是M2的動臂移動量為九/2，等效于Ml與M2之間的空氣膜厚度改變九/2。在近代物理和近代計量技術(shù)中，如在光譜線精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究和用光波標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)米尺等實(shí)驗(yàn)中都有著重要的應(yīng)用。利用該儀器的原理，研制出多種專用干涉儀。具體應(yīng)用l.微小位移量和微振動的測量采用邁克耳遜干涉技術(shù)，通過測量KDP晶體生長的法向速率和臺階斜率來研究其臺階生長的動力學(xué)系數(shù)、臺階自由能、溶質(zhì)在邊界層內(nèi)的擴(kuò)散特征以及激發(fā)晶體生長臺階的位錯活性。He-Ne激光器的激光通過擴(kuò)束和準(zhǔn)直后射向分束鏡，參考光和物光分別由反射鏡和晶體表面反射，兩束光在重疊區(qū)的干涉條紋通過物鏡成像，該像用攝像機(jī)和錄像機(jī)進(jìn)行觀察和記錄.濾膜用于平衡參考光和物光的強(qiáng)度.2.壓電材料的逆壓電效應(yīng)研究壓電陶瓷材料在電場作用下會產(chǎn)生伸縮效應(yīng),這就是所謂壓電材料的逆壓電現(xiàn)象,其伸縮量極微小。將邁克耳遜干涉儀的動鏡粘在壓電陶瓷片上,當(dāng)壓電陶瓷片受到電激勵產(chǎn)生機(jī)械伸縮時就帶動動鏡移動。而動鏡每移動久/2的距離，就會到導(dǎo)致產(chǎn)生或消失一個干涉環(huán)條紋，根據(jù)干涉環(huán)條紋變化的個數(shù)就可以計算出壓電陶瓷片伸縮的距離。引力波探測（超大型邁克耳遜干涉儀）引力波存在是廣義相對論最重要的預(yù)言，對愛因斯坦引力波的探測是近一個世紀(jì)以來最重大的基礎(chǔ)探索項目之一。目前還沒有直接證據(jù)來證明引力波的存在。目前，許多科學(xué)家正致力于利用激光干涉引力波探測儀來探測引力波。該儀器的主體是一臺激光邁克耳遜干涉儀。在無引力波存在時，調(diào)整臂長使從互相垂直的兩臂返回的兩束相干光在分光鏡處相干減弱，輸出端的光電二極管接收的是暗紋，無輸出信號。引力波的到來會使一個臂伸長另一臂縮短，使兩束相干光有了光程差，破壞了相干減弱的初始條件，光電二極管有信號輸出，該信號的大小與引力波的強(qiáng)度成正比。20世紀(jì)90年代中期，華盛頓州的Hanford和路易斯安娜州的Livingston開始建造引力波探測站，并于21世紀(jì)初相繼建成臂長4000米、2000米的激光干涉儀引力波探測儀。據(jù)估計，引力波探測極有可能在今后10-20年內(nèi)取得重大突破。實(shí)驗(yàn)儀器防振臺氦氖激光光源凸透鏡凹透鏡可變光欄直尺光屏分束鏡反射鏡支架壓電晶片等實(shí)驗(yàn)計劃每次做實(shí)驗(yàn)，我們都必須要有一個詳細(xì)、具體的實(shí)驗(yàn)計劃。在還沒有去做實(shí)驗(yàn)之前，必須要對要做的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了解學(xué)習(xí)，掌握其實(shí)驗(yàn)原理，并且對實(shí)驗(yàn)要用到的實(shí)驗(yàn)儀器要有詳細(xì)的了解。下面，我就將我的具體的實(shí)驗(yàn)計劃做一個簡單的陳述。在要做邁克耳遜干涉實(shí)驗(yàn)的前兩天，我就在積極的了解有關(guān)邁克耳遜干涉實(shí)驗(yàn)的有關(guān)知識，其中包括實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)中要注意的問題等。準(zhǔn)備好這一切之后，下面就要進(jìn)入正式的實(shí)驗(yàn)階段了。在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之后，我們就要開始熟悉我們實(shí)驗(yàn)要用的儀器。在正式開始實(shí)驗(yàn)之前，我們一般還需要對邁克耳遜干涉儀進(jìn)行組裝調(diào)試。而在實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)儀器的基本組裝已經(jīng)基本完成，我們只需要對相應(yīng)的性能進(jìn)行調(diào)整調(diào)試。在調(diào)試好儀器之后，我們才能進(jìn)行等厚、等傾干涉實(shí)驗(yàn)，以及做其它的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)室，面對零散的實(shí)驗(yàn)儀器，要進(jìn)行邁克耳遜干涉儀實(shí)驗(yàn)，我們需要先對儀器進(jìn)行組裝調(diào)試。在試驗(yàn)臺上，有一個氦氖激光源。首先我們就要打開光源的電源，讓氦氖激光器發(fā)射光源。然后將帶有支架的凸透鏡放在發(fā)射激光儀器前端的小孔前，調(diào)節(jié)凸透鏡的高度讓反射的部分光束正好聚焦在小孔上。調(diào)好之后，繼續(xù)將帶有支架的分光板放在與凸透鏡和光源在同一條直線上，并目測調(diào)整使三者的高度一致。然后調(diào)整支架上的分光板，使其與三者所在直線成45度角。調(diào)好之后，將凸透鏡和分光板分別固定在實(shí)驗(yàn)臺上。之后，按照上面的邁克耳遜干涉儀的光路圖，將兩反射鏡和光屏分別擺放在相應(yīng)的位置并目測調(diào)整使其高度與凸透鏡、分光板相同。然后，先分別對反射鏡M］、M2進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其反射通過分光鏡之后的光線能夠打到光屏上。在光屏上出現(xiàn)了兩個光斑之后，先粗調(diào)反射鏡使兩光斑靠近。調(diào)好后，就可以將兩反射鏡M1、M2分別固定在相應(yīng)的位置。為了觀察到干涉現(xiàn)象，接下來我們就要通過微調(diào)反射鏡使兩個光斑相交并產(chǎn)生干涉條紋圖樣。經(jīng)過微調(diào)之后，就可以在光屏上看到干涉圖樣了。等傾干涉和等厚干涉是面光源產(chǎn)生的定域干涉。所以，在實(shí)驗(yàn)中不需要在光源發(fā)射器前面加一凸透鏡對光束進(jìn)行聚焦形成點(diǎn)光源。在打開電源發(fā)射光束之后，將分光板放在與光源同一直線上并目測調(diào)整其高度與發(fā)射光束的光孔相同。然后也是按照實(shí)驗(yàn)原理圖將兩個反射鏡和光屏放在相應(yīng)位置。對兩反射鏡分別進(jìn)行粗調(diào)，使反射通過分光鏡之后的光束打在光屏上。然后將反射鏡進(jìn)行固定，固定之后再對反射鏡進(jìn)行微調(diào)，使兩個光斑相交產(chǎn)生干涉條紋圖樣。在實(shí)驗(yàn)中要十分注意兩反射鏡必須完全垂直，否則將不能形成等傾干涉。等厚干涉實(shí)驗(yàn)儀器的組裝步驟與等傾干涉基本一致。只是在兩反射鏡的反射光束時不需要將兩反射鏡擺放的完全垂直，而是應(yīng)該有細(xì)微的偏斜。在進(jìn)行反射鏡微調(diào)的過程中就可以在光屏上看到等厚和等傾干涉條紋圖樣。在測壓電晶片的壓電系數(shù)時，首先需要將壓電晶片固定在一反射鏡的背面。由于壓電系數(shù)K=Ad/AU，要測壓電系數(shù)，只要測出通電后電壓晶片的伸縮量Ad，而Ad的測量可以利用等傾干涉的實(shí)驗(yàn)原理來進(jìn)行。先將儀器按照上述等傾干涉的步驟組裝，將固定有壓電晶片的反射鏡組裝固定好后，先不對壓電晶片通電進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。利用邁克耳遜干涉儀，調(diào)整反射鏡使光屏上可看到同心圓干涉條紋。然后再給壓電晶片通電，改變壓電晶片上的電壓，使其由零逐漸上升，干涉條紋便由中心向外不斷增加，當(dāng)條紋中心正好出現(xiàn)N個條紋時，記下此時壓電晶片的兩端的電壓U。由于光束的波長實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)給出，所以可以根據(jù)公式求得壓電晶片的伸長量為Ad=NX/2，從而可求得壓電系數(shù)k=d/AU。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、邁克耳遜干涉儀的基本調(diào)節(jié)（1）點(diǎn)燃氦氖激光器，調(diào)節(jié)其高度和方向，使激光束大致照到兩平面鏡M］、M2及屏e的中部，并使從兩平面鏡反射來的兩束光能盡量原路返回，即盡可能回到激光器的出光口。（2）屏上可以看到兩排光點(diǎn)，都以最亮者居中。調(diào)節(jié)M］和M2后面的三個螺絲，使兩個最亮點(diǎn)重合（此時M］和M2相互垂直）。此時要檢查回到激光器的兩束光是否仍照在出光口或附近。2、粗略測出壓電晶片的壓電系數(shù)壓電陶瓷材料在電場作用下會產(chǎn)生伸縮效應(yīng),這就是所謂壓電材料的逆壓電現(xiàn)象,其伸縮量極微小。將邁克耳遜干涉儀的動鏡粘在壓電陶瓷片上,當(dāng)壓電陶瓷片受到電激勵產(chǎn)生機(jī)械伸縮時就帶動動鏡移動。而動鏡每移動久/的距離，就會到導(dǎo)致產(chǎn)生或消失一個干涉環(huán)條紋，根據(jù)干涉環(huán)條紋變化的個數(shù)就可以計算出壓電陶瓷片伸縮的距離。3注意事項（1）實(shí)驗(yàn)中，請勿正視激光光源，以免損傷眼睛。（2） 儀器上的光學(xué)元件精度極高，不要用手撫摩或讓贓物沾上，切勿正對著光學(xué)表面講話。（3） 一起傳動機(jī)構(gòu)相當(dāng)精密，使用時要輕緩小心，在實(shí)驗(yàn)過程中，保持安靜，動作要輕，不可有大，重動作，不能隨意走動和對著防震臺說話。否則，會引起震動，影響實(shí)驗(yàn)，調(diào)好光路后，應(yīng)靜止1分鐘，讓防震臺靜止下來。（4） 測量過程中，由于儀器存在空程誤差，一定要條紋的變化穩(wěn)定后才能開始測量。而且,測量一旦開始，微調(diào)鼓輪的轉(zhuǎn)動方向就不能中途改變結(jié)論：邁克耳孫干涉儀結(jié)構(gòu)簡單、光路直觀、精度高，其調(diào)整和使用具有典型性。且邁克耳孫－莫雷實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)否定了特殊參考系的存在，這就意味