迈克尔逊专题实验报告.doc

迈克尔逊专题实验报告白光干涉方面北京交通大学电信学院09级摘要：本专题实验内容涉及大学物理课程中的双光束干涉，多光束干涉等内容；记录了实验过程中的经验和一些参考内容。关键词：迈克尔逊干涉仪 法布里-珀罗干涉仪 钠光双线，白光干涉背景：阿尔伯特亚伯拉罕迈克尔逊，迈克尔逊主要从事光学和光谱学方面的研究，他以毕生精力从事光速的精密测量，在他的有生之年，一直是光速测定的国际中心人物。他发明了一种用以测定微小长度、折射率和光波波长的干涉仪（ 迈克尔逊干涉仪），在研究光谱线方面起着重要的作用。因发明精密光学仪器和借助这些仪器在光谱学和度量学的研究工作中所做出的贡献，被授予了1907年度诺贝尔物理学奖。 迈克尔逊专题实验属于光学实验。实验的过程并不难，只是调整好仪器需要花费大量的时间，需要实验者足够细心。论述：一、实验理论1、干涉仪的光学结构迈克尔逊干涉仪的光路和结构如下图所示。M1、M2是一对精密磨光的平面反射镜，M1的位置是固定的，M2可沿导轨前后移动。G1、G2是厚度和折射率都完全相同的一对平行玻璃板，与M1、M2均成45角。G1的一个表面镀有半反射、半透射膜A，使射到其上的光线分为光强度差不多相等的反射光和透射光；G1称为分光板。当光照到G1上时，在半透膜上分成相互垂直的两束光，透射光（1）射到M1，经M1反射后，透过G2，在G1的半透膜上反射后射向E；反射光（2）射到M2，经M2反射后，透过G1射向E。由于光线（2）前后共通过G1三次，而光线（1）只通过G1一次，有了G2，它们在玻璃中的光程便相等了，于是计算这两束光的光程差时，只需计算两束光在空气中的光程差就可以了，所以G2称为补偿板。当观察者从E处向G1看去时，除直接看到M2外还看到M1的像M1。于是（1）、（2）两束光如同从M2与M1反射来的，因此迈克尔逊干涉仪中所产生的干涉和M1M2间“形成”的空气薄膜的干涉等效。反射镜M2的移动采用蜗轮蜗杆传动系统，转动粗调手轮（2）可以实现粗调。M2移动距离的毫米数可在机体侧面的毫米刻度尺（5）上读得。通过读数窗口，在刻度盘（3）上可读到0.01mm；转动微调手轮（1）可实现微调，微调手轮的分度值为110-4mm。可估读到10-5mm。M1、M2背面各有3个螺钉可以用来粗调M1和M2的倾度，倾度的微调是通过调节水平微调（15）和竖直微调螺丝（16）来实现的。2.等光程位置的确定当M2与M1不完全平行时，M2和M1之间形成楔形空气膜，一般情况下屏上将呈现弧形等厚干涉条纹。若改变活动镜位置，使M2和M1的间距d=0，此时由M2和M1反射到屏上的两束相干光光程差为零，屏上呈现直线形明暗条纹。这时活动镜的位置称为等光程位置。若改用白光照射，由于白光是复色光，而明暗纹位置又与波长有关。因此，只有在d=0的对应位置上，各种波长的光到达屏上时，光程差均为0，形成零级暗纹。在零级暗纹附近有几条彩色直条纹。稍远处，由于不同波长、不同级次的明暗纹相互重叠，便看不清干涉条纹了。由于白光等厚干涉条纹能准确确定等光程位置，可以用来测定透明薄片的厚度。当视场内出现彩色直条纹后，继续转动微调手轮，使零级暗纹移到视场中央。然后在活动镜与分光板之间插入待测薄片，此时由于光程差变化，彩色条纹消失。再转动微调手轮，使活动镜向分光板方向移近，当彩色条纹重新出现，并移到视场中央时，活动镜的移动正好抵消了光程差的变化。根据以上分析可以推出薄片厚度的测量公式为：式中n0=l.003，为空气的折射率；n为薄片折射率；分别为薄片插入前后的等光程位置读数。二、实验内容1.观察激光的非定域干涉现象调节干涉仪使导轨大致水平；调节粗调手轮，使活动镜大致移至导轨2545mm刻度处；调节倾度微调螺丝，使其拉簧松紧适中。然后使得激光管发射的激光束从分光板中央穿过，并垂直射向反射镜M1（此时应能看到有一束光沿原路退回）。装上观察屏，从屏上可以看到由M1、M2反射过来的两排光点。调节M1、M2背面的3个螺丝，使两排光点靠近，并使两个最亮的光点重合。这时M1与M2大致垂直（M1与M2大致平行）。然后在激光管与分光板间加一短焦距透镜，同时调节倾度微调螺丝(15、16)，即能从屏上看到一组弧形干涉条纹，再仔细调节倾度微调螺丝，当M1与M2严格平行时，弧形条纹变成圆形条纹。转动微调手轮，使M2前后移动，可看到干涉条纹的冒出或缩进。仔细观察，当M2位置改变时，干涉条纹的粗细、疏密与d的关系。2.观察白光干涉，测定等光程位置沿逆时针方向转动粗调手轮，将活动镜移至导轨30mm处；再沿逆时针方向转动微调手轮，使d减小，此时条纹变粗、变疏，直到只有34个条纹。然后调节倾度微调螺丝，使M1与M2有一微小交角；再沿逆时针方向缓慢转动微调手轮，使屏上条纹最直时，改用白炽灯照射干涉仪，取下观察屏，直接用眼向活动镜方向观察，并继续缓慢转动微调手轮。当看到彩色直条纹后，记下此时活动镜位置，即为等光程位置。移动活动镜时，一定要非常缓慢，因白光干涉条纹只有数条，移动太快就会一晃而过。总结这次实验收获很多，可以说，是有史以来做得最开心的一次。我们小组一共五个人，三次实验下来，大家已然由陌生人变成了战友，每每有人率先看到一个现象，就会开心地大声宣布，然后鼓励其他同学不要着急，按照步骤慢慢来，一定会成功的。就是在这样相互比拼又相互鼓励的氛围中，我顺利完成了实验内容。当然，实验中还是遇到了很多问题。比如第二次做白光干涉测量平板玻璃折射率的时候，很长时间都无法看到理想的实验现象，后来才发现是实验仪器的问题，于是同老师协商之后便果断换了另外一台仪器，虽然进度上落后其他同学一大截，但最终仍旧是圆满完成了实验任务。在该实验中，最大的收获是学会了使用迈克耳逊干涉仪。以下是使用干涉仪这种精密光学仪器时所应注意的事项：（1）切勿用手触摸光学表面，防止唾液溅到光学表面上。（2）调节螺钉和转动手轮时，一定要轻、慢，决不允许强扭硬扳。（3）反射镜背后的粗调螺钉不可旋得太紧，