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迈克尔逊干涉仪实验思考题 电气一班 石汶奇 2012213651一等倾干涉是薄膜干涉的一种。薄膜此时是均匀的，光线以倾角i入射，上下两条反 等倾干涉薄膜（均匀）光程差公式薄膜干涉中两相干光的光程差公式（表示为入射角的函数形式） 等倾干涉条纹的形成及光程差参考图为式中n为薄膜的折射率；n0为空气的折射率；h为入射点的薄膜厚度；i0为薄膜的入射角；+/2为由于两束相干光在性质不同的两个界面（一个是光疏-光密界面，另一是光密-光疏界面）上反射而引起的附加光程差；为真空中波长。薄膜干涉原理广泛应用于光学表面的检验、微小的角度或线度 光程差公式的精密测量、减反射膜和干涉滤光片的制备等。干涉图样当光程差为波长整数倍时，形成亮条纹，为半波长奇数倍时是暗条纹。等倾条纹是内疏外密的同心圆环。 等倾干涉图样二迈克耳逊莫雷实验1887年，迈克尔逊和莫雷用迈克尔逊干涉仪来测量地球相对于以太的运动，也就是企图证明“以太风”和以太的存在。迈克尔逊莫雷实验是根据光在以太中的运动和船在流水中的运动的相似性设计出来的。迈克尔逊认为光在干涉仪的垂直臂上往复运动所花的时间相当于小船在河道上来回横渡所需的时间，光在其水平臂上往复运动所花的时间则相当于顺着河道上下往返所需的时间，同样的计算，它们当然也是不相等的。把迈克尔逊干涉仪的两臂转动90度，它们的时间差增加一倍。有时间差就有光程差，就会引起干涉条纹的移动。迈克尔逊莫雷试验的具体计算表明，转动90度后，屏幕上的干涉条纹会移动0.4个。但实验结果是没有条纹移动的“零结果”。瑞利勋爵和开尔文勋爵认识到这个实验的重要性，一再鼓励和催促他进一步重做这个实验，洛仑兹还具体提出了改进实验的意见。于是，他们对仪器进行了很多改进。考虑到地球的运动对光线路径的影响，改为经过八次来回反射，使光路长达十一米；将仪器的光学部分改装在很重的大石板上，再把石板浮于水银面上，使它可绕中心轴自由转动，从而使实验的精确度得到了很的大提高。在1887年7月，终于完成了这一举世闻名的实验。但干涉条纹依然没有任何移动，即使以后多次重复试验也是如此。人们迫不得已，只好否定了“以太风”和以太的存在。为了解释这个“零结果”，人们绞尽脑汁，假设了一个在运动方向长度收缩的洛仑兹变换，狭义相对论也由此应运而生。这一实验被认为是否定了电磁理论所要求的菲涅耳的静止以太说，使电磁学的基础受到了冲击。美国物理学家迈克耳逊和莫雷共同所做的企图证明“以太”存在的实验。以前人们认为光是由无质量、绝对静止的“以太”这种媒质传播的。由于地球在运动，所以在地面上做实验，向不同方向发出的光线的传播速度应不同。迈克耳逊和莫雷在1887年用精确度很高的干涉仪多次测定，得到的光速大小均相同，从而确立了“光速不变原理”；并为进一步实验否定以太的存在奠定了基础。实验背景：19 世纪流行着一种“以太”学说, 它是随着光的波动理论发展起来的。那时,由于对光的本性知之甚少, 人们套用机械波的概念, 想像必然有一种能够传播光波的弹性物质, 它的名字叫“以太”。许多物理学家们相信“以太”的存在, 把这种无处不在的“以太”看作绝对惯性系, 用实验去验证“以太”的存在就成为许多科学家追求的目标。当时认为光的传播介质是“以太”。由此产生了一个新的问题：地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来，同时，它也必须对光的传播产生影响。这个问题的产生，引起人们去探讨“以太风”存在与否。实验结果，为了寻找“以太”,许多科学家进行了大量的工作,最为有名的是迈克耳孙和莫雷所进行的一系列实验。根据理论推导和实验的精度, 他们认为如果“以太”存在的话,会有预期的实验现象出现-两束光的干涉条纹移动, 实验却得到了否定的结果。实验结果证明，不论地球运动的方向同光的射向一致或相反，测出的光速都相同，在地球同设想的“以太”之间没有相对运动。当时迈克耳逊因此认为这个结果表明以太是随着地球运动的。实验再验证1893年洛奇在伦敦发现，光通过两块快速转动的巨大钢盘时，速度并不改变，表明钢盘并不把以太带着转。对恒星光行差的观测也显示以太并不随着地球转动。人们在不同地点、不同时间多次重复了迈克耳逊莫雷实验，并且应用各种手段对实验结果进行验证，精度不断提高。除光学方法外，还有使用其他技术进行的类似实验。如1958年利用微波激射所做的实验得到地球相对以太的速度上限是310-2km/s，1970年利用穆斯堡尔效应所做的实验得到此速度的上限只有510-5km/s。综合各种实验结果，人们基本可以判定地球不存在相对以太的运动。实验说明了波的干涉现象是波和传播介质之间的最基本物理规律之一。基于光的波动性，如果光传播须要传播介质“以太”，而且介质“以太”不是相对于空间绝对静止的话，则迈克尔逊-莫雷实验将会发现光波的干涉条纹移动，实验却得到了否定的结果。据此，现代大多数物理学家有理由认为“以太”是不存在的，“以太”正逐渐退出了历史的舞台。三迈克尔逊干涉仪能测什么顾名思义，该仪器可以用来观察干涉条纹，利用干涉条纹，可以测量光波波长，可以观察某光波的波长变化情况，可以用来测量微小位移，测微小厚度（这一点很常用，很实用），可以用来测光速。可以用来检测物质表面平整度 ，以及别的缺陷。可用来研究许多物理因素，如温度、压强、电场磁场等对光传播的影响，也可以用它测单色光的波长，光源和滤光片的相干长度及透明介质的折射率等。透镜的折射率，气体的折射率，线胀系数，透镜的产品质量，密度空间分布的变化，透镜的表面面形与均匀性，小角度、平面度、直线度、 平行度、垂直度等形位误差。四其它干涉仪菲索干涉仪菲索干涉仪，又可称為光学平板，通常用来检验经过研磨或抛光加工的工件，例如测微器砧座、精测块规、卡规、精密研磨平面、光学玻璃皆可使用菲索干涉仪来检验。其加工状况。利用菲索干涉仪作检验的工件，表面须经过研磨或抛光加工，以求工件表面之反射光线有足够强度，以便与菲索干涉仪的作用面所反射光线相干涉而形成色带，因此一般加工表面，因為表面不光滑或太粗糙，工件表面之反射光线太弱，与菲索干涉仪的作用面所反射光线相干涉而形成色带也太弱而无法分辨，另外，工件表面太粗糙时，空气楔间隔也太大，造成条纹太密，以致肉眼无法观察。麦克森干涉仪麦克森干涉仪，是利用光波的干涉，而使量测的精度提高到1/2 个波长以内，是许多干涉仪的始祖，可先作為光干涉现象於量测上应用之探讨。麦克森干涉仪，系以部分反射平面镜使光束振幅区分成两束，所得的两光柱进行的方向及相位不完全相同，当其再相遇时便形成干涉条纹。吾人如能瞭解麦克森干涉仪的基本原理和调整方法，便可进一步利用麦克森干涉仪来作一些量测实验。因此将麦克森干涉仪称之為利用光波干涉进行量测工作之敲门砖并不為过。由於麦克森干涉仪的出现，使得人类开始以光的波长為长度测量的，干涉仪来作一些微小距离检测量测实验。太曼格林(Twyman Green)干涉仪 太曼格林(Twyman Green)干涉仪(图3)通常在麦克森干涉仪中加入了稜镜及聚焦平行与观察透镜。目前许多光学工厂检验稜镜和透镜都是採用太曼格林干涉仪来作。通常我们得到的是平行直线的条纹。麦克詹达干涉仪 麦克詹达(Mach-Zender)干涉仪，利用Mach-Zender干涉仪进行透明物之测量，我们可以利用Mach-Zender干涉仪来量测透明待测物受力的情形，当待测物受力时，其折射率及厚度產生改变，使Mach-Zender干涉仪其中一道光相位跟着发生变化。根据条纹的变化量，我们可以量测到待测物產生的应力变化。和麦克森干涉仪一样，我们可以调整微动螺丝直至两道光场的光点重合，而形成干涉条纹。我们在其中一道光加入灯焰时，将观察到火焰热度所造成空气热流场的改变(图6）。当我们在其中一道光加入一道喷气气流时，我们也可观察到这道气流对流场所產生的扰动。从上面的两个例子可以看出，利用Mach-Zender干涉仪进行热流场的检测工作。法布里派洛干涉仪除了上述的运用外，法布里派洛干涉仪最常运用於光谱的检验方面瑞利干涉仪 1896年瑞利为了测量惰性气体氩和氦的折射率，利用杨氏双缝干涉原理设计制作了一种专用干涉仪，称为瑞利干涉仪。瑞利干涉仪是一种利用双光束干涉原理的高精度测量仪器，结构简单，使用方便。泰曼干涉仪 它是以迈克尔逊和莫雷所用的平面镜系统为基础的,在光学上,这种平面镜系统差不多等于两块面对面的玻璃板。由泰曼设计的泰曼干涉仪一种用来检验棱镜质量,另一种是用来检验透镜质量。马赫秦特干涉仪 这种干涉仪，由于其两束光可分得很开，特别适用于空气动力学中关于气流折射率或密度分布变化的研究。在作这种研究时,于T处放一个风洞,而在T处放一个参考室（装有不流动的同样气体），后者用以补偿前者的光程。观察气流变化前后的干涉图样的差别，就可求得气流折射率或密度空间分布的变化。实际上，由于气流密度变化非常迅速，必须采用短时间曝光的办法以获得气流密度分布的瞬时图像。这就要求干涉图样本身要有足够的亮度。所以以前多采用扩展光源。目前常以激光器作这种干涉仪的光源，由于激光的单色性好，亮度高，此时不仅能获得清晰而又足够亮的干涉图样，而且使仪器的调节也变得方便。法布里珀罗干涉仪 是一种由两块平行的玻璃板组成的多光束干涉仪，其中两块玻璃板相对的内表面都具有高的反射率。法布里珀罗干涉仪也经常称作法布里珀罗谐振腔，并且当两块玻璃板间用固定长度的空心间隔物来间隔固定时，它也被称作法布里珀罗标准具或直接简称为标准具。这一干涉仪的特性为，当入射光的频率满足其共振条件时，其透射频谱会出现很高的峰值，对应着很高的透射率。错位场干涉仪 其特点是从干涉仪两臂射出来重新会合相干叠加的两光波，都是同一物场的象，适当移动有关零件，可以获得两个沿任意方向在空间上有微量错位的象场这两个错位象场相干叠加的结果，就是沿错位方向的梯度场它能使不清晰的物场变得比较清晰使模糊的轮廓显示得更加分明。斐索干涉