迈克尔逊实验总结.doc

一、干涉的分类 当满足相干条件振动方向相同，振动频率相同，有恒定位相差的两束相干光相遇时，将在它们的相遇区域内产生明暗相间的干涉条纹，这个现象叫做光的干涉现象。光的干涉可以分为薄膜干涉和杨氏双缝干涉。1、薄膜干涉由薄膜产生的干涉。薄膜可以是透明固体、液体或由两块玻璃所夹的气体薄层。入射光经薄膜上表面反射后得第一束光，折射光经薄膜下表面反射，又经上表面折射后得第二束光，这两束光在薄膜的同侧，由同一入射振动分出，是相干光，属分振幅干涉。若光源为扩展光源（面光源），则只能在两相干光束的特定重叠区才能观察到干涉，故属定域干涉。对两表面互相平行的平面薄膜，干涉条纹定域在无穷远，通常借助于会聚透镜在其像方焦面内观察；对楔形薄膜，干涉条纹定域在薄膜附近。薄膜干涉又可以分为等倾干涉和等厚干涉：等厚干涉 这是由平行光入射到厚度变化均匀、折射率均匀的薄膜上、下表面而形成的干涉条纹薄膜厚度相同的地方形成同条干涉条纹，故称等厚干涉。牛顿环和楔形平板干涉都属等厚干涉等倾干涉 当不同倾角的光入射到折射率均匀，上、下表面平行的薄膜上时，同一倾角的光经上、下表面反射(或折射)后相遇形成同一条干涉条纹，不同的干涉明纹或暗纹对应不同的倾角，这种干涉称做等倾干涉。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。 2、杨氏双缝干涉1801年，英国物理学家托马斯杨用杨氏双缝干涉实验证明了干涉现象。他让太阳光通过一个小针孔S，然后在距离针孔S相当远的距离处，。通过这再让光通过2个针孔S1及S2。通过这2个针孔S1及S2的球面光波发生干涉，从而在观察屏上形成变化的对称状图样。因为光源太阳非常远，所以入射于S孔的光波波前是平面波前。在这个实验中，一个波前被分为两个波前，从而得到两束干涉光束。如图1，在垂直于纸平面的方向置一小孔S，由一定距离处的单色光源（通常采用钠光灯）照明通过针孔S后的光再通过两针孔S1和S2。S1和S2平行于S，也垂直于纸平面。S1和S2距离约半毫米，并且他们到S的距离相等。由S1和S2辐射的波将在像屏L上出现干涉图样。图1 杨氏双缝干涉实验示意图由图中可以看出，该装置的光程差r= r2- r1，可得r=当r=（k=0，1，2） （1）由（1）式我们可以求得：（k=0，1，2） （2）由（2）式可以求得相邻明（暗）条纹间距为。所以杨氏双缝实验所成的干涉图像为平行与缝的等亮度，等间距，明暗相间的条纹。当挡住S1和S 2任何一个，明暗条纹消失，这证明了光的波动性。因此杨氏双缝干涉实验是光的波动性的结论性证明。如果用太阳光代替单色光，则出现彩色条纹。二、迈克尔逊生平阿尔伯特亚伯拉罕（Albert Abrahan Michelson）,1852 年12月19日出生于普鲁士斯特雷诺（现属波兰）,1931年5月9日在帕萨迪纳逝世。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。迈克尔逊干涉仪 1920年迈克尔逊和天文学家F.G.皮斯合作，把一台20英尺的干涉仪放在100英寸反射望远镜后面，构成了恒星干涉仪，用它测量了恒星参宿四（即猎户座一等变光星）的直径，它的直径相当大，线直径为2.50108英里，约为太阳直径的300倍。此方法后被用来测定其他恒星的直径。迈克尔逊的第一个重要贡献是发明了迈克尔逊干涉仪，并用它完成了著名的迈克尔逊 -莫雷实验。按照经典物理学理论，光乃至一切电磁波必须借助静止的以太来传播。地球的公转产生相对于以太的运动，因而在地球上两个垂直的方向上，光通过同一距离的时间应当不同，这一差异在迈克尔逊干涉仪上应产生0.04个干涉条纹移动。1881年，迈克耳孙在实验中未观察到这种条纹移动。1887年，迈克尔逊和著名化学家莫雷合作，改进了实验装置，使精度达到2.5´10-10，但仍未发现条纹有任何移动。这次实验的结果暴露了以太理论的缺陷，动摇了经典物理学的基础，为狭义相对论的建立铺平了道路。迈克尔逊是第一个倡导用光波的波长作为长度基准的科学家。1892年迈克尔逊利用特制的干涉仪，以法国的米原器为标准，在温度15摄氏度、压力760毫米汞柱的条件下，测定了镉红线波长是6438.4696埃，于是，1米等于1553164倍镉红线波长。这是人类首次获得了一种永远不变且毁坏不了的长度基准。在光谱学方面，迈克尔逊发现了氢光谱的精细结构以及水银和铊光谱的超精细结构，这一发现在现代原子理论中起了重大作用。迈克尔逊还运用自己发明的“可见度曲线法”对谱线形状与压力的关系、谱线展宽与分子自身运动的关系作了详细研究，其成果对现代分子物理学、原子光谱和激光光谱学等新兴学科都发生了重大影响。 三、迈克尔逊干涉仪的应用1、测钠黄光波长 取等倾干涉条纹的清晰位童，记下测锻螺旋读数d0，沿此前方向转动测微螺旋，同时默数冒出或消失的条纹，每50环记二次读数，直测到第2 50环为止，用逐差法计算出因每个环的变化相当于动镜移动了半个波长的距离，若观察到N个环的变化，则移动距离 故 2、测钠黄双线的波长差 钠黄光含两种波长相近的单色光，所以在干涉仪动镜移动过程中，两种黄光产生的干涉条纹叠加的干涉图样会出现清晰与模糊的周期性变化(光拍现象)。根据推导，钠黄取线的波长差式中为两种波长的平均值，可取上一个实验的测量结果；d是干涉图样出现一个清晰-模糊一清晰的变化周期，平面镜和另一个平面镜的虚像之间空气膜厚度的改变量。实验中对光拍周期须多次测量。 3、测透明介质薄片的折射率 用测微螺旋使平面镜M2地向分束器移动时调出白光干涉条纹，使中央条纹对准视场中的叉丝(可画在光源与分束器之间的毛玻璃上)记下动镜位置读数，在动镜前加入一片优质的透明薄片(厚度=1mm)之后，增加的光程差 致使彩色条纹移出场，沿原方向转动百分手轮至彩纹复位 时，补偿的光程差，记下动镜位置，由和再用螺旋测微器千分尺)测出薄片的厚度，即可由上述关系计算出它的折射率n。4、测定空气的折射率 用小功率激光嚣做光源，将内壁长I的小气室置于迈克耳孙干涉仪光路中，调节干涉仪，获得适量等倾干涉条纹之后，向气室里充气(0-40 kPa)，再稍微松开阀门，以较低的速率放气的同时，计数干涉环的变化数N(估计出1位小数)至放气终止，压力表指针回零。在实验室环境里，空气的折射率 其中激光波长为已知，环境气压Pamb从实验室的气压计读出(条件不具备时，可取101325Pa)，本实验宜进行多次测量， 计算平均值。 5、测镀膜厚度 制备一个在平行平板玻璃上形成的镀膜台阶，取代干涉仪的一个平面镜，在上(下)半个视场调出白光等厚千涉条纹，下(上)半视场的直条纹必然存在错动位移，旋动测微螺旋，测出这个位移量，即补偿的光程差就等于待测镀膜的厚度。四、其它的干涉仪瑞利干涉仪 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，其光学原理如图。l样品池及p1、p2 补偿器的高度仅占整个空间的上半部分，补偿器p1沿垂直轴有一个固定夹角，补偿器p2可借助转鼓测微器F转动来改变夹角，L2是会聚透镜，L3为柱面镜，在观察管中看到上下两列干涉条纹，一列由光缝的下半部分两束光干涉形成，因为下半部分的光程差不变，故此干涉条纹是固定的；从光缝上半部分通过的两束光，分别经样品池后产生上半部干涉条纹。当样品池内不发生光程差(光程差起源于两室中的化学成分、温度、压力 等)，另p1 、p2 也不附加光程差时，才和下半部干涉条纹对齐，否则相对下半部干涉条纹便有移动，这样在干涉仪中下半部干涉条纹就是上半部干涉条纹的固定标记。当两样品池中装有不同介质时，其折射率分别为n1,n2由于折射率的不同，引起的光程差为： =(n2一n1)l=K,式中为光源波长，K是对应光程差的干涉级，l为样品池的长度。单频激光干涉仪从激光器发出的光束，经扩束准直后由分光镜分为两路，并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来会合在分光镜上而产生干涉条纹。当可动反射镜移动时，干涉条纹的光强变化由接受器中的光电转换元件和电子线路等转换为电脉冲信号，经整形、放大后输入可逆计数器计算出总脉冲数，再由电子计算机按计算式356-11式中为 激光波长(N 为电脉冲总数)，算出可动反射镜的位移量L。使用单频激光干涉仪时，要求周围大气处于稳定状态，各种空气湍流都会引起直流电平变化而影响测量结果。射电干涉仪天文学家利用波干涉原理，作出射电干涉仪。通常是将两面同样大小的天线拉开距离排列着，中间用电缆连系。射电干涉技术使人们能更有效地从噪音中提取有用的信号；甚长基线干涉仪通常是相距上千公里的几台射电望远镜作干涉仪方式的观测，极大地提高了分辨率，使射电波段的分辨率首次高于光学，今天射电的分辨率高于其它波段几千倍，能更清晰地揭示射电天体的内核；综合孔径技术的研制成功使射电望远镜具备了方便的成像能力，综合孔径射电望远镜相当于工作在射电波段的照相机。塞格纳克干涉仪它是利用塞格纳克效应构成的。激光经分束器分为反射和透射两部分。这两束光均由反射镜反射形成传播方向相反的闭合光路，并在分束器上会合，送入光探测器，同时也有一部分返回到激光器。在这种干涉仪中，两光束的光程长度相等。根据双束光干涉原理，在光电探测器上探测不到干涉光强的变化。马赫-曾德尔干涉仪12345M1M2图2马赫-曾德尔干涉仪4123M1M2M3图3萨格奈克干涉仪 马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪的光路结构如图2所示, 从光源1发出的一束相干光经分束镜2一分为二，分为两束。一束透射光落在反射镜M1上，另一束反射光落 在发射镜M2上，M1、M2分别将这两束光反射至分束镜3上,并使这两束光重合,进入扩束镜4，如果调整合适，我们可在扩束镜后的白屏5上看见一系列明暗相间的干涉条纹。这种干涉仪主要用于测量透明物质的折射率的变化，光纤传感器中的干涉仪大多采用这种光路结构，萨格奈克干涉仪萨格奈克（Sagnac）干涉仪的光路结构如图3所示，光