迈克尔逊干涉仪PPT课件.ppt

迈克尔逊干涉仪的调节和使用 实验目的实验仪器实验原理实验步骤数据记录与处理注意事项 山东交通学院大学物理实验中心 1 实验目的 了解迈克尔逊干涉仪的干涉原理和迈克尔逊干涉仪的结构 掌握迈克尔逊干涉仪的调整和使用方法 观察非定域干涉条纹 定域干涉条纹 测量单色光 氦氖激光 的波长 测量钠光灯的双线波长差 2 实验仪器 迈克尔逊干涉仪 氦氖激光器 钠光灯 白炽灯 毛玻璃屏 扩束镜等 3 实验原理 光源S发出的光经过分束板 半反镜 G1以后就分成强度相同两束光1和2 光束1经过补偿板G2以后由固定反射镜M1反射回来再一次经过补偿板G2和半反镜G1射向观测屏P 同时光束2经过平面反射镜M2反射 穿过补偿板G1也射向观测屏 由于两束光是相干光 所以就可以在观测屏观察到干涉现象 用迈克尔逊干涉仪可观察非定域干涉和定域干涉 定域干涉又分为等倾干涉和等厚干涉 迈克耳逊干涉仪光路图 4 由氦氖激光经扩束镜汇聚形成的点光源S发出的光经平面镜M1和M2反射后 相当于两虚光源S1 和S2 发出的相干光束 S1 与S2 间的距离为M1和M2的距离d的两倍 虚光源S1 和S2 发出的球面波在其相遇的空间处相干 只要观察屏放在两点光源发出光波的重叠区域内 都能看到干涉现象 这种干涉叫非定域干涉 虚光源S1 S2 到屏上任一点A的光程差 1点光源产生的非定域干涉花样 5 1 时的光程差最大 观察屏上圆心处对应干涉条纹的级别最高 d增大时 若级别k一定 增大 条纹从中心用出向外扩张 d减小时 若k一定 减小 条纹向中心收缩 最后 淹没 在中心 每 涌出 或 淹没 一个明圆环 S1 S2 的光程差改变一个波长 设M1移动距离 d时 涌出 或 淹没 的条纹数为N 则 1 这样在迈克耳逊干涉仪上读出 数出条纹变化N 就可以求出光波波长 2 d较大时 干涉条纹级别较高 且又细又密 d较小时 干涉条纹级别较低 且又粗又疏 3 若将 作为标准值 测出 涌出 或 淹没 N个圆环的 M1移动的距离 与 1 式算出的理论值比较 可以校正仪器传动系统的误差 4 若将传动系统作为基准 则由N和可测定单色光源的波长 6 2等倾干涉薄膜等倾干涉是分振幅干涉 设薄膜上下表面平行 如图a1与a2的光程差为即入射角相同的点的光程差 相同 故称等倾干涉 干涉图样为同心圆 条纹方程干涉图象中 随着d的增大或减小 条纹从中心 冒出 或向中心 缩入 设M1移动 d时 K的变化量为N则数出N个条纹对应的 d 即可求出波长 等倾干涉光路图 7 3等厚干涉 若上下底面不平行 光线经上下表面反射后得到的一对相干光a1与a2 将不再平行 如图 设某处膜的厚度为d 如果入射角 以及的夹角 都很小时 两束相干光的光程差 为 干涉条纹沿等厚线分布 故称为等厚干涉 很小时 2d 干涉图样是等距离分布的明暗相间的直条纹 离中央条纹较远处 影响较大 条纹弯曲凸向中央条纹 离交线越远 条纹越弯曲 等厚干涉原理 8 4钠黄光双线波长差的测量 钠光源的两条临近强谱线的波长 1和 2 移动M1 当光程差满足时 2光形成的明条纹处 1光形成暗条纹 这时条纹的对比度最小 当M1镜继续移动时 两个条纹继续错开 条纹的对比度又逐渐增加 条纹逐渐清晰 当时 条纹的对比度再次减小 由上述两式 可得钠双线的波长差 2 9 实验步骤 1迈克耳逊干涉仪的调节和观察激光非定域干涉条纹 1 调节干涉仪式导轨大致水平 调节粗调手轮 使活动镜大致移至导轨30mm刻度处 使M1 M2镜与分束镜上反射膜的距离大致相等 调节倾度微调螺丝 使其拉簧松劲适中 使氦氖激光器大致垂直于M2 2 调节M1和M2相互垂直 3 在氦氖激光器的实际光路中加入扩束镜 使扩束光照在分束镜上 此时屏上一般会出现干涉条纹 细调M2镜水平微调螺丝和竖直微调螺丝 直到眼睛晃动观察时无条纹移动 说明M1和M2完全垂直 观察屏上出现环状非定域干涉条纹 如果没有出现干涉条纹 应该移走扩束镜 从头再调 4 观察条纹变化 熟悉仪器的使用 转动干涉仪的微调手轮 观察条纹 涌出 和 淹没 判别M1与M2 间的距离d的变化 观察条纹粗细 疏密情况 判断d的变化 且与图进行比较 待操作熟练后 将条纹调好 准备测量 10 2测量激光波长 1 读数系统的调整 在整个测量过程中只能以同方向转动微调手轮使M1镜移动 开始测量前应将微调手轮转动若干周 直到干涉条纹稳定移动后方可开始计数测量 2 用非定域干涉条纹测激光波长 缓慢转动微调手轮 让调好的非定域干涉条纹 涌出 或 淹没 记下当条纹中心最亮和当干涉条纹 涌出 淹没 的条纹数N 100时M1镜位置读数d0 d100 将数据填入表格 重复测量6次 3 根据 1 式计算出波长 计算不确定度 并与标准值比较 求出相对误差 11 3等倾条纹和等厚条纹的调节与观察 选做 非定域干涉条纹测激光波长做完后 调节毛玻璃屏上的同心圆条环最大 且圆心在亮斑中心 在扩束镜和分光板之间放一毛玻璃 使激光束经透镜发出的球面波漫射成为扩展的面光源 观察M1镜方向的等倾条纹 进一步调节M2镜微调螺钉 使上下移动眼睛时个圆环的大小不变 而仅仅是圆心随眼睛移动而移动 并且干涉条纹反差大 此时M1镜与M2 镜完全平行 就可以看到严格的等倾条纹 微微转动M2镜的微调螺钉 此时M1镜与M2 镜不再平行 转动粗调手轮 使M1镜前后移动 观察干涉条纹的变化规律 并与图比较 12 4测量钠光双线波长差 1 以钠光为光源 使其照射到毛玻璃屏并形成均匀的扩束光源以便于增强条纹的亮度 在毛玻璃屏与分光镜P之间放一叉线并进行观察 这时可出现干涉条纹 仔细慢慢调节M2镜下的水平微调螺丝和竖直微调螺丝 使条纹呈圆形 2 缓慢移动M1镜 使视场中心的可见度最小 记下M1镜的位置d1 再沿原来方向移动M1镜 直到可见度最小 记下M1镜的位置d2 即得到 d 3 重复上述步骤3次 求得代入 2 式 计算出钠光的双线波长差 13 数据记录与处理 1 数据记录 14 2 数据处理 1 计算激光波长和不确定度 2 写出测量结果 15 注意事项 1切勿用手触摸光学仪器表面 2调节螺钉和转动手轮时 一定要轻 慢 不能强扭硬扳 反射镜背后的微调螺钉不可旋得太紧 防止镜面变形 调整反射镜背后微调螺钉时 先要把微调螺钉调在中间位置 以便能在两个方向上微调 仪器上所有锁紧螺钉 锁紧螺母不能拧得过紧 3测量中 转动手轮只能缓慢的沿着一个方向移动 否则会引起较大空回误差 4激光器电源应平稳放置 避免触及其输出电极 5不要用眼睛直接看激光 16 等倾干涉图样 17 等厚干涉图样 18 微调手轮 粗调手轮