迈克耳逊干涉仪.ppt

迈克耳逊干涉仪 大学物理实验 樊国梁 迈克尔逊干涉仪是1883年美国物理学家迈克尔逊 1852 1931 和莫雷合作设计制造出来的精密光学仪器 他们利用该仪器进行了 以太漂移 的实验 标定米尺 推断光谱线精细结构等三项著名实验 迈克尔逊的主要贡献在于光谱学和度量学 获1907年诺贝尔物理学奖 简介 利用该仪器可观察多种干涉条纹 它的调整方法在光学技术中有一定的代表性 光的干涉是重要的光学现象之一 是光的波动性的重要实验依据 两列频率相同 振动方向相同和位相差恒定的相干光在空间相交区域将会发生相互加强或减弱现象 即光的干涉现象 根据干涉条纹数目和间距的变化与光程差 波长等的关系式 可以推出微小长度变化 光波波长数量级 和微小角度变化等 因此干涉现象在照相技术 测量技术 平面角检测技术 材料应力及形变研究等领域有着广泛地应用 简介 迈克耳逊干涉仪 实验内容注意事项数据处理 实验目的实验仪器实验原理 思考题 实验目的 1 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 学习其调节方法 2 测量He Ne激光的波长 3 测量钠黄光双线的波长差 返回 实验仪器 迈克尔逊干涉仪 WSM 100型 He Ne激光器 钠光灯 扩束镜 凸透镜 实验仪器 图1迈克尔逊干涉仪实物图 实验仪器 图2迈克尔逊干涉仪光路图示意图 返回 实验原理 仪器的调节 图中M 和M 是在相互垂直的两臂上放置的两个平面反射镜 其中M 是固定 的 M 由精密丝杆控制 可沿臂轴前 后移动 移动的距离由刻度转盘 由粗读和细读两组刻度盘组合而成 读出 实验原理 仪器的调节 在两臂轴线相交处 有一与两轴成45 角的平行平面玻璃板G 它的另一个 平面上镀有半透 半反射 的银膜 以便将入射光分成振幅接近相等的反射光 和透射光 故G 又称为分光板 实验原理 仪器的调节 G 也是平行平面玻璃板 与G 平行放置 厚度和折射率均与G 相同 由于它补偿了光线 和 因穿越G 次数不同而产生的光程差 故称为补偿板 实验原理 点光源产生的非定域干涉 用波长为 的单色光照明时 迈克尔逊干涉仪所产生的环形等倾干涉圆条纹的位置取决于相干光束间的光程差 而由M 和M 反射的两列相干光波的光程差为其中i为反射光 在平面镜M 上的入射角 对于第k条纹 则有 1 2 实验原理 点光源产生的非定域干涉 当M 和M 的间距d逐渐增大时 对任一级干涉条纹 例如k级 必定是以减少cosi 的值来满足式 2 的 故该干涉条纹间距向i 变大 cosi 值变小 的方向移动 即向外扩展 这时 观察者将看到条纹好像从中心向外 涌出 且每当间距d增加 2时就有一个条纹涌出 反之 当间距由大逐渐变小时 最靠近中心的条纹将一个一个地 陷入 中心 且每陷入一个条纹 间距的改变亦为 2 实验原理 点光源产生的非定域干涉 因此 当M 镜移动时 若有 n个条纹陷入中心 则表明M 相对于M 移近了反之 若有 n个条纹从中心涌出来时 则表明M 相对于M 移远了同样的距离 如果精确地测出M 移动的距离 d 则可由式 3 计算出入射光波的波长 3 实验原理 测量钠光的双线波长差 钠黄光两条强谱线的波长分别为 589 0nm和 589 6nm 移动M 当光程差满足两列光波 和 的光程差恰为 的整数倍 而同时又为 的半整数倍 即 实验原理 测量钠光的双线波长差 这时 光波生成亮环的地方 恰好是 光波生成暗环的地方 如果两列光波的强度相等 则在此处干涉条纹的视见度应为零 即条纹消失 那么干涉场中相邻的两次视见度为零时 光程差的变化应为 k为一较大整数 实验原理 测量钠光的双线波长差 因此对于视场中心来说 设M 镜在相继两次视见度最高 或为零 时移动距离为 d 则光程差的变化 L应等于2 d钠光波长 589 3nm 如果测出在相继两次视见度最小时 M 镜移动的距离 d 就可以由式 4 求得钠黄光双线的波长差 4 返回 实验内容 调整仪器 点燃He Ne激光器 使之与分光板G 等高并且位于沿分光板和M 镜的中心线上 转动粗调手轮 使M 镜距分光板G 的中心与M 镜距分光板G 的中心大致相等 遮住M2镜 使激光束经分光板G 射向M 镜 调节激光器的方向 使由M 反射回激光器的光 能射在光束出发点 也可以通过观察置于激光器出射孔附近的小孔屏上反射点的分布来调节 因为玻璃板的每个平行界面都有反射 故光点不止一个 但M 是高反射的 所以 它反射的光点光强最强 去掉遮住M 的物体 在E处放置毛玻璃屏 这时可看到两排光点 调节M2背后的三个螺钉 使两排光点中最强的光点完全重合 则M1与M2大致相互垂直了 实验内容 测He Ne激光的波长 在He Ne激光器前放置一扩束镜 短焦距凸透镜 形成点光源的发射光束 在E屏上可看到干涉条纹 谨慎调节M2背后的三个螺钉 使条纹变宽 趋向圆形 再仔细调节M 镜的两个拉簧螺丝 直到把干涉环中心调到视场中央 将微调手轮沿相同方向旋转手轮及鼓轮调好零点 始终沿原调零方向 细心转动微调手轮 直到干涉环发生 涌出 或 陷入 现象 观察并记录每 涌出 或 陷入 50个干涉环时 M2镜的位置 连续记录8次 然后用逐差法根据公式 3 求出激光波长 并与公认值6 328 10 7m比较 实验内容 测钠黄光双线波长差 以钠光灯为光源调出等倾干涉条纹 拿走毛玻璃屏 直接用眼睛在E处向M 观察 移动M 镜 使视场中心的视见度最小 记录M 镜的位置 沿原方向继续移动M 镜 使视场中心的视见度由最小到最大直至又为最小 再记录M 镜位置 连续测出五个视见度最小时M 镜位置 用逐差法求 d的平均值 根据公式 4 计算D双线的波长差 返回 注意事项 不能用手触摸各光学元件 调节M M 背后的螺丝时应该缓慢旋转 不要让激光直射入眼 返回 数据处理 He Ne激光的波长记录每隔50个干涉条纹中心 涌出 或 淹没 的M 镜位置读数 用逐差法计算M 镜移过的距离 d 计算其平均值和不确定度 进一步计算波长及其不确定度 钠黄光双线波长 返回 思考题 试根据迈克尔干涉仪的光路 说明各光学元件的作用 总结迈克尔逊干涉仪的调整要点及规律 实验中看到的等倾圆条纹与牛顿环条纹有何异同 使M 和M 逐渐接近时等倾干涉条纹将越来越疏 试描述并说明在零光程处所