迈克尔逊干涉仪实验作业.docx

迈克尔逊干涉仪的等倾干涉的特点 麦克尔逊干涉仪观察的等倾干涉条纹是同心圆环状。 而且移动眼睛时不会有条纹移出和移入视场。这样才能确保是等倾，即两板平行 。迈克尔逊干涉仪发明历史是什么？迈克尔逊干涉仪,是1883年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作，为研究“以太”漂移而设计制造出来的精密光学仪器。在近代物理和近代计量技术中，如在光谱线精细结构的研究和用光波标定标准米尺等实验中都有着重要的应用。迈克尔逊和爱德华威廉姆斯莫雷使用这种干涉仪于1887年进行了著名的迈克耳孙-莫雷实验，并证实了以太的不存在。迈克尔逊干涉仪的最著名应用即是它在迈克尔逊-莫雷实验中对以太风观测中所得到的零结果，这朵十九世纪末经典物理学天空中的乌云为狭义相对论的基本假设提供了实验依据。迈克尔逊干涉仪还可测哪些物理量？一、传统迈克尔逊干涉仪的测量应用 1. 微小位移量和微振动的测量；采用迈克尔逊干涉技术,通过测量KDP晶体生长的法向速率和台阶斜率来研究其台阶生长的动力学系数、台阶自由能、溶质在边界层内的扩散特征以及激发晶体生长台阶的位错活性2. 角度测量：仪器的两个反射镜由三棱镜代替，反射镜组安装在标准被测转动器件的转动台上。被测转角依照正弦原理转化成反射镜组两个立体棱镜的相应线位移,而后进行干涉测量，小角度干涉仪测角分辨率达到10-3角秒量级。 3.薄透明体的厚度及折射率的同时测量 在不放薄膜时调出白光干涉条纹，而后插入透明薄膜，在薄膜与光线垂直时调出白光干涉条纹后,记录此时动镜移动的距离，再将薄膜偏转角（45比较方便）,再调出白光干涉条纹，再记录动镜移动的距离。通过动镜这两次移动的距离和薄膜的偏转角，就可以同时计算出待测薄膜的厚度和折射率。 4.气体浓度的测量：在迈克尔逊干涉仪的参考光路中，放入一个透明气体室，利用白炽灯做光源,在光程差为零的附近观察到对称的几条彩色条纹,中间的黑色条纹是等光程(=0)精确位置。利用通入气体前后等光程位置的改变量，计算出气体的折射率，再利用气体的折射率与气体浓度的关系，计算出气体浓度。 4.引力波探测(超大型迈克尔逊干涉仪)引力波存在是广义相对论最重要的预言，对爱因斯坦引力波的探测是近一个世纪以来最重大的基础探索项目之一。2.光纤迈克尔逊干涉仪的应用： （1）混凝土内部应变的测量把组成光纤迈克尔逊干涉仪的一个臂预埋到混凝土中，当混凝土内部发生膨胀、收缩或变形时，光纤迈克尔逊的白光干涉条纹发生变化，这样可以混凝土内部的一维和二维很小的应变状态进行测量,可以及时了解材料内部应变信息以及内部应变状态分布。由于光纤传感器体积小,重量轻,柔软易于布置,可埋入性好,抗拉性好,耐腐蚀性强;不改变材料结构的受力状态;测量的成本低等特点。 （2）. 地震波加速度的测量以全光纤迈克尔逊干涉仪为基础，研制出由地震敏感元件组成的单分量双光路加速度地震检波器样机，能同时精确检测空间三个方向加速度的三分量地震检波器就是一个重要的发展方向。高灵敏度的加速度地震检波器是地震探测过程中检测地震波强度、方向和频率等物理量的传感器，在整个地震探测过程中的作用十分关键。 （3）.温度的测量，透明液体、固体折射率或与折射率相关的浓度的测量: 哈尔滨智能光电科技有限公司研制了光纤迈克尔逊干涉测量实验系统，可以测量温度，透明液体、固体折射率或与折射率相关的浓度 还有那些干涉仪,有什么用?菲索干涉儀菲索干涉儀（圖1）又可稱為光學平板，通常用來檢驗經過研磨或拋光加工的工件，例如測微器砧座、精測塊規、卡規、精密研磨平面、光學玻璃皆可使用菲索干涉儀來檢驗。其加工狀況。利用菲索干涉儀作檢驗的工件，表面須經過研磨或拋光加工，以求工件表面之反射光線有足夠強度，以便與菲索干涉儀的作用面所反射光線相干涉而形成色帶，因此一般加工表面，因為表面不光滑或太粗糙，工件表面之反射光線太弱，與菲索干涉儀的作用面所反射光線相干涉而形成色帶也太弱而無法分辨，另外，工件表面太粗糙時，空氣楔間隔也太大，造成條紋太密，以致肉眼無法觀察。圖 1 菲索干涉儀菲索干涉儀利用光波干涉原理而形成明暗相間的色帶，很多場合都只把菲索干涉儀當作定性分析的工具，但事實上，以此色帶的數目及形狀便可以作微小尺寸，菲索干涉儀的原理可由光的干涉原理來解釋，菲索干涉儀部份反射鏡與反射面的空氣楔間隔為 d，則菲索干涉儀部份反射鏡的作用面與工件表面分別會反射光線，因為工件反射面所反射的光比菲索干涉儀部份反射鏡的作用面所反射光線多走了 2d 的光程差，因此造成兩道光干涉所需之相位差，因而形成干涉條紋，干涉條紋可以肉眼觀察，亦可以CCD 照相取得， 由干涉條紋數可以推算出空氣楔間隔的大小，考慮光波從疏介質進入密介質波前相位改變 180 度，其明亮條紋之公式如下: 2d = (n +1/2 ) l n :為條紋數d :空氣間距l :空氣間光波的波長在作干涉條紋之定量分析時，並不須刻意去找尋接觸點或基準點，若光學平板與工件被測面呈一微小角度相交，其上所產生出的條紋分別表示菲索干涉儀與被測面相對點的空氣楔高度。我們可以任意令工件表面某點為基準點，依此向前後左右推得工件表面整體的空氣楔高度，最後將光學平板之傾斜高度扣掉，即得工件被測面之表面起伏情形。初次使用菲索干涉儀的人可能會迷惑於干涉條紋數常因空氣楔高度的改變而改變，亦即將菲索干涉儀之光學平鏡下壓時，干涉條紋數目通常變少，干涉條紋間隔加大，但如扣掉菲索干涉儀之光學平鏡傾斜高度，則工件被測面之表面起伏情形結果應一致。菲索干涉儀之光源可使用發出單一波長的氣體放電燈，例如氦氣和鈉燈，若使用普通光，則無法看到條紋，因為普通光具有各種波長，導致各種條紋互相疊合無法辨識。使用單色光即可避免上述情形，唯須在其同調長度內測量。像氦氖燈這種單色光，其同調長度很短，如果不在這個很短的距離量測的話，就得不到干涉條紋，所以光學平鏡必須與待測物貼緊來量測，這樣的量測有一缺點：即是會磨損光學平鏡與待測物。其解決之道，就是採用同調長度較長的雷射光來量測，可將光學平鏡和待測物分開一段距離。氦氖燈價格7萬元至15萬，氦氣雷射價格1萬至5 萬元，但使用雷射時須加上光束擴散架設裝置。至於菲索干涉儀之條紋之分析可直接將光學平鏡量測所得之條紋建立一個高度對照表再利用最小平方誤差的方法將傾斜面之高度差消除掉此法又可稱為傾斜面消除法。有些人在測量時，對光學平鏡、施力不同，而得到不同的條紋，認為光學平鏡不準確，事實上，只是因為施力不同造成不同的傾斜面，此時必須將傾斜面因素扣除，仍然都能得到相同的結果。另外值得一提的是光學平鏡的第二種檢查方式（目前最常用），如果待測物表面很平，則檢查的條紋應該是互相平行的直線，且彼此間間隔相等。如果有斜線產生，則對此斜線作一切線：視其與相鄰的第幾條干涉條紋相交，切線與隔二條條紋的干涉條紋相交，我們可稱其偏差量為二個暗帶。最後可得實際偏差量2 /2 （當使用氦氣燈時，/2=0.294m ），這種檢查法實施簡單，因此為一般機械工廠品管人員所樂用，但只能提供初步判斷，對於一些特殊條紋，例如條紋彼此平行且為直線，但間隔不相等時，就必須用傾斜去除法來量測，或者將光學平鏡作各種傾斜方向來量測，亦可消除此類誤差。麥克森干涉儀麥克森干涉儀（圖2）是利用光波的干涉，而使量測的精度提高到1/2 個波長以內，是許多干涉儀的始祖，可先作為光干涉現象於量測上應用之探討。麥克森干涉儀，係以部分反射平面鏡使光束振幅區分成兩束，所得的兩光柱進行的方向及相位不完全相同，當其再相遇時便形成干涉條紋。吾人如能瞭解麥克森干涉儀的基本原理和調整方法，便可進一步利用麥克森干涉儀來作一些量測實驗。因此將麥克森干涉儀稱之為利用光波干涉進行量測工作之敲門磚並不為過。由於麥克森干涉儀的出現，使得人類開始以光的波長為長度測量的基準。圖2麥克森干涉儀麥克森干涉儀是以振幅來區分的干涉儀之要例，麥克森(Michelson)干涉儀，係以部分反射平面鏡使振幅區分所得的兩光柱進行的方向完全不同，當其再相遇時便形成干涉條紋。部分反射平面鏡又稱分光鏡 BS，分光鏡之反射膜鍍於偏靠於M1反射鏡之一側，使來自光源之光分成強度相等之一反射及一透射光柱。光從鏡M2 正向反射，第二次通過BS 而達圖下的屏風 S，光從鏡 M1反射，二次通過 C，再由BS反射而至屏風S，從鏡 M1反射之光束並未穿透分光鏡，這一點使得它與從鏡 M2反射之光束有位置及光程之偏移，加入玻璃板 C 之目的在使二線路在玻璃中之光程及路徑相等，故C稱為補償板(compensation plate )。此不僅是使單色光產生條紋的基本儀器，當用白光時亦是不可缺少的。在傳統的麥克森干涉儀中，如果採用的光源是雷射，同調長度即能拉長，也就是待測光和參考基準光兩通光的光程即使拉長，仍然會有干涉的現象，此原理即被用來作微小距離檢測之用，因此叫作雷射干涉儀。通常機械位置檢出器的精度需為機械精度的倍，而工具機的控制精度目前巳提高到m 左石，換句話說，工具機檢出器的精度必須在m 以下，這已非尋常量測儀器與設備能力所能及了，因此雷射干涉儀目前廣泛被應用在工具機校正工作上。至於雷射干涉儀之反射鏡都採用立方角反射鏡(cube coner)這是為了對準各道光束之中心，立方角反射鏡可以將入射的光線以平行於入射角度的方向將光線反射回去。原理就如同高速公路兩旁的反光交通設施一般，因此便不須去費心考慮反射鏡片中心是否對準反射鏡片是否傾斜等問題了。雷射干涉儀所使用的光源為氦氖穩頻雷射，這是為了避免當雷射光源強度及波長有變化時，將使光干涉的結果產生不良的誤差，因此必須要有穩頻裝置。因此雷射干涉儀比Michelson干涉儀複雜的多，但從Michelson干涉儀的基本原理和調整方法中，吾人仍可進一步利用ichelson干涉儀來作一些微小距離檢測量測實驗。太曼格林(Twyman Green)干涉儀圖 3 太曼格林干涉儀太曼格林(Twyman Green)干涉儀(圖3)通常在麥克森干涉儀中加入了稜鏡及聚焦平行與觀察透鏡。目前許多光學工廠檢驗稜鏡和透鏡都是採用太曼格林干涉儀來作。通常我們得到的是平行直線的條紋。假設檢驗的對象是稜鏡的話，若稜鏡在某一部位有缺陷，則我們觀察到該部位產生了傾斜，我們可以輕微調整反射面鏡，觀察條紋的走向，來判斷該處是下凹或上凸，通常的做法是採用紅筆直接在玻璃上畫記，以作為施工檢正的依據。麥克詹達干涉儀 麥克詹達(Mach-Zender)干涉儀其光學佈置如圖4所示。Mach-Zender干涉儀比起Michelson干涉儀有如下兩大優點:1.兩道光的路徑可以完全的分離，使受測物在安排時更有彈性。2.透明受測物較無多道反射光的干擾(圖5），而麥克森干涉儀的光路由於來回都是同一條路，因此雜訊較大。圖5利用Mach-Zender干涉儀進行透明物之測量我們可以利用Mach-Zender干涉儀來量測透明待測物受力的情形，當待測物受力時，其折射率及厚度產生改變，使Mach-Zender干涉儀其中一道光相位跟著發生變化。根據條紋的變化量，我們可以量測到待測物產生的應力變化。和麥克森干涉儀一樣，我們可以調整微動螺絲直至兩道光場的光點重合，而形成干涉條紋。我們在其中一道光加入燈焰時，將觀察到火焰熱度所造成空氣熱流場的改變(圖6）。當我們在其中一道光加入一道噴氣氣流時，我們也可觀察到這道氣流對流場所產生的擾動。從上面的兩個例子可以看出， Mach-Zender 干涉儀很適合熱流場的檢測工作，由於整個架設非常簡單有彈性，又可達非接觸式量測的目的，因此一些惡劣環境的量測工作皆利用Mach-Zender干涉儀來量測。例如利用Mach-Zender干涉儀量測電漿密度及內燃機汽缸燃燒氣體擾動情形，皆是常見的例子。圖6利用Mach-Zender干涉儀進行熱流場的檢測工作使用法布里派洛干涉儀，可以得到比麥克森干涉儀更清析的條紋。由圖可以看出來：圖7為麥克森干涉儀的干涉條紋，圖8為法布里-派洛干涉儀的干涉條紋（使用的鏡片反射率為0.8），由兩者之干涉條紋比較可知，法布里-派洛干涉儀的條紋對比與條紋細化的效果遠勝于麥克森干涉儀。雖然法布里-派洛干涉儀之條紋亮度分佈情形也是週期性的，但卻呈狹窄的亮帶，如梳狀脈衝波形(Dirac comb)。圖 7 麥克森干涉儀的干涉條紋 8 法布里-派洛干涉儀的干涉條紋法布里派洛干涉儀為兩個近乎平行之高反射率鏡片所構成，是運用振幅分割的方式實施多光束干涉的裝置，如圖9。法布里派洛干涉儀前後兩片鏡片的距離不變時，稱為”標準具”(Etalon)，經常置於雷射共振腔內以減少共振腔內的縱向模態，並提高雷射光的同調長度和單色性。圖9 法布里派洛干涉儀除了上述的運用外，法布里派洛干涉儀最常運用於光譜的檢驗方面，它是一個十分精密的量測裝置，然而在一般的光學實驗室內並常見法布里派洛干涉儀，並且也很難從事這方面的干涉實驗，最大原因便是一般實驗室內的鏡片均不適用於架設法布里-派洛干涉儀，要能在二片鏡片間進行多光束干涉，先決條件必須要鏡片具有高反射率才行，而一般的實驗室通常其反射鏡片背面未加以處理，無法讓穿透光的信號通過，而其半反射鏡之反射率都是 0.5 的規格品。因而在此建議不妨考慮添購反射率為0.8的半反射鏡，既可進行法布里派洛干涉儀實驗，又可用來代替拍攝全像時所使用的可調式分光鏡，因為一般的可調式分光鏡價格在固定式分光鏡的 30 倍以上，並且使用時和架設都較困難，架設的固定座也較昂貴外，而鏡組又容易摔破。事實上在拍一般的全像片時，其分光比常在1:4左右，也就是採用反射率為0.8的固定式的分光鏡已經足敷需要了。全像片近年來全像術 (Holography) 已被廣泛使用在各種領域中，其中較為人們所熟知的為能產生立體影像的全像片(Display Hologram)，因其已被用於雜誌封面，信用卡等等日常生活中。有關全像元件產生原理，簡單說是一種繞射現象，全像片只是一片廣義的光柵，基本上可由兩道雷射光束相互干涉形成干涉條紋，並將其記錄在感光材料上，再經過顯影製作而成。全像片倒底是什麼東西呢？我們可以從全像片的特性上，了解到全像片和一般的相片有很大的不同。事實上，只要在拍攝全像的方式作改變，也可得到全然不同的全像特性。如果以一張普通的穿透式的全像片為例，它的特性如下：可以看到物體三次元立體的影像。必須以雷射光打光才看得到影像，否則外觀上看不出任何物像的痕跡。這一點據說全像片曾運用在情報秘密傳遞方面。光源重建時，必須以在特殊角度（也就是當初拍攝的角度）來入射，才能看到物體，我們可以在各個不同角度，拍攝不同物體在同一張全像片上，再在不同角度下將物像取出，因此全像片可以從事資料的儲存。物體影像是建立在全像片上的每一個角落，因此即使全像底片有破損的情形，甚至只要取出原底片的十分之一或千分之一張，便能將物體的影像全