实验一--迈克尔逊干涉仪的调整及应用

实验一实验一 迈克尔逊干涉仪的调整及应用迈克尔逊干涉仪的调整及应用 一 实验目的一 实验目的 1 了解迈克尔逊干涉仪的原理及结构 2 学会迈克尔逊干涉仪的调整 基本掌握其使用方法 3 观察各种干涉现象 了解它们的形成条件 二 实验仪器二 实验仪器 1 WSM 200 型迈克尔逊干涉仪 一台 2 HNL 55700 多束光纤激光源 一台 三 实验原理三 实验原理 3 13 1 迈克耳孙干涉仪的构造迈克耳孙干涉仪的构造 图 1 为迈克尔逊干涉仪的结构示意图 图 1 迈克尔逊干涉仪的结构示意图 仪器包括两套调节机构 第一套调节机构是调节反光镜 1 的位置 旋转大 转轮和微调转轮经转轴控制反光镜 1 在导轨上平移 第二套调节机构是调节反 光镜 1 和反光镜 2 的法线方向 通过调节反光镜 1 2 后面的调节螺钉以及反光 镜 2 的两个方向拉杆来控制反光镜的空间方位 在仪器的中部和中部偏右处 分别固定安装着分光镜和补偿片 其位置对 仪器的性能有重要影响 切勿变动 在补偿片的右侧是反射镜 2 它的位置不 可前后移动 但其空间方位是可调的 反射镜 1 和反射镜 2 是通过金属弹簧片以及调节螺钉与支架弹性连接的 调节反射镜支架上的三颗调节螺钉 改变弹簧片的压力 从而改变反射镜面在 空间的方位 显然 调节螺丝钉过紧或太松 都是不利于调节反射镜方位的错 误操作 反射镜 1 在导轨上的位置坐标值 由读数装置读出 该装置共有三组读数 机构 第一组位于左侧的直尺 C1 刻度线以 mm 为单位 可准确读到毫米位 第 二组位于正面上方的读数窗 C2 刻度线以 0 01mm 为单位 可准确读出 0 1 和 0 01 毫米两位 第三组位于右侧的微动转轮的标尺 C3 刻度线以 0 0001mm 为 单位 可准确读 0 001 和 0 0001 毫米两位 再估读一位到 0 00001 毫米 实际 测量时 分别从 C1 C2各读得 2 位数字 从 C3读得 3 位 包括 1 位估读 数字 组成一个 7 位 的测量数据 如图 2 所示 可见仪器对位移 量的测定精度可达十万分之一毫米 是一种 非常精密的仪器 务必精细操作 否则很容 易造成仪器的损坏 图 2 关于 M1 位置读数值的组成方法 3 23 2 迈克耳孙干涉仪的原理迈克耳孙干涉仪的原理 迈克尔逊干涉仪是利用分振幅法产生的双光束干涉 其光路图如图 3 所示 G1的半透半反射膜将入射光束分成振幅几乎相等的两束光 1 和 2 光束 1 经 M1反射后透过 G1 到达观察点 E 光束 2 经 M2反射后再经 G1的后 表面反射后也到达 E 与光束 1 会合干涉 补偿板 G2的作用是保证在 M1A 与 M2A 距离相等时 光束 1 和 2 有相等的光程 图 3 中的 M2 是 M2镜 通过 G1反射面所成的虚像 因而两束光在 M1与 M2上的反射 就相当于在 M1 与 M2 镜上的反射 这种干涉现象与厚度为 d 的空气膜产生的干涉现象等效 改变 M1与 M2 的相对方位 就可得到不同形式的干涉条纹 当 M1与 M2 严 格平行时 产生等倾干涉条纹 当 M1与 M2 接近重合 且有一微小夹角时 得到的干涉条纹是等厚直条纹 图 3 迈克尔逊干涉仪的基本光路图 由干涉原理可知 自 M1和 M2 反射的两束光的光程差为 cos2d 式中 d 为 M1与 M2 的间距 为光 1 在 M1上的入射角 当 d 为某一常量 时 两光的光程差完全由倾角 来确定 其干涉条纹是一系列与不同倾角对 应的同心圆形条纹 其中亮条纹与暗条纹所满足的条件是 k 0 1 2 暗条纹 亮条纹 2 12 cos2 k k d 当 0 时 光程差 2d 对应于中心处垂直于两镜面的两束光具有最 大的光程差 因而中心条纹的干涉级次 k 最高 偏离中心处 条纹级次越来越 低 当 M1与的 M2 的间距 d 改变时 干涉条纹的疏密就会变化 以某 k 级条 纹为例 当 d 增大时 为了满足 2d cos k 的条件 cos 必须要减小 因 而 角必须增大 所以此时第 k 级的位置必然向外移动 于是在 E 处 就可 观察到条纹会不断向外扩张 条纹逐渐变密变细 当 d 减小时 条纹会不断向 里收缩 条纹逐渐变疏变粗 到达等光程位置时 M1与 M2 重叠 干涉条纹 最大最粗 3 33 3 在迈克耳孙干涉仪上观察不同定域状态的干涉条纹在迈克耳孙干涉仪上观察不同定域状态的干涉条纹 1 点光源产生的非定域干涉条纹 由干涉理论可知 两个相干的单色 点光源发出的球面波在空间相遇会产生 非定域干涉条纹 用一个毛玻璃屏放在 两束光交叠的任意位置 都可接收到干 涉条纹 如图 4 所示 点光源 S 经 M1 M2镜反射后 在 E 处产生的干涉 就好比由虚点光源 S1和 S2所产生的干涉 其中 S1是点光源 S 经 G1和 M1镜面反射 而成的虚像 S2相当于 S 由 G1和 M2 镜面反射所成的虚像 当 M1和 M2 镜 平行时 在毛玻璃屏 E 处就可观察到点 光源产生的非定域的同心圆条纹 图 4 点光源产生的非定域干涉 2 扩展面光源产生的定域干涉 当使用扩展面光源 如钠灯 低压汞灯加上一块毛玻璃 做光源照明迈克 耳孙干涉仪时 面光源上的每一点都会在观察屏 E 处产生一组干涉条纹 面光 源上无数个点光源在观察屏的不同位置上产生无数组干涉条纹 这些干涉条纹 非相干叠加的结果 使得毛玻璃 E 处出现一片均匀的光强 看不清干涉条纹 此时只有在干涉场的某一特定区域 这无数组干涉条纹才可以进行非相干叠加 干涉条纹仍可持相当的清晰度 这种干涉条纹称为定域干涉 这一特定区域称 为干涉条纹的定域位置 当 M1与 M2 平行时 条纹的定域位置出现在透镜 L 的焦平面或在无穷远处 见图 5 所示 观察这种条纹时 应去掉观察屏 将眼 睛直接通过干涉仪的 G1向 M1方向望进去 在无穷远处可看到清晰的同心圆条 纹 当你眼睛上下左右移动时 干涉条纹不会有冒出或缩进去的现象 干涉条 纹的圆心随着眼睛的移动而移动 而各圆的直径不会发生变化 这样的干涉条 纹才是严格的等倾干涉条纹 当 M1与 M2 非常接近时 微调 M2 背后的三个螺丝 使 M2 与 M1之间 有一个微小的夹角 此时在镜面 M1附近可观察到等厚干涉条纹 它们的形状 如图 6 示 在 M1与 M2 的交棱附近的条纹是近似平行于交棱的等间距直线 在偏离交线较远的地方 干涉条纹呈弯曲的形状 凸面对着交棱 这种等厚干 涉条纹定域在薄膜表面附近 因而观察时人眼应调焦在反射镜 M1附近 图 5 等倾干涉条纹 图 6 等厚干涉条纹 从前面的分析可以看出 无论哪种情况 M1与 M2 的间距d和倾角对干 涉条纹的形状和间隔的影响都是相似的 差别表现在干涉条纹的定域上 因此 我们可以得到在迈克尔孙干涉仪上观察到干涉的两个必要条件 1 由分光板所产生的 1 2 两束光的光程要大致相等 即d不能太 大 参见图 3 2 反光镜 M1与 M2要垂直或接近垂直 M1与 M2 平行或接近平行 本实验采用 HNL 55700 多束光纤激光源做为光源照明迈克耳孙干涉仪 它 采用 550mm 中功率激光管和进口高传输性光纤 通过精密光学分束机构分至 七束光纤 每束出射光纤波长为 632 80nm 长度为 4 米 每根光纤在同一实验 内可拉伸到不同的工作台 这样七台迈克尔逊干涉仪只要配用一台 HNL 55700 多束光纤激光源 一束激光经一个短焦距透镜 扩束器 会聚后 可认为是一个很好的点光 源 因 HNL 55700 多束光纤激光源光纤出射的激光已经扩束 故不需另加扩束 镜 使用时 将一束光纤输出端固定在迈克尔逊干涉仪的左端 使光轴基本与 固定镜 M2垂直 四 实验步骤四 实验步骤 1 调节干涉仪底脚螺丝 使仪器基本水平 调节 M2镜座上的微调弹簧 螺旋 使它处在弹簧适中的位置 2 转动大转轮 使得移动镜 M1的位置和固定镜 M2相对于分光镜后表 面中心的距离大致相等 3 打开激光器 使光纤激光束大致垂直于固定镜 M2 从投影屏处观察 此时不放投影屏 可看到由 M1和 M2各自反射形成的两排激光光斑 每排 都有几个光点 这是由于 G 上与半反射面相对的另一侧的平玻璃面上亦有部分 反射的缘故 调节 M1和 M2背面的三只螺丝 使两排中的两个最亮的光斑大致 重合 则 M2 与 M1大致互相平行 4 装上投影屏 即可在屏上观察到非定域干涉条纹 再轻轻调节 M1和 M2后的调节螺丝 使出现的圆条纹处于投影屏中心 转动微调转轮 使移动镜 M1前后移动 观察条纹的变化 从条纹的 冒出 或 缩进 说明 M1 M2 之间 的距离 d 是变大还是变小 观察并解释条纹的粗细 密度和 d 的关系 五 注意事项五 注意事项 1 调整各部件用力要适当 均匀缓慢 不可强旋硬搬 2 反射镜 分束板的光学表面不可用手触摸 不允许擦拭 3 使用完毕 应适当放松 M1和 M2背面的三个螺钉 水平拉簧螺钉