迈克耳孙干涉仪测光波波长

迈克尔逊干涉仪1881年，迈克尔逊(1852-1931)制造了第一台能够测量光波微小长度、折射率和波长的干涉仪。后来，他用干涉仪做了三个重要的实验，这三个实验在世界上是众所周知的：迈克尔逊-莫雷(Morley，1838-1923)“以太”漂移实验。实验结果否定了“以太”的存在，解决了当时关于“以太”的争论，并将光速确定为一个固定值，为爱因斯坦(1879-1955)发现相对论提供了实验依据。迈克尔逊和莫雷第一个用干涉仪观察到氢原子光谱中巴尔末体系第一线的双线结构，并推断出谱线的精细结构。迈克尔逊首次用干涉仪测量了镉红线的波长(=643.84696 nm)，并用该波长测量了标准米的长度(1m=1553164.13镉红线波长)。此外，迈克尔逊在1920年用高分辨率干涉仪测量了猎户座一级变星的直径，大约是太阳直径的3倍。这是人类第一次精确测量除太阳以外的恒星的大小。迈克尔逊干涉仪在现代物理学和现代计量技术中发挥了重要作用。今天迈克尔逊干涉仪已经被更完善的现代干涉仪所取代，但它的基本结构仍然是许多现代干涉仪的基础。预览键(1)迈克尔逊干涉仪的结构原理和调整方法。(2)薄膜的等倾斜干涉和等厚度干涉。(3)如何利用迈克尔逊干涉仪测量光的波长。参考书：光学，郭光大师、战争袁凌主编，第8章。第一卷光学，赵凯华、钟西华主编，第三章。仪器迈克尔逊干涉仪、低压钠灯、白炽灯、带“T”标志的磨砂玻璃。图33-1迈克尔逊干涉仪1-分束器G1；2-补偿板G2；3-活动镜M1；4-固定镜像M2；5镜调节螺钉；6-导轨；7-水平拉伸弹簧螺钉；8-垂直拉伸弹簧螺钉；9-微调手轮；10-粗调手轮；11阅读窗口；12-光屏迈克尔逊干涉仪是根据部分振幅干涉原理制作的精密实验仪器。它主要由4个高质量的光学镜头和安装在底座上的一套精密机械传动系统组成(图33-1)。作为分束器的G1是一个涂有半透膜的平行平面玻璃板，与彼此垂直的m1和m2成45角。它使到达镀膜部分的光束半反射半透射，分成两个分支I和ii(如图33-2所示)，分别被m1和m2反射，返回分束器会合并被导向观察位置e。补偿板G2平行于G1，是与G1厚度和折射率相同的平行平面玻璃。用于补偿光束二在分束镜中传播较少的光路，使两条光路中任意波长的光具有相同的光程差，因此白光也会产生干涉。M2是固定的，M1被安装在马车上。转动粗调手轮，通过精密丝杆可以带动小车沿导轨来回移动，导轨侧面装有毫米尺。传动系统盖读取窗口中的圆形分度盘每旋转一周，M1反射镜移动0.01毫米，右侧微调手轮每旋转一周，仅移动10-4毫米，估计为10-5毫米。M1和M2后面分别有三个调节螺钉，可以调节镜面的法线方向。M2镜水平和垂直拉伸弹簧螺钉用于镜方向的微调。利用相干光在干涉仪上被分成两个分支的特性，待研究的物质可以被添加到一个光路中。例如，增加一个气体盒来测量气体的折射率。在现代，迈克尔逊干涉仪也用于傅里叶变换光谱学。使用迈克尔逊干涉仪时，需要理解以下几点。(1)在知道如何调节和使用仪器之前，请勿操作。(2)不得用手触摸光学玻璃的光学表面，也不得用镜纸擦拭。(3)两个拉簧螺钉仅用于微调，不应拧紧太紧。图33-2迈克尔逊干涉仪光路(4)由于粗调手轮在转动精调手轮时会转动，而精调手轮在转动粗调手轮时不会转动，因此在调整仪器光路后，有必要调整千分尺的零点。此时，在某个方向(如逆时针方向)将微调手轮转到零，然后在同一方向转动粗调手轮，使其与读数窗口中的某个刻度对齐，然后在将来测量时使用微调手轮在同一方向转动。(5)微调手轮有反向空转范围。如果实验中需要反向旋转，应重新调整零点。原则1)等倾干涉环的产生和单色光波长的测量图33-3干涉仪光路中的相干虚拟光源在图33-2的迈克尔逊干涉仪光路中，当m1和m2彼此垂直时，在e处由眼睛观察到的反射镜m2的虚像m2是平行于m1的相应平面。光源s的虚像S1和S2可被视为两个相干虚像光源(见图33-3)，其中S1被G1和m1反射，S2被G1和m2反射(相当于m2)。如果M1和M2被D分开，S1和S2被2D分开。因此，眼睛在E处观察到的干涉现象类似于由来自两个虚拟光源S1和S2的相干光波叠加产生的干涉图案。对于扩展光源(例如，由钠灯照射的磨砂玻璃表面，图33-4)，以角度I入射到发光表面上某一点s的光相当于在虚拟表面光源上相应点S1和S2以角度I发射的两个平行光束的叠加，以及其光程差=2dcos i(331)结果表明，当d为常数时，所有具有相同倾角的光束具有相同的光程差，会聚到透镜焦平面的干涉以相同的方式被增强和减弱，因此称之为“等倾角干涉”。具有相同倾斜角的光束会聚在以光轴为中心的焦平面的圆周上，因此干涉条纹是一系列明暗交替的同心环。在圆的中心，相应的入射角I=0，两个相干光束之间的光程差最大(=2d)，相应的干涉级别最高，从圆的中心到外部级别(与牛顿环相反)逐渐减小。当平面镜M1的位置移动到逐渐增加M1和M2之间的距离时，干涉环将一个接一个地出现。相反，当D减小时，干涉环将一个接一个地向中心“收缩”。每当一个干涉环“出现”或“收缩”时，相应的光程差就会改变一个波长，即M1镜和M2镜之间的距离会改变半个波长。如果观察到n干涉环发生变化，则距离d的变化量d=N/2(332)和(33-3)图33-4等倾干涉条纹的产生在干涉条纹的实际观察中，如果用人眼代替图33-4中的凸透镜，可以直接看到干涉环。此时，环的中心总是在眼睛的光轴上，因此随着眼睛的移动而移动。2)等厚干涉条纹和白光干涉条纹当m1和m2靠近在一起时，m2反射镜稍微倾斜，并且在m1和m2之间形成的分离膜在扩展光源的照射下可以形成位于反射镜表面附近的等厚度干涉条纹(因为I很小并且被认为是垂直入射)。通过公式(31-1)(33-4)如果m1和m2 相交，则交线d=0，因此=0。由于光束II被G1反射时的相位变化，在交叉线处产生了暗直条纹，即中心条纹。在交线两侧附近，因为d很小，I也很小，公式中的di2项可以忽略，所以有=2d(335)因此，生成的近似直条纹平行于中心条纹。在离交线一定距离处，由于DI2项的影响，条纹弯曲并向中心条纹凸出。因为干涉条纹的明暗取决于光程差和光源波长之间的关系，如果白色光源是u1)观察等倾干涉条纹(1)打开带磨砂玻璃窗口的钠灯，使磨砂玻璃板与干涉仪的分光镜相等，并面对反射镜M2。(2)检查固定后视镜M2后面的3个调节螺钉和2个微调拉伸弹簧螺钉，使其适度拧紧，并留有双向调节余量。(3)调节粗调手轮，使两个反射镜和分光镜之间的距离大致相等。这时，由M1镜和M2镜反射的两组磨砂玻璃上的“T”图像将出现在视野中。固定M2镜后，调整调整螺钉，使视场中两组“T”像重合，直到视场中出现干涉条纹。如果条纹非常模糊或看不到干涉条纹，转动粗调手轮约半圈，重新调整两个“T”图像的重合度。(实验室已调整移动镜M1的法线方向，使其与沿导轨的移动方向一致，因此移动镜M1后面的螺钉不允许移动。)调出干涉条纹后，用两个拉簧螺钉小心地调整M2镜的方向，将干涉条纹调整成环形，环的中心设置在视场的中心。直到眼睛上下左右移动，环中心条纹的明暗没有明显变化，此时M2和M完全平行。2)测量钠黄光的波长(1)转动微调手轮，观察干涉环的“爆裂”或“收缩”现象，直到出现清晰的干涉环。调整微调手轮的零点。(2)轻轻转动微动手轮(与调零方向相同)，每隔50圈读取一次M1镜的位置(或收回)。根据数据处理实例表记录数据，用阶梯差法计算d，根据公式(33-3)计算钠黄光波长，并计算不确定度。思考问题1.磨砂玻璃在实验中扮演什么角色？为什么观察到的等倾干涉条纹会被穿过毛玻璃的光线照亮？a)使其成为扩展表面光源.磨砂玻璃有两种功能，一是接受宽屏，二是使钠灯点光源成为扩展面光源。面光源可以很好地理解等倾干涉的发生需要不同入射角的光。使用磨砂玻璃是为了让光束发散，产生不同入射角的光。2.如何调整迈克尔干涉仪中干涉条纹的出现？调整两个反射镜的螺距可以上下移动干涉条纹，螺距通常是框架右下方的螺杆。调节中间分束器的水平角度，即旋转分束器，可以调节左右干涉条纹。最好的方法是先取下扩束镜，屏幕上会出现三个亮点。首先，分束器直接反射光源的亮点。旋转分束器，并将分束器的间距调整到屏幕中心。另外两个是分别被两个平面镜反射的亮点。调整两个平面镜的间距，使其旋转到屏幕的中心。三个亮点重合。增加扩束透镜，干涉条纹出现。然后稍微调整两个镜子，就可以了！如何利用迈克尔干涉仪提高波长测量精度1，只要光程差是恒定的，即L=2nh * cos(I)；由于观察到等倾干涉条纹，这意味着两个平面镜已经被调整为平行而