迈克尔逊干涉仪的调节和使用

1、迈克尔逊干涉仪的调节和使用迈克尔逊干涉仪的调节和使用 主要内容主要内容 简介简介 实验目的实验目的 实验原理实验原理 实验仪器实验仪器 实验内容实验内容 数据处理数据处理 注意事项注意事项简简 介介 1881 年美国物理学家迈克耳逊年美国物理学家迈克耳逊(a.a.michelson)为测量光速为测量光速, 依据分振幅产生双光束实现干涉依据分振幅产生双光束实现干涉的原理精心设计了这种干涉测量装置的原理精心设计了这种干涉测量装置.迈克耳迈克耳逊和莫雷逊和莫雷(morley)用此一起完成了在相对论用此一起完成了在相对论研究中有重要意义的研究中有重要意义的“以太以太”漂移实验漂移实验.迈克迈克耳逊干涉

2、仪设计精巧、应用广泛耳逊干涉仪设计精巧、应用广泛, 许多现代干许多现代干涉仪都是由它衍生发展出来的。涉仪都是由它衍生发展出来的。实验目的实验目的 了解迈克耳逊干涉仪的原理、结构和调节了解迈克耳逊干涉仪的原理、结构和调节方法。方法。 观察定域干涉条纹观察定域干涉条纹, 测量钠光的波长。测量钠光的波长。 增强对条纹可见度和时间相干性的认识。增强对条纹可见度和时间相干性的认识。2g1g半透半半透半反膜反膜1m2m补偿板补偿板2m实验原理实验原理迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪产生的干涉，与产生的干涉，与m1、m2 之间的空气薄膜产生的干涉一样。之间的空气薄膜产生的干涉一样。图图1 迈克尔逊干涉仪光路原理

3、图迈克尔逊干涉仪光路原理图d d1122实验原理实验原理钠光灯钠光灯 d dm2sm2g1g2e1212半反射层半反射层km1图图1 迈克尔逊干涉仪光路原理图迈克尔逊干涉仪光路原理图迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪产生的干涉，与产生的干涉，与m1、m2 之间的空气薄膜产生的干涉一样。之间的空气薄膜产生的干涉一样。实验原理实验原理 薄膜等倾干涉是分振幅干涉。薄膜等倾干涉是分振幅干涉。设薄膜上下表面平行。如图设薄膜上下表面平行。如图2 a1与与a2的光程差为的光程差为indlcos2dsa1a2idabnc图图2 面光源产生的等倾干涉面光源产生的等倾干涉即入射角相同的点的光程即入射角相同的点的光程差差

4、 l相同，故称等倾干涉。相同，故称等倾干涉。干涉图样为同心圆。干涉图样为同心圆。2) 12(cos2kkind（明条纹）（明条纹）（暗条纹）（暗条纹）实验原理实验原理 条纹特点条纹特点 1 1、i i越小，级次越大，越小，级次越大，i=0i=0时级次最高。时级次最高。 2 2、d d增加时条纹涌出，增加时条纹涌出，d d减小时条纹淹没。针减小时条纹淹没。针对对i=0i=0的中央条纹，当的中央条纹，当d d增加（减小）半个波增加（减小）半个波长时，便有一个条纹涌出（淹没）。设涌出长时，便有一个条纹涌出（淹没）。设涌出或淹没的条纹数或淹没的条纹数n n，则，则=2d/n.=2d/n. 3 3、d

5、d增大时条纹变细变密，增大时条纹变细变密，d d减小时条纹变粗减小时条纹变粗变疏。变疏。实验原理实验原理 利用薄膜等倾干涉测波长利用薄膜等倾干涉测波长 干涉图象中，随着干涉图象中，随着d 的增大或减小，条纹从中心的增大或减小，条纹从中心“冒出冒出”或向中心或向中心“缩入缩入”。设。设m1移动移动 d时，时，k的变化量为的变化量为n则则2nd 数出数出n个条纹对应的个条纹对应的 d，即可求出波长，即可求出波长 。实验仪器实验仪器观察屏观察屏分光板分光板补偿板补偿板全反镜全反镜粗调手轮粗调手轮细调手轮细调手轮竖直调节螺丝竖直调节螺丝水平调节螺丝水平调节螺丝实验仪器实验仪器主尺主尺粗动手轮读数窗口粗

6、动手轮读数窗口微动手轮微动手轮最后读数为：最后读数为：33.52246mm迈克耳逊干涉仪的调节迈克耳逊干涉仪的调节（技能训练的重点）（技能训练的重点）1、光源的调节光源的调节 放置好钠光灯使光源和分光板放置好钠光灯使光源和分光板g1、补偿板、补偿板g2及反射镜及反射镜m2中心大致等高，且三者连线中心大致等高，且三者连线大致垂直于大致垂直于m2镜。适当调节光源及扩束透镜镜。适当调节光源及扩束透镜的位置使得在的位置使得在e处视野可看到均匀的亮斑。处视野可看到均匀的亮斑。2、等倾干涉条纹的调节、等倾干涉条纹的调节1）转动粗动手轮，尽量使）转动粗动手轮，尽量使m1、m2距分光板后距分光板后表面的距离相

7、等。表面的距离相等。迈克耳逊干涉仪的调节迈克耳逊干涉仪的调节 2) 在扩束透镜和分光板之间，放置笔尖，用肉眼直接在扩束透镜和分光板之间，放置笔尖，用肉眼直接观察笔尖多个投影，调整观察笔尖多个投影，调整m1反射镜（或反射镜（或m2反射镜）反射镜）镜后螺丝，使笔尖镜后螺丝，使笔尖2个投影重合，即可观察到等厚个投影重合，即可观察到等厚条纹。条纹。 3) 调整调整m2反射镜微调螺丝，使条纹变粗、弯曲，直反射镜微调螺丝，使条纹变粗、弯曲，直至成圆环形。若条纹对比度（反衬度）下降，可略至成圆环形。若条纹对比度（反衬度）下降，可略微调整丝杆，移动微调整丝杆，移动m1反射镜，使条纹对比度改善。反射镜，使条纹对

8、比度改善。 4) 上下晃动眼睛调节上下晃动眼睛调节m2反射镜的垂直拉簧微调螺丝，反射镜的垂直拉簧微调螺丝，左右晃动眼睛调节左右晃动眼睛调节m2反射镜的水平拉簧微调螺丝，反射镜的水平拉簧微调螺丝，反复细致地调节，使圆环形等倾条纹大小不因观察反复细致地调节，使圆环形等倾条纹大小不因观察位置而变（即无吞吐现象）为止。位置而变（即无吞吐现象）为止。 5) 测量前应转动微调手轮，移动测量前应转动微调手轮，移动m1反射镜，观察等反射镜，观察等倾条纹的变化情况。选择合适一段区间，以利完成倾条纹的变化情况。选择合适一段区间，以利完成测量。测量。 等等厚厚干干涉涉条条纹纹等等倾倾干干涉涉条条纹纹1m2m1m2m

9、1m2m1m2m1m2m与与重重 合合1m2m1m2m1m2m1m2m1m2m条纹的可见度问题条纹的可见度问题 使用的光源包含两种波长使用的光源包含两种波长1 及及2 , 且且1 和和2 相差很相差很小。小。 1、当光程差同时为两种波长、当光程差同时为两种波长1 及及2 的半波长整数倍，的半波长整数倍，即即l = m1 /2= n2/2 ，此时两个波长的亮纹叠加，可，此时两个波长的亮纹叠加，可见度最佳；见度最佳； 2、当光程差为、当光程差为l = m1 /2 = (n +0.5) 2/2 时时, 两种光两种光产生的条纹为重叠的亮纹和暗纹产生的条纹为重叠的亮纹和暗纹, 使得视野中条纹的使得视野中

10、条纹的可见度降低可见度降低, 若若1 与与2 的光的亮度又相同的光的亮度又相同, 则条纹的则条纹的可见度为零可见度为零, 即看不清条纹了。即看不清条纹了。 所以在移动所以在移动m1 以增加以增加( 或减小或减小) 光程差时光程差时, 可见度可见度会发生周期性的变化会发生周期性的变化,由最佳到最差，由最差到最佳。由最佳到最差，由最差到最佳。 3、当光程差接近零时，可避免第二种情况的发生，、当光程差接近零时，可避免第二种情况的发生，可视度较佳。可视度较佳。相干性问题（时间相干性）相干性问题（时间相干性） 相干性是光源相干程度的一个描述相干性是光源相干程度的一个描述.为简单起见为简单起见, 以入射角

11、以入射角i = 0 作为例子作为例子, 讨论相距为讨论相距为d 的薄膜上、的薄膜上、下两表面反射光的干涉情况下两表面反射光的干涉情况.这时两束光的光程差这时两束光的光程差l = 2 d , 干涉条纹清晰干涉条纹清晰.当当d 增加某一数值增加某一数值d后后, 原有的干涉条纹变成一片模糊原有的干涉条纹变成一片模糊, 2 d就叫作相干长就叫作相干长度度, 用用lm 表示表示.相干长度除以光速相干长度除以光速c, 是光走过这段是光走过这段长度所需的时间长度所需的时间, 称为相干时间称为相干时间。实验内容实验内容 调整迈克尔逊干涉仪调整迈克尔逊干涉仪 测钠光的波长测钠光的波长 转动微动手轮观察干涉条纹的

12、转动微动手轮观察干涉条纹的“冒出冒出”或或“缩进缩进”现象，记录干涉条纹现象，记录干涉条纹“冒出冒出”或或“缩进缩进”50条相对应的条相对应的m1反射镜的位置反射镜的位置d，连续测，连续测10组数据。自行设计数据表格。组数据。自行设计数据表格。 用逐差法处理数据，计算波长的不确定度，正确表用逐差法处理数据，计算波长的不确定度，正确表示实验结果。示实验结果。 优点：优点： 保持了多次测量的优点，减少了随机误差。逐差法保持了多次测量的优点，减少了随机误差。逐差法计算简便，可随时计算简便，可随时“逐差验证逐差验证”，及时发现数据规，及时发现数据规律或错误数据。律或错误数据。 适用条件：适用条件： 要

13、求自变量等间隔变化，函数关系为线性。要求自变量等间隔变化，函数关系为线性。数据处理数据处理数据处理数据处理逐差法是将测量得到的数据按自变量的大小顺序排列逐差法是将测量得到的数据按自变量的大小顺序排列后平分为前后两组，先求出两组中对应项的差值后平分为前后两组，先求出两组中对应项的差值(即即求逐差求逐差)，然后取其平均值。，然后取其平均值。 ;,43210 xxxxx;98765,xxxxx05xx 16xx 27xx 38xx 49xx 490551xxxxx2、求逐差：、求逐差： 1、将数据分为两组、将数据分为两组 3、求差平均、求差平均 ： 绝对不许用手触摸各光学元件，也不许用任何东西绝对不许用手触摸各光学元件，也不许用任何东西擦拭。擦拭。 为了使测量结果正确，必须避免引入空程，将微调为了使测量结果正确，必须避免引入空程，将微调手轮沿测量方向旋转至零，然后以同方向转动粗调手轮沿测量方向旋转至零，然后以同方向转动粗调手轮使之对准某一刻度；在调整好零点后，应将微手轮使之对准某一刻度；在调整好零点后，应将微调手轮按原方向转几圈，直到干涉条纹开始均匀移调手轮按原方向转几圈，直到干涉条纹开始均匀移动后，此时空程才消除，才可测量。动后，此时空程才消除，才可测量。 不要不要过分拧紧过分拧紧m1镜和镜和m2