迈克尔逊干涉仪实验报告

1、精选优质文档-倾情为你奉上迈克尔逊和法布里-珀罗干涉仪摘要：迈克尔逊干涉仪是一种精密光学仪器，在近代物理和近代计量技术中都有着重要的应用。通过迈克尔逊干涉的实验，我们可以熟悉迈克尔逊干涉仪的结构并掌握其调整方法，了解电光源非定域干涉条纹的形成与特点和变化规律，并利用干涉条纹的变化测定光源的波长，测量空气折射率。本实验报告简述了迈克尔逊干涉仪实验原理，阐述了具体实验过程与结果以及实验过程中的心得体会，并尝试对实验过程中遇到的一些问题进行解释。关键词： 迈克尔逊干涉仪；法布里-珀罗干涉仪；干涉；空气折射率；一、引言【实验背景】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”

2、漂移而设计制造出来的精密光学仪器。它是利用分振幅法产生双光束以实现干涉。通过调整该干涉仪，可以产生等厚干涉条纹，也可以产生等倾干涉条纹，主要用于长度和折射率的测量。法布里-珀罗干涉仪是珀罗于1897年所发明的一种能现多光束干涉的仪器，是长度计量和研究光谱超精细结构的有效工具； 它还是激光共振腔的基本构型，其理论也是研究干涉光片的基础，在光学中一直起着重要的作用。在光谱学中，应用精确的迈克尔逊干涉仪或法布里-珀罗干涉仪，可以准确而详细地测定谱线的波长及其精细结构。【实验目的】1掌握迈克尔逊干涉仪和法布里-珀罗干涉仪的工作原理和调节方法；2了解各类型干涉条纹的形成条件、条纹特点和变化规律；3测量空

3、气的折射率。 【实验原理】（一） 迈克尔逊干涉仪、是一对平面反射镜，、是厚度和折射率都完全相同的一对平行玻璃板， 称为分光板，在其表面镀有半反射半透射膜，称为补偿片，与平行。当光照到上时，在半透膜上分成两束光，透射光1射到，经反射后，透过，在的半透膜上反射到达；反射光2射到，经反射后，透过射向。两束光在玻璃中的光程相等。当观察者从处向看去时，除直接看到外还可以看到的像。于是1、2两束光如同从与反射来的，因此迈克尔逊干涉仪中所产生的干涉和间形成的空气薄膜的干涉等效。（二）干涉条纹 1. 等倾干涉调节和,使与严格平行。对于入射角为的光线， 与反射光的光程差为：为和的间距。由上式，可以得到产生明暗条

4、纹的条件其中，为整数。 变化过程中缩进或冒出的条纹数可以定量表示为：其中为缩进或冒出的条纹数，为距离的改变量。 2. 等厚干涉 当与有一定的交角时，两镜所在的平面之间会有一个交线。考虑与与交线距离为处以角入射的光束，该光束经过两镜片反射产生的光程差为若、与都很小，以致时，光程公式可以近似为，此时将产生等厚干涉条纹。（三）利用干涉条纹测量空气折射率 用激光器做光源，将内壁长为 l 的小气室置于迈克尔逊干涉仪光路中，固定在反射镜前。调节干涉仪，获得适量等倾干涉条纹之后，向气室里充气，再稍微松开阀门，以较低的速率放气的同时，计数干涉环的变化数，以及相应的气压变化值，可得气压为时的空气折射率为【实验仪

5、器】本实验是在光学面包板上完成的。主要部件包括分光板、两个反射镜M1、M2。其中M1为动镜，装在一个位移台上，两个聚焦透镜，一个用作扩束镜，一个用于放大激光的干涉条纹以便于观察。光源包括半导体激光器（波长635nm）与钠光灯两种。在装有动镜的位移台上，还固定有两块一面镀膜的玻璃板，这是用作法布里-珀罗干涉仪的主要部件。分光板、聚焦透镜等可以通过支持棒和底座安装光学面包板上，也可以通过叉式压板固定在光学面包板上。激光形成的干涉条纹可以通过接收屏观测。另备有气室及气压计，用于测定空气折射率。二、实验过程【实验内容】1干涉条纹的观察使用氦氖激光器作为光源，按要求安装仪器。将分光板、固定镜、动镜以及接

6、收屏安装在光学面包板上，可先不安装聚焦透镜。注意安装时初步估算光程，使两束光的光程大致相等，调节各镜片等高共轴。各部分安装好后，通过各个镜片的小螺丝进行微调，要求激光发出的光束与动镜垂直，与分光板成45°角，经过分光板反射的光与固定镜垂直。安置好仪器，调节后角度后两束光在屏上的光点应该重合，这时，在激光器前面加上聚焦透镜即可在屏上看到干涉条纹。仔细调节平面镜，逐步把干涉环的圆心调到视场中央，即可获得等倾干涉条纹图样。转动测微螺旋改变两个平面镜之间的位置，观察并记录条纹的变化情况。转动测微螺旋，使动镜向条纹逐一消失与环心的方向移动，直到视场内条纹极少时，仔细调节平面镜，使其少许倾斜，转

7、动测微螺旋，是弯曲条纹向圆心方向移动，可见陆续出现一些直条纹，即等厚干涉条纹。转动测微螺旋改变两个平面镜之间的相对位置，观察并记录条纹的变化情况。2测量激光的波长取等倾干涉条纹的清晰位置，记下测微螺旋读数，沿此前方向转动测微螺旋，同时默数冒出或消失的条纹，每50环记一次读数，直测到第250 环为止，用逐差法计算出d。由下式计算激光的波长，并与理论值比较：注意：测微螺旋每转动，动镜随之移动。即d应为测微螺旋移动距离乘以。3测量空气折射率测量时， 利用打气球向气室内打气， 读出气压表指示值，然后再缓慢放气， 相应地看到有条纹缩进或冒出。当缩进或冒出 个条纹肘， 记录气压表读数值。然后重复前面的步骤

8、， 共取6 组数据。 求出对应的气室内压强变化值的平均值。 实验中使用的为表压式气压计，即测量的是与大气压之差。大气压可取 ×105 Pa。实验用的气室长度为。注意，使用完毕后，请松开充气阀门，气室内长时间存放高压气体会损坏压力表。【实验方法和技术】注意事项：1. 测微螺旋每转动，动镜随之移动。即d应为测微螺旋移动距离乘以。2. 气室使用完毕后，请松开充气阀门，气室内长时间存放高压气体会损坏压力表。【实验结果的分析和结论】1. 利用迈克尔逊干涉仪测量的数据，计算氦氖激光器的波长，并与理论值比较，计算相对误差。表格 1 迈克尔逊干涉仪测量激光器波长数据表次数123456测微螺旋读数l/

9、mm利用逐差法：测微螺旋每转动，动镜随之移动。即d应为测微螺旋移动距离乘以。 N为缩进或冒出的条纹数，本次实验每50环记一次读数。=50 本次实验采用半导体激光器，理论波长为635nm。 相对误差 原因分析：1） 干涉是否为严格的等倾干涉影响实验数据精确度。严格的等倾干涉要求移动反射镜镜面M1和虚反射镜镜面M2严格平行。当两镜不平行的时候,形成的干涉条纹就不是等倾干涉,而是等厚干涉,而且不是同心圆环。当不是等倾干涉条纹的时候,就会对波长的计算产生误差。 2）读数误差。 肉眼判断缩进或冒出的条纹，数条纹数时，读测微螺旋示数时会产生随机误差。2. 计算在标准大气压下空气的折射率，并与理论值比较，计

10、算相对误差。组别123456/kPa323640283424/kPa1417229166/kPa181918191818 , , ， 经计算得 经查得，空气折射率理论值 相对误差 误差分析：人为因素包括测量误差，测量小气室内的压强值，读数时等稳定后再读数。环境因素包括压强、温度、湿度等。气体的折射率跟压强的大小有关，气体的折射率会随着压强的变化而变化。同时，气体的折射率还与温度有关。【实验遇到的问题及解决的方法】1. 仪器安装完毕，但没有干涉现象。有多种可能的情况。1）两个光点重合，但没有干涉现象。两束光的没有达到等光程的要求，可能是由于激光在传播过程中不在同一水平面上，可以通过反复调节光阑来

11、调节。调节光阑的位置，在近距离的位置调节光阑使光线通过恰好通过光阑，观察光线是否还是恰好通过光孔。2）未加聚焦透镜前两光点重合，加聚焦透镜后重合点消失。可能因为光线未通过透镜的中心而发生折射造成光路偏折。3）两个镜面并没有完全垂直。在安装仪器的过程中，每个仪器应尽量保证光路通过仪器的中心，令光点的重合。2. 当用非单色光（比如白光）作为迈克尔逊干涉仪的光源时，为什么就必须加补偿片？答：非单色光不同色光的折射率不同、波长不同，通过调节、的位置不能达到等光程的目的。3. 测量空气折射率能否用白炽灯做光源？答：不能，白光干涉条纹数量少，且波长不是单值的。三、实验小结【体会或收获】实验前的预习很重要，通过了解指导书上的大纲，宏观地把握做实验的全程，做到成竹于胸，但我们又不能依赖于实验指导书，很多地方都需要我们自己去多去思考，它可以使我们养成良好的科学思维习惯。实验过程中最重要的便是要做到用心观察及如实的记录，有些时候，实验的具体步