组装迈克尔逊干涉仪

1、组装迈克尔逊干涉仪姓名：曾宇平 院系：材料科学与工程学院 班级：07材料物理二班学号：200710240224摘要：迈克尔逊干涉仪是一种在近代物理和近代计算机技术中有重要地位的光学仪器。迈克尔逊与他的合作者曾经用这种干涉仪完成了著名的迈克尔逊莫雷实验，为否定以太的存在提供了重要的依据，从而推动了物理学的发展.另外，迈克尔逊进行了光谱线的结构的研究和光的波长标定标准米尺等重要工作，为物理学科的发展作出了重大的贡献。本实验是用实验的基本仪器来组装迈克尔逊干涉仪，了解迈克尔逊干涉仪的结构和原理，并掌握利用基本实验仪器来组装迈克尔逊干涉仪的方法。关键词：迈克尔逊 干涉仪 光的干涉 干涉条纹一.实验任务

2、与要求 实验要求1. 组装一个机器简易的迈克尔逊干涉仪装置的光路。2. 仔细调整光路，分别观察等厚干涉，等倾干涉，非定域干涉等各种干涉现象。3. 将固定反射镜粘贴在压电晶片的一侧，进行压电晶片电致伸缩效应的观测。4. 可写出实验报告，最好以小论文的形式完成，实验报告中应写心得体会。实验要求：1. 学习按一定的原理自行组装仪器的技能，通过自行组装迈克尔逊干涉仪学习光路的调整2. 学习在组装的迈克尔逊干涉仪上开拓应用的技能3. 在组装的迈克尔逊干涉仪上进行压电晶片电致伸缩效应的观测。粗略测出压电晶片的的压电效应。二.实验方案实验原理相干光源：根据麦克斯韦的电磁理论,光是一种电磁波,具有干涉,衍射和

3、偏振等特性.行进的光波是电磁扰动在空间的传播,当空间的两束光波在某一区域相遇时,它们相互叠加,当满足相干条件时,可以观察到光的干涉现象,一般情况下是不满足相干条件的. 对于普通的光源，保证相位差恒定成为实现干涉的关键。为了解决发光机制中初相位的无规则迅速变化和干涉条纹的形成要求相位差恒定的矛盾，可把同一原子所发出的光波分解成两列或几列，使各分光束经过不同的光程，然后相遇。这样，尽管原始光源的初相位频繁变化，分光束之间仍然可能有恒定的相位差，因此也可能产生干涉现象。光的干涉：定义，两列或几列光波在空间相遇时相互迭加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。产生稳定干

4、涉的条件: 只有两列光波的频率相同，位相差恒定，振动方向一致的相干光源，才能产生光的干涉。由两个普通独立光源发出的光，不可能具有相同的频率，更不可能存在固定的相差，因此，不能产生干涉现象。在交迭区域内各处的强度如果不完全相同而形成一定的强弱分布，显示出固定的图象叫做干涉图样。也即对空间某处而言，干涉迭加后的总发光强度不一定等于分光束的发光强度的迭加，而可能大于、等于或小于分光束的发光强度。通常的独立光源是不相干的。这是因为光的辐射一般是由原子的外层电子激发后自动回到正常状态而产生的。由于辐射原子的能量损失，加上和周围原子的相互作用，个别原子的辐射过程是杂乱无章而且常常中断，持续对同甚短，即使在

5、极度稀薄的气体发光情况下，和周围原子的相互作用已减至最弱，而单个原子辐射的持续时间也不超过10-8秒。当某个原子辐射中断后，受到激发又会重新辐射，但却具有新韵初相位。这就是说，原子辐射的光波并不是一列连续不断、振幅和频率都不随时间变化的简谐波，即不是理想的单色光，而是如图所示，在一段短暂时间内(如=10-8s)保持振幅和频率近似不变，在空间表现为一段有限长度的简谐波列。此外，不同原子辐射的光波波列的初相位之间也是没有一定规则的。这些断续、或长或短、初相位不规则的波列的总体，构成了宏观的光波。由于原子辐射的这种复杂性，在不同瞬时迭加所得的干涉图样相互替换得这样快和这样地不规则，以致使通常的探测仪

6、器无法探测这短暂的干涉现象。尽管不同原子所发的光或同一原子在不同时刻所发的光是不相干的，但实际的光干涉对光源的要求并不那么苛刻，其光源的线度远较原子的线度甚至光的波长都大得多，而且相干光也不是同一时刻发出的。这是因为实际的干涉现象是大量原子发光的宏观统计平均结果，从微观上来说，光子只能自己和自己干涉，不同的光子是不相干的；但是，宏观的干涉现象却是大量光子各自干涉结果的统计平均效应。通常采用的方法有两种：a分波阵面法。将点光源的波阵面分割为两部分，使之分别通过两个光具组，经反射、折射或衍射后交迭起来，在一定区域形成干涉。由于波阵面上任一部分都可看作新光源，而且同一波阵面的各个部分有相同的位相，所

7、以这些被分离出来的部分波阵面可作为初相位相同的光源，不论点光源的位相改变得如何快，这些光源的初相位差却是恒定的。杨氏双缝、菲涅耳双面镜和洛埃镜等都是这类分波阵面干涉装置。b分振幅法。当一束光投射到两种透明媒质的分界面上，光能一部分反射，另一部分折射。这方法叫做分振幅法。最简单的分振幅干涉装置是薄膜，它是利用透明薄膜的上下表面对入射光的依次反射，由这些反射光波在空间相遇而形成的干涉现象。由于薄膜的上下表面的反射光来自同一入射光的两部分，只是经历不同的路径而有恒定的相位差，因此它们是相干光。另一种重要的分振幅干涉装置，是迈克耳孙干涉仪。光的于涉现象是光的波动性的最直接、最有力的实验证据。光的干涉现

8、象是牛顿微粒模型根本无法解释的，只有用波动说才能圆满地加以解释。由牛顿微粒模型可知，两束光的微粒数应等于每束光的微粒之和，而光的干涉现象要说明的却是微粒数有所改变，干涉相长处微粒数分布多；干涉相消处，粒子数比单独一束光的还要少，甚至为零。这些问题都是微粒模型难以说明的。再从另一角度来看光的干涉现象，它也是对光的微粒模型的有力的否定。因为光总是以3×108ms的速度在真空中传播，不能用人为的方法来使光速作任何改变(除非在不同介质中，光速才有不同。但对于给定的一种介质，光速也是一定的)。干涉相消之点根本无光通过。那么按照牛顿微粒模型，微粒应该总是以3×108ms的速度作直线运动

9、，在干涉相消处，这些光微粒到那里去了呢?如果说两束微粒流在这些点相遇时，由于碰撞而停止了，那么停止了的(即速度不再是3×lO8ms,而是变为零)光微粒究竟是什么东西呢?如果说是移到干涉相长之处去了，那么又是什么力量使它恰恰移到那里去的呢?所有这些问题都是牛顿微粒模型根本无法回答的。然而波动说却能令人信服地解释它，并可由波在空间按一定的位相关系迭加来定量地导出干涉相长和相消的位置以及干涉图样的光强分布的函数解析式。因此干涉现象是波的相干迭加的必然结果，它无可置疑地肯定了光的波动性，我们还可进一步把它推广到其他现象中去，凡有强弱按一定分布的干涉图样出现的现象，都可作为该现象具有波动本性的

10、最可靠最有力的实验证据。等厚干涉：当光源照到一块由透明介质做的薄膜上时，光在薄膜的上表面被分割成反射和折射两束光（分振幅），折射光在薄膜的下表面反射后，又经上表面折射，最后回到原来的媒质中，在这里与反射光交迭，发生相干。只要光源发出的光束足够宽，相干光束的交迭区可以从薄膜表面一直延伸到无穷远。薄膜厚度相同处产生同一级的干涉条纹，厚度不同处产生不同级的干涉条纹。这种干涉称为等厚干涉。如图：等倾干涉：对于厚度均匀的薄幕光程差是由入射角 i 决定的，凡以相同倾角入射的光，经膜的上、下表面反射后产生的相干光都有相同的光程差，从而对应于干涉图样中的一条条纹，故将此类干涉条纹称为等倾条纹观察等倾干涉条纹的

11、实验装置如图所示从面光源S发出的光入射到半透半反射镜M上，经M折射的部分光射向薄膜A ，再被薄膜上、下表面反射，透过M和透镜 L会聚到 E 上从S上任一点以相同倾角i入射到膜表面上的光线应该在一圆锥面上，它们的反射光在屏上会聚在同一个圆周上面光源S上每一点发出的光都要产生一组相应的干涉环纹，由于方向将同的平行光都被透镜会聚到焦平面上同一点，所以由光源上不同点发出的光线，凡有相同倾角的，它们所形成的干涉环纹都重叠在一起所以，于涉环纹的总光强是S上所有点光源产生的干涉环纹光强的非相干相加，这样就使干涉条纹更加明亮，这就是在实验中总是使用面光源来产生等倾条纹的道理产生明纹的条件是：（或无半波损失）

12、= k k=1,2,产生暗纹的条件是；（或无半波损失） = (2k+1)2 k=0,1,2由上式可知，入射角i越大，光程差越小，干涉级 k也越低。在等倾环纹中，半径越大的圆环对应的 i 也越大，所以中心处的干涉级最高，越向外的圆环纹干涉级越低。此外，从中央向外各相邻明环或相邻暗环间的距离也不相同，中央环纹间的距离较大，环纹较稀疏，越向外，环纹间的距离越小，环纹越密集。非定域干涉：定域就是某个一定的区域非定域就是空间任何区域 两个单色相干点源在空间任意一点相遇，总有一确定的光程差，从而产生一定的强度分布，并能观察到清晰的干涉条纹，这种干涉称为非定域干涉迈克耳逊干涉仪产生干涉的形成条件与条纹特点不

13、仅与M1、M2的相对位置有关，而且与所用光源有关。 HeNe激光用短焦距透镜会聚后是一个相干性很好的点光源，经M1、M2反射后的相干光束相当于两个虚点光源，由这两个虚点光源发出的球面波在空间处处相干，这种干涉称为非定域干涉，即在两束光相遇的空间内均能用观察屏接收到干涉图像。在扩展光源的情况下，在空间任意一点，由光源上不同点源出发的到达该点的产生双光束干涉的两支相干光的光程差不同，在光程差变化大于四分之波长的区域观察不到干涉条纹，小于四分之波长的区域，尽管采用了扩展光源，仍可观察到清晰干涉条纹可观察到清晰干涉条纹的区域称为定域区。迈克尔逊干涉仪:迈克尔逊干涉仪是1883年美国物理学家迈克尔逊和莫

14、雷合作，为研究“以太”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，若观察到干涉条纹移动一条，便是M2的动臂移动量为/2，等效于M1与M2之间的空气膜厚度改变/2。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。利用该仪器的原理，研制出多种专用干涉仪。图1迈克尔逊干涉仪的光路示意图，图中M1和M2是两个平面反射镜。两轴成45°角的平行平面玻璃板G1，它的第二个平面上镀有半透（半反射）的银膜，以便将入射光分成振幅接近相等

15、的反射光和透射光，故G1又称为分光板。G2也是平行平面玻璃板，与G1平行放置，厚度和折射率均与G1相同。由于它补偿了光线和因穿越G1次数不同而产生的光程差，故称为补偿板。从扩展光源S射来的光在G1处分成两部分，反射光经G1反射后向着M2前进，透射光透过G1向着M1前进，这两束光分别在M2、M1上反射后逆着各自的入射方向返回，最后都达到E处。因为这两束光是相干光，因而在E处的观察者就能够看到干涉条纹。 图1由M1反射回来的光波在分光板G1的第二面上反射时，如同平面镜反射一样，使M1在M2附近形成M1的虚像M1，因而光在迈克尔逊干涉仪中自M2和M1的反射相当于自M2和M1的反射。由此可见，在迈克尔

16、逊干涉仪中所产生的干涉与空气薄膜所产生的干涉是等效的。 当M2和M1平行时(此时M1和M2严格互相垂直)，将观察到环形的等倾干涉条纹。一般情况下，M1和M2形成一空气劈尖，因此将观察到近似平行的干涉条纹(等厚干涉条纹)。 图2 为实验的实物图。实验仪器本实验是设计性实验，实验室已经为我们准备好了必要的实验仪器供选用。防震台，氦氖激光光源，凸透镜，凹透镜，可变光栅，直尺，光屏，分束镜，反射镜，支架，压电晶片等。我在这里选用足够多的支架，凸透镜，直尺，光屏，氦氖激光光源，反射镜，半透镜，当然还有防震台。实验步骤1. 检查防震台是否水平。2. 将凸透镜，半透镜，反射镜，光屏等连接到支架上。3. 调节

17、支架的平衡与水平，确保光学镜片的中心能够在同一水平面上，固定好支架。4. 按照光路图大致摆好各个部分的位置，固定好氦氖激光光源。5. 调节氦氖激光仪到水平，与X轴平行，并且确定凸透镜的水平坐标，确保红色的激光能够透过凸透镜。并将凸透镜固定。6. 将半透镜M1固定好，使得激光能够通过半透镜的中心。7. 调节半透镜M2的位置，使激光能通过中心。8. 调节两个反射镜的位置，使激光能满足干涉的基本条件。9. 反复调试两个半透镜，两个反射镜以及光屏的位置，知道能观测出清晰地干涉条纹。10. 确定各个仪器的坐标并记录下来。实验数据仪器名称X轴坐标（cm）Y轴坐标(mm)凸透镜45500半透镜G170190半透镜G260480反射镜M160650反射镜M280475光屏60450注意事项1. 不可以触及激光器的两端的高压电极2. 不要让激光射入眼睛3. 组装光路前要将要将防震台调水平。各光学镜片轻拿轻