迈克尔逊干涉仪及其应用

1、大学物理实验论文仲奕060402133光电信息工程迈克尔逊干涉仪及其应用摘要：本文介绍了迈克尔逊干涉仪及其原理在微小位移量的测量、角度测量、体浓度测量、引力波测量、光谱测量、光谱成像，光纤迈克尔逊干涉仪在混凝土内部应变的测量、温度测量、地震波加速度的测量中的应用,重点介绍全息干板膜的厚度测量关键词： 迈克尔逊干涉仪 微小物理量的测量Michelson interferometer and its applicationAbstract: This paper introduces a Michelson interferometer and the principle in the small

2、 displacement measurements, angle measurement, gas concentration measurement, gravitational wave measurement, spectroscopy measurements, spectral imaging, fiber optic Michelson interferometer in the concrete of the internal strain measurement, temperature measurement , seismic wave velocity measurem

3、ent applications。Key words: Michelson interferometer small physical measurement引言：引言随着全息技术的不断发展,全息干板在科学研究和工业生产中得到了广泛使用。全息干板膜的厚度是全息干板的一个重要参数,对于其在全息技术中的应用具有重要的意义。全息干板膜的厚度一般从几微米到几十微米不等,对于普通椭偏测厚仪来说太厚,如果使用螺旋测微器测量则误差太大。目前,市场上也有不少专用的膜厚测量仪器,但价格昂贵。笔者通过巧妙设计,利用现有大学物理实验室中的迈克尔逊干涉仪完成了对全息干板膜的厚度测量。迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪,是1

4、883年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作，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。干涉原理测量光程之差从而测定有关物理量的光学仪器。两束相干光间光程差的任何变化会非常灵敏地导致干涉条纹的移动，而某一束相干光的光程变化是由它所通过的

5、几何路程或介质折射率的变化引起，所以通过干涉条纹的移动变化可测量几何长度或折射率的微小改变量，从而测得与此有关的其他物理量。测量精度决定于测量光程差的精度，干涉条纹每移动一个条纹间距，光程差就改变一个波长（10-7米），所以干涉仪是以光波波长为单位测量光程差的，其测量精度之高是任何其他测量方法所无法比拟的。根据光的干涉原理制成的一种仪器。将来自一个光源的两个光束完全分并，各自经过不同的光程，然后再经过合并，可显出干涉条纹。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。    干涉仪分双光束干涉仪和多光束干涉仪两大类，前

6、者有瑞利干涉仪  、迈克耳孙干涉仪及其变型泰曼干涉仪、马赫-秦特干涉仪等，后者有法布里-珀罗干涉仪等。干涉仪的应用极为广泛，主要有如下几方面：长度的精密测量。在双光束干涉仪中，若介质折射率均匀且保持恒定，则干涉条纹的移动是由两相干光几何路程之差发生变化所造成，根据条纹的移动数可进行长度的精确比较或绝对测量。迈克耳孙干涉仪和法布里-珀罗干涉仪曾被用来以镉红谱线的波长表示国际米。折射率的测定。两光束的几何路程保持不变，介质折射率变化也可导致光程差的改变，从而引起条纹移动。瑞利干涉仪就是通过条纹移动来对折射率进行相对测量的典型干涉仪。应用于风洞的马赫-秦特干涉仪被用来对气流折射率

7、的变化进行实时观察。波长的测量。任何一个以波长为单位测量标准米尺的方法也就是以标准米尺为单位来测量波长的方法。以国际米为标准，利用干涉仪可精确测定光波波长。法布里-珀罗干涉仪（标准具）曾被用来确定波长的初级标准（镉红谱线波长）和几个次级波长标准，从而通过比较法确定其他光谱线的波长。检验光学元件的质量。泰曼干涉仪被普遍用来检验平板、棱镜和透镜等光学元件的质量。在泰曼干涉仪的一个光路中放置待检查的平板或棱镜，平板或棱镜的折射率或几何尺寸的任何不均匀性必将反映到干涉图样上。若在光路中放置透镜，可根据干涉图样了解由透镜造成的波面畸变，从而评估透镜的波像差。用作高分辨率光谱仪。法布里-珀罗干涉仪等多光束

8、干涉仪具有很尖锐的干涉极大，因而有极高的光谱分辨率，常用作光谱的精细结构和超精细结构分析。历史上的作用。19世纪的波动论者认为光波或电磁波必须在弹性介质中才得以传播，这种假想的弹性介质称为以太。人们做了一系列实验来验证以太的存在并探求其属性。以干涉原理为基础的实验最为精确，其中最有名的是菲佐实验和迈克耳孙-莫雷实验。1851年，A.H.L.菲佐用特别设计的干涉仪做了关于运动介质中的光速的实验，以验明运动介质是否曳引以太。1887年，A.A.迈克耳孙和E.W.莫雷合作利用迈克耳孙干涉仪试图检测地球相对绝对静止的以太的运动。对以太的研究为A.爱因斯坦的狭义相对论提供了佐证微小物理量的测量物一些微小

9、物理量的测量。物理工作者为提高被测物理量精度，常选用特殊的测量装置将理学家研究物理问题时，需要利用各种实验设备来进行物理实验。在物理实验中常常遇到被测物理量放大后再进行测量。迈克耳逊干涉仪的测量系统的机械部分都是采用螺旋测微装置进行测量的。常用的读数显微镜的测微丝杆的螺距是lmm，当丝杆转动一圈时，滑动平台就沿轴向前或后退lmm，在丝杆的一端固定一测微鼓轮，其周界上刻成100分格，因此当鼓轮转动一分格时，滑动平台移动了001mm，从而使沿轴线方向的微小位移用鼓轮圆周上较大的弧长精确地表示出来，大大提高了测量精度。位移量的测量由相干光源发出的相干光经透镜调整形成近似的平行光束而入射到周期性变化的

10、分光元件上，相干光经周期性分光元件衍射分解为0，±1， ±2，±3，±n 级次的出射光束，反射元件至少使每束出射光束的波阵面沿周期性分光元件刻线的垂直方向反转一定角度而形成反射光束并返回到周期性变化分光元件进行合束又形成0，±1，±2， ±3，±n级次的合束光束，第n级次的合束光束满足n=m1-m2, 某一级次的合束光束的干涉条纹由接收器接收而变成电信号送至处理器处理，当周期性分光元件沿其刻线垂直方向位移时，干涉条纹数目的变化正比于该位移量的大小。光纤迈克尔逊干涉仪在角度测量、体浓度测量、引力波测量、光谱测量、光谱

11、成像，混凝土内部应变的测量、温度测量、地震波加速度的测量中的也有着广泛的应用.全息干板膜的厚度的测量全息干板膜的厚度是全息干板的重要参数之一。使用迈克尔逊干涉仪和白光光源对2种全息干板膜厚度进行测量，并对测量结果误差进行分析，给出了测量误差与膜厚及折射率之间的关系以及此方法的适用范围。研究结果表明：在膜厚从8m增至41m的过程中，测量结果的绝对误差2m且变化很小，相对误差则从141降到了22。随着膜厚的增加，相对误差明显降低；折射率”也参与了误差传递，其值与测量误差呈类似反比关系；当”值在15附近时，为保证测量的准确性，所测膜厚40m。最后指出，迈克尔逊干涉仪在测量全息干板膜等较厚的薄膜时，具

12、有测量范围大，结果较准确等优点结束语研究型物理实验是一种不同于传统物理实验教学的模式,它具有很强的灵活多样性,主要以激发我们的求知欲,拓宽其知识面,培养其创新思维能力为目的.我们通过"利用迈克耳逊测量气体折射率"作为一个研究型实验的案例,较详细地进行了研究型实验设计和实验测试与分析,结果表明可以作为一个很好的研究型实验项目提供给学生作为实验教学用参考文献：1 Bosch S, Ferre-Borrull J, Sancho-Parramon J et al; A general-purpose software for optical characterization of

13、 thin films: specific features for microelectronic applications M;Solid-State Electronics; 2001年2 Jellison G E; Parameterization of the optical functions of amorphous materials in the interband region M;Appl . Phys .Lett; 1996年3 Hamberg I, Granqvist C G; Evaporated Sn-doped In2 O3 films: Basic optical p