迈克尔逊干涉仪.ppt

1、迈克尔逊干涉仪,光学部分 大学物理实验教学中心制,迈克尔逊,美国物理学家。1852 年12月19日出生于普鲁士斯特雷诺（现属波兰），后随父母移居美国，1837年毕业于美国海军学院，曾任芝加哥大学教授，美国科学促进协会主席,美国科学院院长；还被选为法国科学院院士和伦敦皇家学会会员，1931年5月9日在帕萨迪纳逝世。 迈克尔逊主要从事光学和光谱学方面的研究，他以毕生精力从事光速的精密测量，在他的有生之年，一直是光速测定的国际中心人物。他发明了一种用以测定微小长度、折射率和光波波长的干涉仪（迈克尔逊干涉仪），在研究光谱线方面起着重要的作用。1887年他与美国物理学家E.W.莫雷合作，进行了著名的迈克

2、尔逊-莫雷 实验，这是一个最重大的否定性实验，它动摇了经典物理学的基础。他研制出高分辨率的光谱学仪器，经改进的衍射光栅和测距仪。迈克尔逊首倡用光波波长作为长度基准，提出在天文学中利用干涉效应的可能性，并且用自己设计的星体干涉仪测量了恒星参宿四的直径。 由于创制了精密的光学仪器和利用这些仪器所完成的光谱学和基本度量学研究，迈克尔逊于1907年获诺贝尔物理学奖金。,Michel son-INTERFEROMETER：简介,迈克尔逊干涉仪,迈克尔逊干涉仪是双光束分振幅类型的干涉仪中最典型的一种。迈克尔逊干涉仪最初是 迈克尔逊为了探测“以太风”而设计的，大量的实验结果表明，在地面参考系中，光速在任何情

3、况下都不受地球运动速度的影响。这就是著名的迈克尔逊-莫雷实验。它的结果是后来创立的狭义相对论的重要的实验根据。 迈克尔逊还用这种干涉仪器测量过保存在巴黎的标准米尺的长度。并得出1m=1553163.5cd, cd为镉（Cd）红外的波长。1968年国际计量会议决定用氪（Kr）发射的橙色线在真空中的波长kr作为标准，1m=1650763.73kr。 迈克尔逊干涉仪的主要特点是两相干光束的光路分得很开，并且可用移动反射镜，或在光路中插入另外的媒质的方法，来改变两光束的光程差，这就使干涉仪具有广泛的用途，如用于测长度、测量折射率、检查光学元件的质量等等。,Michel son-INTERFEROMET

4、ER：简介,Michel son-INTERFEROMETER：简介,设 备,Michel son-INTERFEROMETER：实验要点,迈克尔逊干涉仪的调节和使用,定域干涉和非定域干涉,测量钠光的波长,迈克尔逊干涉仪技术-光路图,Michel son-INTERFEROMETER：实验原理,E,从光源S发出的一束光线射到分光板P1上，P1的后表面镀有半透明铬膜，它将入射光分成振幅近似相等的二束光。这二束光分别射向互相垂直的全反射镜M1 和 M2，经M1 和 M2反射后又汇于分光板P1。这二束光为相干光，所以我们可在E的方向观察到干涉条纹。P2为补偿板，其物理性能和几何形状和P1一样，但不镀

5、反射膜。它的引进使二束相干光的光程差完全与波长无关，且保证了光束1和光束2在玻璃中的光程完全相等，因而对不同的色光都完全可将M2等效M2。在图中，M2是反射镜M2被P1反射后所成的虚像。从E处看二束光是从M1和M2反射而来。因此在迈克尔逊干涉仪中产生的干涉与M1和M2之间空气膜产生的干涉是一样的。,迈克尔逊干涉仪技术-光路图说明,Michel son-INTERFEROMETER：实验原理,定域干涉和非定域干涉,定域干涉中的等厚干涉 定域干涉中的等倾干涉 非定域干涉,Michel son-INTERFEROMETER：实验原理,等厚干涉,M1与M2/严格平行，以倾角i入射的光束在两镜面反射 的

6、两光束的光程差为：=2e cosi。 又第k级亮条纹满足：k=2e/。 所以： = 2 e/ k,Michel son-INTERFEROMETER：实验原理,M1与M2/不平行，条纹定域在空气锲表面或附近。若e很小，则条纹为直线（如尖劈实验），且平行于M1与M2/的交线。若e变大，则条纹变为弧线（如牛顿圈实验）。 第k级亮条纹满足：k =2e cosi。,等倾干涉,Michel son-INTERFEROMETER：实验原理,非定域干涉, = 2 e/ k,Michel son-INTERFEROMETER：实验原理,测量钠光的波长,转动粗手动轮，使M1移动，即e变化，可数出条纹的“涌出”或

7、“陷入”条数N。记录d的变化值d。一般取N为大于50条。重复实验，最后得光波波长值。,Michel son-INTERFEROMETER：实验原理,Michel son-INTERFEROMETER：实验技巧,干涉条纹调节速成,等厚干涉与等倾干涉,定域干涉与非定域干涉,干涉条纹调节速成,点亮汞灯，使之照亮带网格的毛玻璃屏，形成均匀的扩展光源。 旋转粗动手轮，使两平面反射镜M1和M2到分光板P1镀膜面的距离大致相等，沿观察屏E和分光板P1的连线方向观察，将看到毛玻璃屏上网格的双重影。 仔细调节M1和M2背后的三个螺丝，改变M1和M2的相对方位，直到网格的双重影在水平方向和铅直方向均完全重合，这时

8、可观察到干涉条纹，仔细调节三个螺丝，使干涉条纹成圆形。 再仔细缓慢地调节M2下方的两个微调拉簧螺丝，使干涉条纹中心仅随观察者的眼睛左右上下的移动而移动，但不发生条纹的“涌出”或“陷入”现象。这时，观察到的干涉条纹才是严格的等倾干涉。如果眼睛移动时有干涉环“涌出”或“陷入”现象，要分析一下再调。,Michel son-INTERFEROMETER：实验技巧,等厚干涉与等倾干涉,等厚干涉指光线垂直入射，薄膜等厚处干涉情况一样。如劈尖在空气中时，干涉条纹是等间距的直条纹。 对明条纹： 对暗条纹： 等倾干涉指薄膜厚度均匀，以相同倾角I入射的光的干涉情况一样。干涉条纹是同心圆环。薄膜在空气中时： 对明条

9、纹： 对暗条纹：,Michel son-INTERFEROMETER：实验技巧,定域干涉与非定域干涉,定域干涉：当光源为扩展光源时，干涉条纹都 有一定的位置。对以等倾干涉，定位于无穷远；而对于等厚干涉定位于镜面附近（即薄膜干涉中薄膜表面附近）。,非定域干涉：两点光源向空间发射球面波，这些波在相遇的空间处处相干。,Michel son-INTERFEROMETER：实验技巧,Michel son-INTERFEROMETER：实验仪器,微动 手轮,读数窗,分束板,补偿板,反射镜,反射镜,导轨,粗动 手轮,底座,调节螺丝,迈克尔逊干涉仪剖示图,钠灯,Michel son-INTERFEROMETE

10、R：实验仪器,Michel son-INTERFEROMETER：实验内容,为了获得肉眼直接可观察得到的干涉条纹，要求两束相干光的传播方向夹角必须很小，几乎是共线传播。为此，作如下调节：在汞灯前设一网格玻璃屏，使光束通过网格玻璃屏，并经过分束板P1中心透射到反射镜M2中心上。然后调节M2后面三个螺丝，使网格反射像返回到网格玻璃屏上并与网格重合。再调从P1后表面反射到M1的光束，调节后面M1三个螺丝，使其反射光到达P1后表面时恰好与M2的反射光相遇(两光点完全重合)，同时两反射光在网格玻璃屏处也完全重合。这样M1和M2就基本上垂直，即M1和M2互相平行了。去掉网格玻璃屏，这时用眼睛就可以看到干涉

11、条纹了，再仔细的调节M2的两个微动螺丝，使M1和M2严格平行，则可看到非定域的圆条纹。转动手轮使M1在导轨上移动，观察条纹变化情况，并体会非定域的含义。,非定域干涉条纹的调节,Michel son-INTERFEROMETER：实验内容,(1) 等倾条纹 在透镜前放一毛玻璃，使光源成为面光源，用聚焦到无穷远的眼睛代替屏，这时可看到圆条纹，进一步调节M2的微动螺丝，使眼睛上下左右移动时，各圆的大小不变，仅仅圆心随眼睛移动，这时我们看到的就是严格的等倾条纹。移动M1观察条纹变化情况。 (2)等厚条纹 移动M1和M2大致重合，调节M2后面的螺丝使M1和M2有一个很小的夹角，这时视场中出现直线干涉条纹

12、，这就是等厚干涉条纹。,定域干涉条纹的调节,利用非定域的干涉条纹测定波长。移动M1以改变d，记下“冒出”或“缩进”的条纹数N，利用前面公式即可算出。步骤和数据纪录表格自拟，每累进50条读取一次数据，连续取10个数据，用逐差法加以处理。,测量汞灯的波长,Michel son-INTERFEROMETER：实验内容,Michel son-INTERFEROMETER：实验动画,开启钠光灯，放网格玻璃屏于钠灯与迈克尔逊干涉仪间。估计分光板到M2反射镜间距S，调节粗动手轮使M1在主尺上位移约S长。 调节迈克尔逊干涉仪水平度。 调节：调节M2后面三个螺丝，使网格反射像返回带网格玻璃屏上并与网格重合。再调

13、节从分光板后表面反射到M1的光束，调节M1后面三个螺丝，使其反射光到达分光板后表面时恰好与M2的反射光相遇（两光点完全重合），同时两反射光在网格玻璃屏处也完全重合。这样M1和M2就基本上垂直，几M1和M2/互相平行了。去掉网格玻璃屏，这时用眼睛就可以看到干涉条纹了，再仔细调节M2的两个微动螺丝，使M1和M2/严格平行，则可以看到非定域的圆条纹。转动手轮使M1在导轨上移动，观察条纹的变化。 测量：利用非定域的干涉条纹测定钠光的波长。移动M1，改变d，记下“冒出”或“缩进”的条纹数N，利用公式即可算出波长。每累进50条读取一次数据，连续取10个数据，用逐差法加以处理。,3画出M1和M2/出现如下现

14、象时的干涉条纹？,答：干涉条纹为圆圈状。,1根据什么现象来判别M1和M2/互相平行？,2补偿板的作用？,答：使两光束在玻璃中走过的路程一致。,Michel son-INTERFEROMETER：疑难解答,Michel son-INTERFEROMETER：疑难解答,答：变化图形如下,Michel son-INTERFEROMETER：注意事项,1钠灯不能倒置，不能连续开关。 2先判断M1反射片的位置（与M2比较），以免找不到干涉条纹。 3读干涉条纹进出时人眼不能前后移动。,1.大学物理实验教程浙江大学出版社。 2.大学物理实验武汉大学出版社。 3.大学物理导论清华大学出版社。 4.普通物理实验高等教育出版社。 5.改变世界的物理学复旦大学出版社。 6.固体物理学中南大学出版社。 7.工程光学机械工业出版社。 8.英汉物理学词汇北京大学出版社。 9.物理实验手册机械工业出版社。 10.普通物理实验高等教育出版社。 11.大学物理通用教程北京大学出版社。 12.现代光学基础北京大学出版社。 13.电子仪器与测量技术中国科技大学出版社。 14.大学物理浙江大学出版社。,Michel son-INTERFEROMETER：参考资料,Michel son-INTERFEROMETER：国际基本单位,Michel son-INTERFEROMETER：基本物理常量,Michel son-