迈克尔逊干涉仪的调节和使用 光学实验

主要内容 简介 实验目的 实验原理 实验仪器 实验内容 数据处理 注意事项

简 介 1881 年美国物理学家迈克耳逊(A.A.Michelson)为测量光速, 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.迈克耳逊和莫雷(Morley)用此一起完成了在相对论研究中有重要意义的“以太”漂移实验.迈克耳逊干涉仪设计精巧、应用广泛, 许多现代干涉仪都是由它衍生发展出来的。

实验目的 了解迈克耳逊干涉仪的原理、结构和调节方法。 观察定域干涉条纹, 测量钠光的波长。 增强对条纹可见度和时间相干性的认识。

实验原理 半透半 补偿板 反膜 图1 迈克尔逊干涉仪光路原理图 迈克耳逊干涉仪产生的干涉，与M1、M2之间的空气薄膜产生的干涉一样。 d 2’ 1 1’ 半透半 反膜 补偿板 迈克耳逊干涉仪产生的干涉，与M1、M2之间的空气薄膜产生的干涉一样。

实验原理 薄膜等倾干涉是分振幅干涉。设薄膜上下表面平行。如图2 a1与a2的光程差为 a1 a2 i n d S a1 a2 i D A B n C 薄膜等倾干涉是分振幅干涉。设薄膜上下表面平行。如图2 a1与a2的光程差为 即入射角相同的点的光程差L相同，故称等倾干涉。干涉图样为同心圆。 图2 面光源产生的等倾干涉 （明条纹） （暗条纹）

实验原理 条纹特点 1、i越小，级次越大，i=0时级次最高。 2、d增加时条纹涌出，d减小时条纹淹没。针对i=0的中央条纹，当d增加（减小）半个波长时，便有一个条纹涌出（淹没）。设涌出或淹没的条纹数N，则λ=2Δd/N. 3、d增大时条纹变细变密，d减小时条纹变粗变疏。

实验原理 利用薄膜等倾干涉测波长 干涉图象中，随着d 的增大或减小，条纹从中心“冒出”或向中心“缩入”。设M1移动d时，K的变化量为N则 数出N个条纹对应的d，即可求出波长。

实验仪器 观察屏 分光板 补偿板 全反镜 粗调手轮 细调手轮 竖直调节螺丝 水平调节螺丝

实验仪器 粗动手轮读数窗口 主尺 微动手轮 最后读数为：33.52246mm

迈克耳逊干涉仪的调节 （技能训练的重点） 1、光源的调节 放置好钠光灯使光源和分光板G1、补偿板G2及反射镜M2中心大致等高，且三者连线大致垂直于M2镜。适当调节光源及扩束透镜的位置使得在E处视野可看到均匀的亮斑。 2、等倾干涉条纹的调节 1）转动粗动手轮，尽量使M1、M2距分光板后表面的距离相等。

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，用肉眼直接观察笔尖多个投影，调整M1反射镜（或M2反射镜）镜后螺丝，使笔尖2个投影重合，即可观察到等厚条纹。 3) 调整M2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，可略微调整丝杆，移动M1反射镜，使条纹对比度改善。 4) 上下晃动眼睛调节M2反射镜的垂直拉簧微调螺丝，左右晃动眼睛调节M2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M1反射镜，观察等倾条纹的变化情况。选择合适一段区间，以利完成测量。

等 倾 干 涉 条 纹 与 重 合 等 厚 干 涉 条 纹

条纹的可见度问题 使用的光源包含两种波长λ1 及λ2 , 且λ1 和λ2 相差很小。 1、当光程差同时为两种波长λ1 及λ2 的半波长整数倍，即L = mλ1 /2= nλ2/2 ，此时两个波长的亮纹叠加，可见度最佳； 2、当光程差为L = mλ1 /2 = (n +0.5) λ2/2 时, 两种光产生的条纹为重叠的亮纹和暗纹, 使得视野中条纹的可见度降低, 若λ1 与λ2 的光的亮度又相同, 则条纹的可见度为零, 即看不清条纹了。 所以在移动M1 以增加( 或减小) 光程差时, 可见度会发生周期性的变化,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，可视度较佳。

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.为简单起见, 以入射角i = 0 作为例子, 讨论相距为d 的薄膜上、下两表面反射光的干涉情况.这时两束光的光程差L = 2 d , 干涉条纹清晰.当d 增加某一数值d′后, 原有的干涉条纹变成一片模糊, 2 d′就叫作相干长度, 用Lm 表示.相干长度除以光速c, 是光走过这段长度所需的时间, 称为相干时间。

实验内容 调整迈克尔逊干涉仪 测钠光的波长 转动微动手轮观察干涉条纹的“冒出”或“缩进”现象，记录干涉条纹“冒出”或“缩进”50条相对应的M1反射镜的位置d，连续测10组数据。自行设计数据表格。

数据处理 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。 优点： 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“逐差验证”，及时发现数据规律或错误数据。 适用条件： 要求自变量等间隔变化，函数关系为线性。

注意事项 绝对不许用手触摸各光学元件，也不许用任何东西擦拭。 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动后，此时空程才消除，才可测量。 不要过分拧紧M1镜和M2镜后的螺丝。

定域干涉和非定域干涉 当光源是扩展光源时，不论是等倾干涉还是等厚干涉，所产生的干涉条纹都有一定位置，这些干涉称为定域干涉。 当光源是点光源时，凡是两束光相遇处都可看到干涉条纹，这些干涉称为非定域干涉。