邁克爾遜干涉儀的調(diào)節(jié)與使用

1、邁克爾遜干涉儀的調(diào)節(jié)與使用【實驗目的】學習精密干涉儀的調(diào)節(jié)與使用。觀察等傾干涉條紋，加深對干涉理論的理解。學習一種測量光波長的方法。【實驗原理】干涉儀是根據(jù)光的干涉原理制成的。邁克爾遜干涉儀是近代許多干涉儀的典型，用它 可以來測量光波波長和微小長度，檢查透鏡和棱鏡的光學性質(zhì)，測量各種物鏡的像差等。它 在近代物理和近代測量技術(shù)中應用甚為廣泛。圖4-14-1是邁克爾遜干涉儀的光路示意圖。 自光源發(fā)出的光線，被分光板G1后表面的半透膜分成光強近似相等的兩束：反射光（1）和 透射光（2）。由于色與平面鏡MM2均成45角，所以，反射光（1）在近于垂直地入 射到平面反光鏡M1后，經(jīng)反射又沿原路返回，透過色

2、到達E處。透射光（2）在透過補償 板g2后，近于垂直地入射到平面鏡M2上，經(jīng)反射又沿原路返回，在分光板后表面反射后 向E處傳播，與光線（1）相遇后形成干涉。1 .等傾干涉圖樣當邁克爾遜干涉儀的兩個平面鏡M1和M2嚴格垂直，即當M1和M2 （M2經(jīng)G1膜面反 射的像）嚴格平行時，所得干涉為等傾干涉，其條紋在無限遠處。若在E處放置凸透鏡， 則條紋成像在透鏡焦平面上。當M1與M；相距為d，單色光波長為4,光對平面鏡的入射角 為，時，等傾干涉圖樣中的第k級亮條紋滿足2dcosi=k人（4-14-1）圖4-14-1邁克爾遜干涉儀原理圖圖4-14-2等傾干涉條紋等傾干涉條紋的形狀決定于平面鏡法線與觀察方向

3、的夾角。當此夾角為零時，干涉條紋 是一組同心圓，如圖4-14-2所示。同一條紋上的不同點處所對應的入射角i相同，就是入射 光線對平面鏡的傾角相等，所以這樣的干涉條紋叫做等傾干涉條紋。由公式（4-14-1）可見， ik越大，即條紋角半徑越大，條紋級次k越小。也就是說中央條紋的級次高于外圍的條紋級 次，中心條紋級次最高。實驗中當M1與M MJ平行，M1與M MJ的間隔d逐漸增大時，對于任一級干涉條紋， 例如k級，它必以減少其cosik值來保證滿足2dcosik=k入，故該干涉條紋向ik變大（cosik變?。?的方向移動，即向外擴展，中心條紋向外“涌出”。且每當間隔d增加入Z2時，中心條紋向 外“涌

4、出”一個。反之，當間隔d由大變小時，最靠近中心的條紋將一個一個地陷人中心， 且每當陷入一個條紋，間隔的改變亦必為A Z2。因而當數(shù)出“涌出”或“陷入”的中心條紋 數(shù)目時，即可得到平面鏡M1以半波長為單位移動的距離。顯然，如果有N個條紋從中心“涌出”或“陷入”時，則表明M1與M；的距離改變量由d為d = N 入 /2(4-14-2)反之若測量出M1移動的距離d，數(shù)出“涌出”或“陷入”的條紋數(shù)N就可測出波切:入=24 d/N(4-14-3)等厚干涉圖樣在入射光為平行光的條件下，當M1和M2兩平面鏡不完全垂直時，即由M1和M2/的平 面構(gòu)成一個楔形空氣層時，可得到等厚干涉條紋。等厚干涉條紋呈現(xiàn)于所形

5、成的空氣層附近。 當空氣層厚度不大時，等厚干涉條紋的圖樣是等距離的亮暗相間的直條紋，當厚度增大時， 干涉條紋逐漸變成弧形，并凸向M1 M2的交線?！緦嶒瀮x器】邁克爾遜干涉儀，鈉燈。實驗使用的干涉儀如圖4-14-3所示，機械底座下面的三個調(diào)節(jié)螺釘用于調(diào)節(jié)臺面的水 平，臺面上裝有毫米刻度的精密絲杠，轉(zhuǎn)動手輪或微動鼓輪可使絲杠轉(zhuǎn)動，從而l 一底座，2 導軌，3 一拖板4 一精密絲杠，5一調(diào)節(jié)螺絲，6 一活動反光鏡M，7 一固定反光鏡M8一調(diào)節(jié)螺絲，9 一補償板G210一分光板G1，11-水平拉簧，12一讀數(shù)窗口，13手輪，14鼓輪15-垂直拉簧，16水平調(diào)節(jié)螺絲圖4-14-3邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)圖帶動

6、絲杠上的反射鏡M沿導軌前后移動，以改變兩光束之間的光程差，反射鏡M1的位置 及移動距離可從臺面?zhèn)让娴暮撩讟顺摺⒆x數(shù)窗及微動鼓輪上的刻度讀出，反射鏡m2是固定 的。M、M2兩鏡的后面各有三個螺釘，可調(diào)節(jié)鏡面的左右扭轉(zhuǎn)和俯仰角度。更精細的調(diào)節(jié)是 由M2下方的水平拉簧與垂直拉簧來實現(xiàn)的。調(diào)節(jié)這一對拉簧，可使M2鏡產(chǎn)生微小的“轉(zhuǎn) 動”，從而對M2鏡的空間方位作更精細的調(diào)節(jié)?！緦嶒瀮?nèi)容】干涉儀的調(diào)節(jié)等光程調(diào)節(jié)。旋轉(zhuǎn)手輪，使MM2兩平面鏡到分束鏡上反射膜的距離盡量相等。粗調(diào)M2平面鏡，使M、M2平面鏡垂直。從E處觀察，能夠看到光源在兩平面 鏡中所形成的亮斑，由于多次反射，可觀察到多個亮斑。調(diào)節(jié)兩平面鏡后面

7、的螺釘，使兩個 較亮的亮斑完全重合，此時，仔細觀察即可看到細密的傾斜的干涉條紋。調(diào)節(jié)時應特別注意， 切勿用力旋轉(zhuǎn)螺釘，以免擰滑絲扣或把反射鏡壓壞。繼續(xù)調(diào)節(jié)兩平面鏡后的六個螺釘，使條紋變粗變圓，直到出現(xiàn)清晰圓條紋為止。如 果此過程中條紋不清楚，應慢慢旋轉(zhuǎn)手輪，調(diào)節(jié)反射M的位置，條紋的清晰度就會改變。（4）當看到圓干涉條紋后，若眼睛上下或左右移動時，圓環(huán)從中心冒出或縮進，表明 兩平面鏡還不是嚴格垂直，此時只需調(diào)節(jié)反光鏡M2下端的兩個微動拉簧，使兩平面鏡嚴格 垂直。調(diào)節(jié)時應當一邊調(diào)節(jié)，一邊移動眼睛，直到圓條紋基本上不再冒出或縮進為止。最后 得到的應是圓心在視場中間的，清晰的同心圓環(huán)狀干涉條紋。觀察等

8、傾干涉圖樣調(diào)出等傾干涉圖樣后，慢慢旋轉(zhuǎn)鼓輪，使M1和MJ的間隔d從較大的值逐漸變小， 直至為零。按原方向繼續(xù)移動M1，使d由零再變大，觀察等傾干涉圖樣的變化，并分析產(chǎn) 生這種變化的原因。在轉(zhuǎn)動鼓輪的過程中，記錄觀察到的等傾干涉條紋的變化，并填寫下表：注意：在下圖方框中描繪觀察到的干涉條紋的圖樣形狀（注意區(qū)別）；特征線上填寫條 紋有無，涌出還是陷入，變粗還是變細。全部抄寫在實驗報告上。轉(zhuǎn)動手輪，觀察條紋對比度的變化情況，選擇條紋清晰度較高且干涉圓環(huán)疏密合適的區(qū) 域進行測量。測量之前，一定要先確定鼓輪的旋轉(zhuǎn)方向和條紋的起始狀態(tài)。測量時，沿同一 方向轉(zhuǎn)動鼓輪來移動M1鏡，條紋每冒出或縮進50條記錄一

9、次M1鏡的位置，連續(xù)記錄八次。 利用逐差法計算d的平均值，代入式（4-14-3）計算出光波波長，并估算測量結(jié)果的不確定 度?！咀⒁馐马棥繉嶒炛?，在讀數(shù)和測量時應注意以下幾個問題：（1）手輪每轉(zhuǎn)動一周，動鏡M1移動1mm，其讀數(shù)可從讀數(shù)窗口讀出，它共分為100 個小格，每小格為1/100mm。微動鼓輪每轉(zhuǎn)動一周，動鏡M1移動1/100mm，它又分為100 個小格，因此，它的每小格為10-4mm，這樣最小讀數(shù)可估計到10-5mm量級。（2）由于轉(zhuǎn)動鼓輪時，手輪隨著轉(zhuǎn)動，但轉(zhuǎn)動手輪，鼓輪不動，因此，讀數(shù)前應先調(diào) 整鼓輪的零點。具體方法如下：將鼓輪沿某一方向（順、逆時針均可）旋轉(zhuǎn)到零，然后，以 相同方向轉(zhuǎn)動手輪，使它與某一刻度對齊。在這以后，只能以相同的方向轉(zhuǎn)動鼓輪。（3）讀數(shù)前，還必須消除空程。當零點調(diào)整完畢后，將鼓輪沿原方向轉(zhuǎn)動，直到觀察 到干涉條紋移動為止，之后，方可開始讀數(shù)測量。實驗過程中，不允許觸摸儀器中所有的光學面。測量過程中，鼓輪只能緩慢地沿一個方向旋轉(zhuǎn)，不能倒轉(zhuǎn)，否則將引起“空程”（螺 紋在逆轉(zhuǎn)時因螺距間隙而造成的空轉(zhuǎn)），增大測量