邁克爾遜干涉儀教學(xué)教材

邁克爾遜干涉儀的調(diào)節(jié)(tiáojié)和使用實(shí)驗(yàn)?zāi)康?mùdì)實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)步驟數(shù)據(jù)記錄與處理注意事項(xiàng)山東交通學(xué)院大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心第一頁，共21頁。[實(shí)驗(yàn)(shíyàn)目的]了解邁克爾遜干涉儀的干涉原理和邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)。掌握邁克爾遜干涉儀的調(diào)整(tiáozhěng)和使用方法。觀察非定域干涉條紋、定域干涉條紋，測量單色光（氦氖激光）的波長。測量鈉光燈的雙線波長差。第二頁，共21頁。[實(shí)驗(yàn)(shíyàn)儀器]邁克爾遜干涉儀，氦氖激光器，鈉光燈(ɡuānɡdēnɡ)，白熾燈，毛玻璃屏，擴(kuò)束鏡等。第三頁，共21頁。[實(shí)驗(yàn)(shíyàn)原理]光源S發(fā)出(fāchū)的光經(jīng)過分束板（半反鏡）G1以后就分成強(qiáng)度相同兩束光1和2，光束1經(jīng)過補(bǔ)償板G2以后由固定反射鏡M1反射回來再一次經(jīng)過補(bǔ)償板G2和半反鏡G1射向觀測屏P;同時光束2經(jīng)過平面反射鏡M2反射，穿過補(bǔ)償板G1也射向觀測屏；由于兩束光是相干光，所以就可以在觀測屏觀察到干涉現(xiàn)象。用邁克爾遜干涉儀可觀察非定域干涉和定域干涉，定域干涉又分為等傾干涉和等厚干涉。邁克耳遜干涉儀光路圖第四頁，共21頁。由氦氖激光經(jīng)擴(kuò)束鏡匯聚形成的點(diǎn)光源S發(fā)出的光經(jīng)平面鏡M1和M2反射后，相當(dāng)于兩虛光源S1’和S2’發(fā)出的相干(xiānggān)光束。S1’與S2’間的距離為M1和M2的距離d的兩倍。虛光源S1’和S2’發(fā)出的球面波在其相遇的空間處相干(xiānggān)，只要觀察屏放在兩點(diǎn)光源發(fā)出光波的重疊區(qū)域內(nèi)，都能看到干涉現(xiàn)象，這種干涉叫非定域干涉。虛光源S1’、S2’到屏上任一點(diǎn)A的光程差1點(diǎn)光源產(chǎn)生(chǎnshēng)的非定域干涉花樣第五頁，共21頁。（1）時的光程差最大，觀察屏上圓心處對應(yīng)干涉條紋的級別最高。d增大時，若級別k一定，θ增大，條紋從中心用出向外擴(kuò)張；d減小時，若k一定，θ減小，條紋向中心收縮，最后“淹沒”在中心。每“涌出”或“淹沒”一個明圓環(huán)，S1’S2’的光程差改變一個波長λ。設(shè)M1移動距離Δd時，“涌出”或“淹沒”的條紋數(shù)為N，則(1)這樣在邁克耳遜干涉儀上讀出，數(shù)出條紋變化N，就可以求出光波波長λ。（2）d較大(jiàodà)時，干涉條紋級別較高，且又細(xì)又密；d較小時，干涉條紋級別較低，且又粗又疏。（3）若將λ作為標(biāo)準(zhǔn)值，測出“涌出”或“淹沒”N個圓環(huán)的（M1移動的距離），與(1)式算出的理論值比較，可以校正儀器傳動系統(tǒng)的誤差。（4）若將傳動系統(tǒng)作為基準(zhǔn)，則由N和可測定單色光源的波長λ。第六頁，共21頁。2等傾干涉薄膜等傾干涉是分振幅干涉。設(shè)薄膜上下表面(biǎomiàn)平行。如圖a1與a2的光程差為即入射角相同的點(diǎn)的光程差相同，故稱等傾干涉。干涉圖樣為同心圓。條紋方程干涉圖象中，隨著d的增大或減小，條紋從中心“冒出”或向中心“縮入”。設(shè)M1移動d時，K的變化量為N則數(shù)出N個條紋對應(yīng)的d，即可求出波長。等傾干涉(gānshè)光路圖第七頁，共21頁。3等厚干涉(gānshè)若上下底面不平行，光線經(jīng)上下表面反射后得到的一對(yīduì)相干光a1與a2，將不再平行，如圖。設(shè)某處膜的厚度為d,如果入射角θ以及的夾角α都很小時，兩束相干光的光程差為干涉條紋沿等厚線分布，故稱為等厚干涉。θ很小時，=2d，干涉圖樣是等距離分布的明暗相間的直條紋；離中央條紋較遠(yuǎn)處，影響較大，條紋彎曲凸向中央條紋，離交線越遠(yuǎn)，條紋越彎曲。等厚干涉(gānshè)原理第八頁，共21頁。4鈉黃光雙線波長(bōcháng)差的測量鈉光源的兩條臨近強(qiáng)譜線的波長1和2，移動M1，當(dāng)光程差滿足時，2光形成的明條紋處1光形成暗條紋。這時條紋的對比度最小。當(dāng)M1鏡繼續(xù)移動時，兩個條紋繼續(xù)錯開，條紋的對比度又逐漸增加，條紋逐漸清晰(qīngxī)。當(dāng)時，條紋的對比度再次減小。由上述兩式，可得鈉雙線的波長差（2）第九頁，共21頁。[實(shí)驗(yàn)(shíyàn)步驟]1邁克耳遜干涉儀的調(diào)節(jié)和觀察激光非定域干涉條紋（1）調(diào)節(jié)干涉儀式導(dǎo)軌大致水平，調(diào)節(jié)粗調(diào)手輪，使活動鏡大致移至導(dǎo)軌30mm刻度處，使M1、M2鏡與分束鏡上反射膜的距離大致相等。調(diào)節(jié)傾度微調(diào)螺絲，使其拉簧松勁適中，使氦氖激光器大致垂直于M2。（2）調(diào)節(jié)M1和M2相互垂直。（3）在氦氖激光器的實(shí)際光路中加入擴(kuò)束鏡，使擴(kuò)束光照在分束鏡上，此時屏上一般會出現(xiàn)(chūxiàn)干涉條紋，細(xì)調(diào)M2鏡水平微調(diào)螺絲和豎直微調(diào)螺絲，直到眼睛晃動觀察時無條紋移動，說明M1和M2完全垂直。觀察屏上出現(xiàn)(chūxiàn)環(huán)狀非定域干涉條紋。如果沒有出現(xiàn)(chūxiàn)干涉條紋，應(yīng)該移走擴(kuò)束鏡，從頭再調(diào)。（4）觀察條紋變化，熟悉儀器的使用。轉(zhuǎn)動干涉儀的微調(diào)手輪，觀察條紋“涌出”和“淹沒”，判別M1與M2’間的距離d的變化，觀察條紋粗細(xì)、疏密情況，判斷d的變化，且與圖進(jìn)行比較，待操作熟練后，將條紋調(diào)好，準(zhǔn)備測量。第十頁，共21頁。2測量激光波長（1）讀數(shù)系統(tǒng)的調(diào)整。在整個測量過程中只能以同方向轉(zhuǎn)動微調(diào)手輪使M1鏡移動(yídòng)，開始測量前應(yīng)將微調(diào)手輪轉(zhuǎn)動若干周，直到干涉條紋穩(wěn)定移動(yídòng)后方可開始計(jì)數(shù)測量。（2）用非定域干涉條紋測激光波長。緩慢轉(zhuǎn)動微調(diào)手輪，讓調(diào)好的非定域干涉條紋“涌出”（或“淹沒”）。記下當(dāng)條紋中心最亮和當(dāng)干涉條紋“涌出”（“淹沒”）的條紋數(shù)N=100時M1鏡位置讀數(shù)d0、d100，將數(shù)據(jù)填入表格，重復(fù)測量6次。（3）根據(jù)（1）式計(jì)算出波長λ。計(jì)算不確定度，并與標(biāo)準(zhǔn)值比較，求出相對誤差。第十一頁，共21頁。3等傾條紋和等厚條紋的調(diào)節(jié)與觀察（選做）非定域干涉條紋測激光波長做完后，調(diào)節(jié)毛玻璃屏上的同心圓條環(huán)最大，且圓心在亮斑中心。在擴(kuò)束鏡和分光板之間放一毛玻璃，使激光束經(jīng)透鏡發(fā)出的球面波漫射成為擴(kuò)展的面光源。觀察M1鏡方向的等傾條紋。進(jìn)一步調(diào)節(jié)M2鏡微調(diào)螺釘(luódīng)，使上下移動眼睛時個圓環(huán)的大小不變，而僅僅是圓心隨眼睛移動而移動，并且干涉條紋反差大，此時M1鏡與M2’鏡完全平行，就可以看到嚴(yán)格的等傾條紋。微微轉(zhuǎn)動M2鏡的微調(diào)螺釘(luódīng)，此時M1鏡與M2’鏡不再平行，轉(zhuǎn)動粗調(diào)手輪，使M1鏡前后移動，觀察干涉條紋的變化規(guī)律，并與圖比較。第十二頁，共21頁。4測量鈉光雙線波長(bōcháng)差（1）以鈉光為光源，使其照射到毛玻璃屏并形成均勻的擴(kuò)束光源以便于增強(qiáng)條紋的亮度。在毛玻璃屏與分光鏡P之間放一叉線并進(jìn)行觀察。這時可出現(xiàn)干涉條紋，仔細(xì)慢慢調(diào)節(jié)M2鏡下的水平微調(diào)螺絲和豎直微調(diào)螺絲，使條紋呈圓形。（2）緩慢移動M1鏡，使視場中心的可見度最小，記下M1鏡的位置d1，再沿原來方向移動M1鏡，直到可見度最小，記下M1鏡的位置d2，即得到Δd。（3）重復(fù)上述步驟3次，求得代入（2）式，計(jì)算出鈉光的雙線波長(bōcháng)差第十三頁，共21頁。[數(shù)據(jù)(shùjù)記錄與處理]次數(shù)Nd0/mmd100/mmΔd/mm1234561.數(shù)據(jù)(shùjù)記錄第十四頁，共21頁。2.數(shù)據(jù)處理（1）計(jì)算激光(jīguāng)波長和不確定度。（2）寫出測量結(jié)果第十五頁，共21頁。[注意事項(xiàng)]1切勿用手觸摸光學(xué)儀器表面。2調(diào)節(jié)螺釘和轉(zhuǎn)動手輪時，一定要輕、慢，不能強(qiáng)扭硬扳。反射鏡背后的微調(diào)螺釘不可旋得太緊，防止鏡面變形。調(diào)整反射鏡背后微調(diào)螺釘時，先要把微調(diào)螺釘調(diào)在中間位置，以便(yǐbiàn)能在兩個方向上微調(diào)。儀器上所有鎖緊螺釘、鎖緊螺母不能擰得過緊。3測量中，轉(zhuǎn)動手輪只能緩慢的沿著一個方向移動，否則會引起較大空回誤差。4激光器電源應(yīng)平穩(wěn)放置，避免觸及其輸出電極。5不要用眼睛直接看激光。第十六頁，共21頁。與重合等傾干涉圖樣第十七頁，共21頁。等厚干涉圖樣第十八頁，共21頁。微調(diào)手輪(shǒulún)粗調(diào)手輪(shǒulún)刻度盤分光板(ɡuānɡbǎn)反光鏡傾度微調(diào)導(dǎo)軌豎直微調(diào)螺絲觀察屏水平調(diào)節(jié)螺絲