实验十一 迈克耳孙干涉仪的调整与使用

【实验目的】

1．了解迈克耳孙干涉仪的原理、结构和调整方法。

2．观察等倾和等厚干涉条纹，了解其形成条件、条纹分布特点及条纹的变化。

3．测量He-Ne激光的波长。

【实验原理】

1．迈克耳孙干涉仪的光路

如图5.4-1所示，图中 M1和M2是二个精密磨光的平面镜，置于相互垂直的两臂上。在两臂轴相交处，是一个与两臂成45°角且两面严格平行的平面玻璃板G1，其背面镀有一层半透半反膜，称为分束板。G2与G1平行放置，其厚度和折射率与 G1完全相同，但表面没有镀

图5.4-1 迈克耳孙干涉仪的简单光路

层，G2称为补偿板。从图中看出，光源S发出的光在G1后表面被分为光强近乎相等的反射光束（1）和透射光束（2），两束光经反射后，共同向E处传播并发生干涉。反射镜M2是固定的，M1可沿臂轴方向移动，M2被G1反射所成的镜像M2′位于M1附近，光束（2）也可以看作是从M2的虚像M2′反射来的，用M2′代替M2讨论问题，两束光光程不受影响。这样，可直观地看出两束光在到达观察屏E处时的光程差与 M1和 M2′间的“空气薄膜”的厚度d有关，即M1所处位置是影响光程差的因素之一，这种干涉相当于“薄膜”干涉。

光束（1）到达E处时，共通过了G1三次，而光束（2）只在未分出前与光束（1）同时通过G1一次，另外两次则由穿过G2两次来得到补偿。这样，两束光在玻璃中的光程相等，因此计算两束光的光程差时，只需考虑它们在空气中的几何路程的差别。此外，用白光照明时，若只有G1，则因为玻璃的色散，不同波长的光因折射率不同而产生的光程差无法用空气中行程弥补，而G2板的加入就能补偿各色光的光程差以获得白光的零级干涉条纹。白光的干涉条纹在迈克耳孙干涉仪中极为有用，能够用于准确地确定零光程差的位置，进行长度的精确测量。在迈克耳孙干涉仪中，两束相干光分得较开，这便于在任一支光路里放进被研究的对象，通过白光零级条纹位置的改变来研究所放入物质的某些物理特性，如气体或其它透明物质的折射率、透明薄板的厚度等。

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实验十四    迈克耳孙干涉仪的调节和使用

迈克耳孙干涉仪在近代物理学的发展中起过重要作用。19世纪末，迈克耳孙（A.A.Michelson）与其合作者曾用此仪器进行了“以太漂移”实验、标定米尺及推断光谱精细结构等三项著名的实验。第一项实验解决了当时关于“以太”的争论，并为爱因斯坦创立相对论提供了实验依据；第二项工作实现了长度单位的标准化。迈克耳孙发现镉红线（波长λ=643.84696nm）是一种理想的单色光源。可用它的波长作为米尺标准化的基准。他定义1m=1553164.13镉红线波长，精度达到10^-9,这项工作对近代计量技术的发展作出了重要贡献；迈克耳孙研究了干涉条纹视见度随光程差变化的规律，并以此推断光谱线的精细结构。

今天，迈克耳孙干涉仪已被更完善的现代干涉仪取代，但迈克耳孙干涉仪的基本结构仍然是许多现代干涉仪的基础。

【实验目的与要求】

1.学习迈克耳孙干涉仪的原理和调节方法。

2.观察等倾干涉和等厚干涉图样。

3.用迈克耳孙干涉仪测定He－Ne激光束的波长和钠光双线波长差。

【实验仪器】

迈克耳孙干涉仪，He－Ne激光束，钠光灯，扩束镜，毛玻璃

迈克耳孙干涉仪是应用光的干涉原理，测量长度或长度变化的精密的光学仪器，其光路图如图7-1所示。

从氦氖激光器发出的单色光s，经扩束镜L将光束扩束成一个理想的发散光束，该光束射到与光束成45?倾斜的分光板G₁上，G₁的后表面镀有铝或银的半反射膜，光束被半反射膜分成强度大致相同的反射光(1)和(2)。这两束光沿着不同的方向射到两个平面镜M₁和M₂上，经两平面镜反射至G₁后汇合在一起。仔细调节M₁和M₂，就可以在E处观察到干涉条纹。G₂为补偿板，其材料和厚度与G₁相同，用以补偿光束(2)的光程，使光束(2)与光束(1)在玻璃中走过的光程大致相等。

迈克耳孙干涉仪的结构图如图7-2所示。两平面镜M₁和M₂放置在相互垂直的两臂上。其中平面镜M₂是固定的，平面镜M₁可在精密的导轨上前后移动，以便改变两光束的光程差，移动范围在0~100nm内。平面镜M₁、M₂的背后各有三个微调螺丝(图中的3、12)，用以改变平面镜M₁、M₂的角度。在平面镜M₂的下端还附有两个相互垂直的拉簧螺丝10、11，可以细调平面镜M₂的倾斜度。

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【实验题目】   迈克耳逊干涉仪的调整与使用

【实验记录与数据处理】

1．实验仪器

2．仪器调整记录：

3．光波波长测定

                                         

计算：

4．选作：                  

【结论】

结论：

【复习题】

迈克耳逊干涉仪在什么状态才能出现清晰的等倾干涉条纹？应该如何调节仪器到改状态？

报告成绩（满分30分）：______________  指导教师签名：_________________  日期：___________________

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【实验题目】   迈克耳逊干涉仪的调整与使用

【实验记录与数据处理】

1．实验仪器

2．仪器调整记录：

3．光波波长测定

                                         

计算：

4．选作：                  

【结论】

结论：

【复习题】

迈克耳逊干涉仪在什么状态才能出现清晰的等倾干涉条纹？应该如何调节仪器到改状态？

答：在干涉过程中，如果两束光的光程差是光波长的整数倍（0，1，2……），在光检测器上得到的是相长的干涉信号；如果光程差是半波长的奇数倍（0.5，1.5，2.5……），在光检测器上得到的是相消的干涉信号。当两面平面镜严格垂直时为等倾干涉，其干涉光可以在屏幕上接收为圆环形的等倾条纹；而当两面平面镜不严格垂直时是等厚干涉，可以得到以等厚交线为中心对称的直等厚条纹。在光波的干涉中能量被重新分布，相消干涉位置的光能量被转移到相长干涉的位置，而总能量总保持守恒。

报告成绩（满分30分）：______________  指导教师签名：_________________  日期：___________________

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大学物理实验预习报告

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【实验名称】迈克耳孙干涉仪

【目的要求】

1.       掌握M-干涉仪的调节方法;

2.       调出非定域干涉和定域干涉条纹;

3.       了解各类型干涉条纹的形成条件, 花纹特点, 变化规律及相互间的区别;

4.       用M-干涉仪测量气体折射率.

【仪器用具】

M-干涉仪(旧仪器第3组), He-Ne激光器及其电源, 扩束透镜, 小孔光阑, 白炽灯, 毛玻璃, 小气室, 打气皮囊, 气压表, 凸透镜.

【实验原理】

1.M-干涉仪光路

M-干涉仪是一种分振幅双光束的干涉仪. 其光路如图. 期中M1可以移动. G1为分束板.  

2.干涉花纹的图样

(1)    点光源照明——非定域干涉条纹

考虑虚光源S1和S2’. 若毛玻璃垂直于两者连线, 则得到圆条纹; 若毛玻璃垂直于两者的垂直平分线, 则得到线条纹; 若其它情况, 则得到椭圆或双曲线条纹.

非定域圆条纹特性:

.............................................................. .(i)

亮纹条件:

.............................................................................. .(ii)

条纹间距:

.............................................................................. .(iii)

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实验二十八 迈克耳孙干涉仪的调节和使用

【预习题】

1．迈克耳孙干涉仪主要由哪些光学元件组成，各自的作用是什么？

答：迈克耳孙干涉仪主要由分光板G1、补偿板G2、可移动平面反射镜M1和固定平面反射镜M24种光学元件组成。G1的作用是将一束光分成强度大致相同的两束光——反射光（1）和透射光（2）；G2的材料和厚度与G1相同，作用是补偿光束（2）的光程，使光束（2）与光束（1）在玻璃中走过的光程大致相同；M1的作用是反射（1）光；M2的作用是反射（2）光。

2．怎样调节可以得到等倾干涉条纹？怎样调节可以得到等厚干涉条纹？ 答：当M1、M2严格垂直时，调出的圆条纹为等倾干涉条纹。当M1、M2不垂直时，调出的干涉条纹为等厚干涉条纹。

3．如何用He一Ne激光调出非定域的等倾干涉条纹？在调节和测其波长时要注意什么？

答：① 用He一Ne激光调出非定域的等倾干涉条纹的方法如下：

（1）调节He一Ne激光束大致与平面镜M2垂直。

（2）遮住平面镜M1，用自准直法调节M2背后的三个微调螺丝，使由M2反射回来的一组光点象中的最亮点返回激光器中，此时入射光大致垂直平面镜M2。

（3）遮住平面镜M2，调节平面镜M1背后的三个微调螺丝，使由M1反射回来的一组光点象中的最亮点返回激光器中，使平面镜M1和M2大致垂直。

（4）观察由平面镜M1、M2反射在观察屏上的两组光点象，再仔细微调M1、M2背后的三个调节螺丝，使两组光点象中最亮的两点完全重合。

（5）在光源和分光板G1之间放一扩束镜，则在观察屏上就会出现干涉条纹。缓慢、细心地调节平面镜M2下端的两个相互垂直的拉簧微调螺丝，使同心干涉条纹位于观察屏中心。

② 在测量He-Ne激光波长时要注意：眼睛不要正对着激光束观察，以免损伤视力。

【思考题】

1．迈克耳孙干涉仪观察到的圆条纹和牛顿环的圆条纹有何本质不同？

答：迈克尔逊干涉仪观察到的圆条纹是等倾干涉条纹，且条纹级次中心高边缘低；而牛顿环的圆条纹为等厚干涉条纹，条纹级次是中心低边缘高。

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