研究性物理实验报告

迈克尔逊干涉仪实验误差定量分析

及其他应用

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第一作者

第二作者

摘  要

   迈克尔逊干涉仪是光学干涉仪中最常见的一种，是美国物理学家阿尔伯特?迈克尔逊于1881年为研究光速问题而精心设计的精密光学仪器，它利用分振幅法产生双光束以实现干涉，通过调整该干涉仪，可以产生等厚干涉条纹，也可以产生等倾干涉条纹。迈克尔逊干涉仪利用光的波长为参照，首次把人类的测量精度精确到纳米级，在近代物理学和近代计量科学中，具有重大的影响，更是得到了广泛应用，特别是20世纪60年代激光出现以后，各种应用就更为广泛。用它可以高度准确地测定微小长度、光的波长、透明体的折射率等。本文主要就利用迈克尔逊干涉仪测量激光波长的实验进行讨论，提出改进，并简要表述迈克尔逊干涉仪的其他应用。

关键字：干涉仪 误差 应用

Abstract

  Michelson interferometer is one of the most common form of  optical interferometer, which is designed by American physicist Michelson (AAMichelson) in 1881 to study the problem of the speed of light . It determines the small length, the wavelength of light and the refractive index of a transparent body with high accuracy. This article focuses on the use of laser wavelength Michelson interferometer experiment discussed and the specific circumstances of the experimental reflection and discussion.

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迈克尔逊干涉实验

                       39042122  吴淼

摘要：迈克尔逊干涉仪是一个经典迈克尔逊和莫雷设计制造出来的精密光学仪器，在近代物理和近代计量技术中都有着重要的应用。通过迈克尔逊干涉的实验，我们可以熟悉迈克尔逊干涉仪的结构并掌握其调整方法，认识电光源非定域干涉条纹的形成与特点，部分从并利用干涉条纹的变化测定光源的波长。

实验原理：

    (1)迈克尔逊干涉仪的光路

迈克尔逊干涉仪的光路图如图（一）所示。从光源S发出的一束光摄在分束板G1上，将光束分为两部分：一部分从G1半反射膜处反射，射向平面镜M2；另一部分从G1透射，射向平面镜M1。因G1和全反射平面镜M1、M2均成45°角，所以两束光均垂直射到M1、M2上。从M2反射回来的光，透过半反射膜；从M2反射回来的光，为半反射膜反射。二者汇集成一束光，在E处即可观察到干涉条纹。光路中另一平行平板G2与G1平行，其材料厚度与G1完 全相同，以补偿两束光的光程差，称为补偿板。在光路中，M1’是M1被G1半反射膜反射所形成的虚像，两束相干光相当于从M1’和M2反射而来，迈克尔逊干涉仪产生的干涉条纹如同M2和M1’之间的空气膜所产生的干涉条纹一样。

（2）单色电光源的非定域干涉条纹

M2平行M1’且相距为d，S发出的光对M2来说，如S’发出的光，而对于E处的观察者来说，S’如位于S2’一样。又由于半反射膜G的作用，M1如同处于S1’的位置，所以E处观察到的干涉条纹，犹如S1’、S2’发出的球面波，它们在空间处处相干，把观察屏放在E空间不同位置，都可以看到干涉花纹，因此

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迈克尔逊干涉仪专题实验报告

摘要：本文主要讨论了迈克尔逊干涉仪三个相关实验测量的具体过程

     和实验中遇到的问题及相应的解决方案，总结了三个实验的相

     关经验及实验中存在的相关误差的分析。

关键词：迈克尔逊干涉仪、测量钠光双线波长差、测量玻璃折射率。

正文

一、背景及相关介绍：

     迈克尔逊干涉仪是1883年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作，为研究“以太”漂移而设计制造出来的精密光学仪器。它是利用分振幅法产生双光束以实现干涉。通过调整该干涉仪，可以产生等厚干涉条纹，也可以产生等倾干涉条纹。主要用于长度和折射率的测量，此外它还被应用于寻找太阳系外行星的探测中，虽然在这种探测中马赫-曾特干涉仪的应用更加广泛。在光谱学中，应用精确的迈克尔逊干涉仪或法布里-珀罗干涉仪，可以准确而详细地测定谱线的波长及其精细结构。

二、实验原理及实验过程：

1、实验原理：

     三个实验均是通过调整从同一光源发出的两条相干光线到视野的光程差，找到光源发生干涉现象的距离。之后，通过精密的仪器测量和理论推导的公式求出波长、双线波长差或测量玻璃的折射率等。

其中：

     ⑴测量钠光双线波长差：

（注：λ1 =589.6nm  λ2=589.0nm  Δd：两次最模糊或最清晰M1

      所移动的距离）

     ⑵白光测量玻璃的折射率：

2、实验过程中仪器调整应注意的问题：

   ⑴迈克尔逊干涉仪的测前调整：

     首先要使用激光来微调M1和M2使其相互垂直，用眼睛观察M1中的两排激光点依次对应（亮度最强的相互对应，亮度弱的相互对应）。使用激光的目的是因为激光的强度高且不易发生色散。调整的过程中要注意M1和M2后的6个旋钮要同时地进行微调，不能仅适用一面镜子后的旋钮。注意：此步的精准程度直接影响到后面干涉现象是否能出现。

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HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY

物理实验报告

实验题目：     迈克尔逊干涉仪             

姓       名：                               

物理实验教学中心

实 验 报 告

一、实验题目：迈克尔逊干涉仪

二、实验目的：

1. 了解迈克尔逊干涉仪的结构、原理和调节方法；

2. 观察等倾干涉、等厚干涉现象；

3. 利用迈克尔逊干涉仪测量He-Ne激光器的波长；

三、实验仪器：

迈克尔逊干涉仪、He-Ne激光器、扩束镜、观察屏、小孔光阑

四、实验原理（原理图、公式推导和文字说明）：

在图M₂′是镜子M₂经A面反射所成的虚像。调整好的迈克尔逊干涉仪，在标准状态下M₁、M₂′互相平行，设其间距为d.。用凸透镜会聚后的点光源S是一个很强的单色光源，其光线经M₁、M₂反射后的光束等效于两个虚光源S₁、S₂′发出的相干光束，而S₁、S₂′的间距为M₁、M₂′的间距的两倍，即2d。虚光源S₁、S₂′发出的球面波将在它们相遇的空间处处相干，呈现非定域干涉现象，其干涉花纹在空间不同的位置将可能是圆形环纹、椭圆形环纹或弧形的干涉条纹。通常将观察屏F安放在垂直于S₁、S₂′的连线方位，屏至S₂′的距离为R，屏上干涉花纹为一组同心的圆环，圆心为O。

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迈克尔逊干涉仪的调整与应用

 

1.  原始数据及处理

1.1 测量钠光灯波长（）

不确定度计算：

=0.00010,   

=0.00011

=4.4,   =0.74%.

1.2 双线的波长差：

2．思考题及分析：

2.1、为什么白光干涉不易观察到？

答：两光束能产生干涉现象除满足同频、同向、相位差恒定三个条件外，其光程差还必须小于其相干长度。而白光的相干长度只有微米量级，所以只能在零光程附近才能观察到白光干涉。

2.2、为什么M1和M2没有严格垂直时，眼睛移动干涉条纹会吞吐？

答：因为没有严格垂直时，会形成一个披肩状的光学腔。各处的光程差不相同，其干涉条纹的级数也会不同。所以眼睛移动时，干涉条纹会吞吐。

2.3、讨论干涉条纹吐出或吞入时的光程差变化情况。

答：吞入时，光程差变小。而吐出时，光程差则变大。

2.4、为什么要加补偿板？

答：因为分束板的加入，使其中一路光束比另一光束附加了一定的光程。所以加入与分束板厚度相同的补偿板来补偿这部分光程差。

2.5、如何设计一个实验，利用迈克尔逊干涉仪测玻璃的折射率？

答：以白光发生干涉现象时，确定零光程处。测定在光路中加入玻璃与否，白光产生干涉时M₂镜移动的距离。再根据所加入玻璃的厚度，计算出玻璃的折射率。

2.6、试根据迈克尔逊干涉仪的光路，说明各光学元件的作用，并简要叙述调出等倾干涉、等厚干涉和白光干涉条纹的条件及程序．

答：分束板：将光束分为两路光束。补偿板：补偿因分束板产生的光程差。粗调螺丝：调节镜的方位，使其与镜大致垂直。细调拉丝：精密调节镜的方位，使使其与镜严格垂直。鼓轮：调节镜的位置，使光学腔的厚度改变。

等倾干涉：光学腔应严格平行。等厚干涉：此时光学腔为披肩状。白光干涉：零光程处附近。

2.7、如何利用干涉条纹“吞”、“吐”现象，测定单色光的波长?

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 基础物理实验研究性报告

  迈克尔逊干涉实验

作者姓名 刘品

学号 11031154

所在院系 自动化科学与电气工程学院

攻读专业 自动化专业

20##年12月11日

目录

摘要................................................................................................................................1

Abstract ..........................................................................................................................1

1 实验原理....................................................................................................................2

1.1迈克尔逊干涉仪的光路............................................................................................2

1.2单色点光源的非定域干涉条纹................................................................................2

1.2单色点光源的非定域干涉条纹................................................................................3

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迈克耳逊干涉仪

一.  实验目的

1.      了解迈克尔逊干涉仪的结构和原理，掌握调节方法；

2.     用迈克尔逊干涉仪测量钠光波长和精细结构。

二.  实验仪器

迈克尔逊干涉仪、钠光灯、透镜等。

三.  实验原理

迈克耳孙干涉仪原理如图所示。两平面反射镜M1、M2、光源 S和观察点E（或接收屏）四者北东西南各据一方。M1、M2相互垂直，M2是固定的，M1可沿导轨做精密移动。G1和G2是两块材料相同薄厚均匀相等的平行玻璃片。G1的一个表面上镀有半透明的薄银层或铝层，形成半反半透膜，可使入射光分成强度基本相等的两束光，称G1为分光板。G2与G1平行，以保证两束光在玻璃中所走的光程完全相等且与入射光的波长无关，保证仪器能 够观察单、复色光的干涉。可见G2作为补偿光程用，故称之为补偿板。G1、G2与平面镜M1、M2倾斜成45°角。

  

如上图所示一束光入射到G1上，被G1分为反射光和透射光，这两束光分别经M1和M2反射后又沿原路返回，在分化板后表面分别被透射和反射，于E处相遇后成为相干光，可以产生干涉现象。图中M´2是平面镜M2由半反膜形成的虚像。观察者从E处去看，经M2反射的光好像是从M´2来的。因此干涉仪所产生的干涉和由平面M1与M´2之间的空气薄膜所产生的干涉是完全一样 的，在讨论干涉条纹的形成时，只需考察M1和M2两个面所形成的空气薄膜即可。两面相互平行可到面光源在无穷远处产生的等倾干涉，两面有小的夹角可得到面光源在空气膜近处形成的等厚干涉。若光源是点光源，则上述两种情况均可在空间形成非定域干涉。设M1和M´2之间的距离为d，则它们所形成的空气薄膜造成的相干光的光程差近似用下式表示

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