迈克尔逊干涉仪专题实验

摘要：

迈克耳逊制造的迈克耳逊干涉仪对光学和近代物理做出了巨大的贡献，用来测定微小的长度，折射率，光波波长等，也是现代光学仪器如傅立叶光谱仪等仪器的组成部分，在研究光谱线方面有着重要的作用。

迈克耳孙干涉仪的原理是一束入射光分为两束后各自被对应的平面镜反射回来，这两束光从而能够发生干涉。

迈克尔逊专题实验的主要任务就是测量侧钠双线波长差和玻璃折射率。

关键词：

迈克尔逊干涉仪 干涉条纹 折射率 钠光双线波长差

背景：

迈克耳逊制造的迈克耳逊干涉仪对光学和近代物理做出了巨大的贡献，用来测定微小的长度，折射率，光波波长等，也是现代光学仪器如傅立叶光谱仪等仪器的组成部分，在研究光谱线方面有着重要的作用。迈克耳逊曾与他的合作者用这个仪器作了三项著名的试验：1，迈克耳逊—莫雷实验，为爱因斯坦创立相对论提供了实验依据；2，镉红线的发现实现了长度单位的标准化；3，由干涉仪条纹可见度随光程变化的规律，可推断光谱线的精细结构。

  迈克耳孙干涉仪的最著名应用即是它在迈克耳孙-莫雷实验中对以太风观测中所得到的零结果，这朵十九世纪末经典物理学天空中的乌云为狭义相对论的基本假设提供了实验依据。除此之外，由于激光干涉仪能够非常精确地测量干涉中的光程差，在当今的引力波探测中迈克耳孙干涉仪以及其他种类的干涉仪都得到了相当广泛的应用。激光干涉引力波天文台（LIGO）等诸多地面激光干涉引力波探测器的基本原理就是通过迈克耳孙干涉仪来测量由引力波引起的激光的光程变化，而在计划中的激光干涉空间天线（LISA）中，应用迈克耳孙干涉仪原理的基本构想也已经被提出。迈克耳孙干涉仪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。迈克耳孙干涉仪还在延迟干涉仪，即光学差分相移键控解调器（Optical DPSK）的制造中有所应用，这种解调器可以在波分复用网络中将相位调制转换成振幅调制。

论述

1、        理论：

迈克耳孙干涉仪的原理是一束入射光分为两束后各自被对应的平面镜反射回来，这两束光从而能够发生干涉。干涉中两束光的不同光程可以通过调节干涉臂长度以及改变介质的折射率来实现，从而能够形成不同的干涉图样。干涉条纹是等光程差点的轨迹，因此，要分析某种干涉产生的图样，必求出相干光的光程差位置分布的函数。

若干涉条纹发生移动，一定是场点对应的光程差发生了变化，引起光程差变化的原因，可能是光线长度L发生变化，或是光路中某段介质的折射率n发生了变化，或是薄膜的厚度e发生了变化。

2、试验方法：

1、 测量钠光双线波长差：利用迈克尔逊干涉仪，以钠光灯作为光源调出定域等倾圆条纹。转动微调手轮，记录等数量个条纹“冒出”或者“陷入”时的Δd利用△d=N(λ/2)计算出钠光平均波长。继续转动微调手轮，直到视场中的的条纹由清晰变到模糊再到清晰，每一个循环记录一次干涉仪的数据。由公式λ1—λ2=测定波长差。

2、 白光干涉测量平板折射率：以白炽灯作为光源，先调出白光干涉条纹，记下此时干涉仪的读数d1，在M1镜前放置一玻璃板，继续转动微调手轮，直到再次出现干涉条纹时记下读数d2。d1—d2记为。用游标卡尺测量玻璃板厚度l，6次取平均值。利用公式n=1+算出平板折射率

3、 法布里-珀罗干涉仪测钠光双线波长差：调节法布里-珀罗干涉仪，使视场中出现条纹，调节到合适大小后，换用望远镜观察。向一个方向旋转微调手轮，随着d的增大，两条纹会出现错开或者重叠的现象，记录6次错开或重叠时所移动的距离，利用

λ1—λ2=计算钠光双线波长差。

结论

   

迈克尔逊专题实验的主要任务就是测量侧钠双线波长差和玻璃折射率。在实验过程中，主要是调节与观察。调节就是对粗调与微调手轮的调节来改变两反射镜的距离，调节反射镜背后的旋钮使两反射镜平行。观察是指对玻璃片或是望远镜上所成的像的观察，主要是对随时可能出现的条纹的观察。在调节的过程中要注意观察实验现象，说起来似乎很简单，做起来却很难，例如，调节使两玻璃片平行，才能看到干涉条纹，调节平行是很不容易的。又如，调节圆形条纹使之到合适大小，稍微不注意，条纹就会消失，需要重头再来。再如观察条纹出现，由于条纹一闪即逝，所以必须慢慢调节仔细观察，一旦错过而没有观察到只能从头再来。可见这个实验是有一定难度的。

参考资料：

1，赵凯华，钟锡华，《光学》，北京大学出版社，2005。2，谢行恕，康世秀，霍剑青，《大学物理实验》第二册，高等教育出版社，2005。3，杨淑武《普通物理实验》，高等教育出版社，2000。4，《大学物理实验—光学部分》，西南七所高等院校合编，西南师范大学出版社。

第二篇：迈克尔逊干涉仪实验中碰到的问题及其处理方法

迈克尔逊干涉仪实验

1. 观察点光源非定域干涉时，屏上只看到一大片光斑，看不到干涉条纹，怎

么办？

移走扩束镜，调节激光管方位，配合调M1、M2后螺钉，使由M1、M2反射的最亮

光点能大致回到激光管中，此时入射光与分光板成45°角。 然后重新微调M1、M2后面的螺钉，使得屏上两排光点中最亮光点完全重合，重合的标准是最亮光点

中出现细条纹（其它光点也有细条纹），再放上扩束镜，屏上必看到干涉条纹。

2. 观察点光源非定域干涉时，屏上只看到干涉圆弧，没看到干涉圆环，怎么

办？

调节水平拉簧螺钉和垂直拉簧螺钉，使干涉条纹往变粗变稀方向移动，必可调出干涉圆环的圆心。

3. 调节微调旋钮时，没看到圆环“冒出”或“缩进”，怎么办？

原因：可能是微调旋钮与移动可动镜M1的精密丝杆之间出现了“滑丝”。 办法：可调节粗调大手轮，使M1重新移到一个粗调位置，再使微调手轮多转几

圈，确保微动鼓轮螺帽与螺杆间无间隙（空程误差），转动微动鼓轮，必可看到圆环“冒出”或“缩进”现象。

每次正式测量读数前，为防止空程误差，也应使微动鼓轮多转几圈，看到圆环“冒”或“缩”时才往一个方向转动读数，中途中微动鼓轮不能反转。

4. 如何对M1位置进行读数？

该读数由三部分组成：①标尺读数，只读出整毫米数即可，不需估读；②粗调大手轮读数，直接由窗口读出毫米的百分位，也不需估读；③微动鼓轮读数，由微动鼓轮旁刻度读出，需要估读一位，把读数（格数）乘10-4即毫米数。M1位置读数为上三读数之和。

5.什么是定域干涉？什么是非定域干涉？

干涉条纹是定域还是非定域的，取决于光源的大小。如果是点光源，条纹是非定域的，在平面镜M1M2反射光波重叠区域内都能看到干涉条纹。如果在扩束镜与

分光板间放一毛玻璃，则点光源发出的球面波经毛玻璃散射成为扩展面光源，条纹则是定域干涉（等倾干涉条纹）。

6.迈克耳逊干涉仪中补偿板、分光板的作用是什么？

分光板是后表面镀有半反射银膜的玻璃板，激光入射后经半反射膜能分解为两束强度近似相等光线。

补偿板是折射率和厚度与分光板完全相同的玻璃板，使分光板分解的两束光再次相遇时在玻璃板中通过相同的光程，这样两光束的光程差就和在玻璃中的光程无关了。

7.当反射镜M1和M2不严格垂直时，在屏上观察到的干涉条纹分布具有什么特

点？

此时M1与M2'之间形成一楔形空气薄层，用平行光照射将产生等厚干涉条纹，

即空气层厚度相同的点光程差相同构成同一级干涉条纹，这些条纹是一系列等间距的直条纹。

8.为什么不能用眼睛直接观察未扩束的激光束？

因为没有扩束的激光能量集中，光强较大，直接射入眼内会使视网膜形成永久性的伤害。

9.在迈克耳逊干涉仪实验中，用激光作光源的调整过程中，看到的是两排光点还是两个光点？为什么？

实验中看到的是两排光点，因为光线在玻璃板与平面镜之间有多次反射。实验中只需调节两排光点中最亮光点即可。

10.实验中为什么用逐差法处理实验数据？

本实验采用分组隔项逐差法，可以充分利用所测数据，更好的估算最佳值，更合理地估算测量误差及不确定度。