迈克尔逊干涉仪

图3-16-1光路图迈克尔逊干涉仪姓名：祝文学院：第一临床医学院班级：麻醉131班学号：6301613030一.实验目的（1）了解迈克尔逊干涉仪的光学结构及干涉原理，学习其调节和使用方法；（2）学习一种测定光波波长的方法，加深对等倾、等厚干涉的理解。二.实验仪器迈克尔逊干涉仪、He-Ne激光器。三.实验原理迈克尔逊干涉仪是l883年美国物理学家迈克尔逊（A.A.Michelson）和莫雷（E.W.Morley）合作，为研究“以太漂移实验而设计制造出来的精密光学仪器。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。后人利用该仪器的原理，研究出了多种专用干涉仪，这些干涉仪在近代物理和近代计量技术中被广泛应用。1.干涉仪的光学结构迈克尔逊干涉仪的光路和结构如图3-16-1与3-16-2所示。M1、M2是一对精密磨光的平面反射镜，M1的位置是固定的，M2可沿导轨前后移动。G1、G2是厚度和折射率都完全相同的一对平行玻璃板，与M1、M2均成45°角。G1的一个表面镀有半反射、半透射膜A，使射到其上的光线分为光强度差不多相等的反射光和透射光；G1称为分光板。当光照到G1上时，在半透膜上分成相互垂直的两束光，透射光（1）射到M1，经M1反射后，透过G2，在G1的半透膜上反射后射向E；反射光（2）射到M2，经M2反射后，透过G1射向E。由于光线（2）前后共通过G1三次，而光线（1）只通过G1一次，有了G2，它们在玻璃中的光程便相等了，于是计算这两束光的光程差时，只需计算两束光在空气中的光程差就可以了，所以G2称为补偿板。当观察者从E处向G1看去时，除直接看到M2外还看到M1的像M1ˊ。于是（1）、（2）两束光如同从M2与M1ˊ反射来的，因此迈克尔逊干涉仪中所产生的干涉和M1´～M2间“形成”的空气薄膜的干涉等效。反射镜M2的移动采用蜗轮蜗杆传动系统，转动粗调手轮（2）可以实现粗调。M2移动距离的毫米数可在机体侧面的毫米刻度尺（5）上读得。通过读数窗口，在刻度盘（3）上可读到0.01mm；转动微调手轮（1）可实现微调，微调手轮的分度值为1×10-4mm。可估读到10-5mm。M1、M2背面各有3个螺钉可以用来粗调M1和M2的倾度，倾度的微调是通过调节水平微调（15）和竖直微调螺丝（16）来实现的。2.单色点光源的非定域干涉本实验用He-Ne激光器作为光源（见图3-16-3），激光通过短焦距透镜L汇聚成一个强度很高的点光源S，射向迈克尔逊干涉仪，点光源经平面镜M2、M2反射后，相当于由两个点光源S1ˊ和S2ˊ发出的相干光束。Sˊ是S的等效光源，是经半反射面A所成的虚像。S1′是S′经M1′所成的虚像。S2′是S′经M2所成的虚像。由图3-16-3可知，只要观察屏放在两点光源发出光波的重叠区域内，都能看到干涉现象，故这种干涉称为非定域干涉。如果M2与M1′严格平行，且把观察屏放在垂直于S1′和S2′的连线上，就能看到一组明暗相间的同心圆干涉环，其圆心位于S1′S2′轴线与屏的交点P0处，从图3-16-4可以看出P0处的光程差Δ=2d，屏上其它任意点P′或P″的光程差近似为cos2d（3-16-1）式中为S2′射到P″点的光线与M2法线之间的夹角。当kdcos2时，为明纹；当2/)12(cos2kd时，为暗纹。由图3-16-4可以看出，以P0为圆心的圆环是从虚光源发出的倾角相同的光线干涉的结果，因此，称为“等倾干涉条纹”。由（3-16-4）式可知=0时光程差最大，即圆心P0处干涉环级次最高，越向边缘级次越低。当d增加时，干涉环中心级次将增高，条纹沿半径向外移动，即可看到干涉环从中心“冒”出；反之当d减小，干涉环向中心“缩”进去。1—微调手轮；2—粗调手轮；3—刻度盘；4—丝杆啮合螺母；5—毫米刻度尺；6—丝杆；7—导轨；8—丝杆顶进螺帽；9—调平螺丝；10—锁紧螺丝；11—可动镜M2；12—观察屏；13—倾度粗调；14—固定镜M1；15—倾度微调；16—倾度微调；17—G1、G2图3-16-2迈克尔逊干涉仪结构图由明纹条件可知，当干涉环中心为明纹时，Δ=2d=kλ。此时若移动M2（改变d)，环心处条纹的级次相应改变，当d每改变λ/2距离，环心就冒出或缩进一条环纹。若M2移动距离为Δd，相应冒出或缩进的干涉环条纹数为N，则有2NdNllNd)(2221（3-16-2）式中21ll、分别为M2移动前后的位置读数。实验中只要读出21ll、和N，即可由（3-16-2）式求出波长。由明纹条件推知，相邻两条纹的角间距为dd2sin2当d增大时变小，条纹变细变密；当d减小时增大，条纹变粗变疏。所以离环心近处条纹粗而疏，离环心远处条纹细而密。图3-16-4电光源产生的等倾干涉条纹图3-16-3点光源干涉光路图四．应用及前景1.微小位移量和微振动的测量：采用迈克尔逊干涉技术,通过测量ＫＤＰ晶体生长的法向速率和台阶斜率来研究其台阶生长的动力学系数、台阶自由能、溶质在边界层内的扩散特征以及激发晶体生长台阶的位错活性。He-Ne激光器的激光通过扩束和准直后射向分束镜,参考光和物光分别由反射镜和晶体表面反射,两束光在重叠区的干涉条纹通过物镜成像,该像用摄像机和录像机进行观察和记录.滤膜用于平衡参考光和物光的强度。2.角度测量：依照正弦原理改型设计迈克尔逊干涉仪，可以完成小角度测量。仪器的两个反射镜由三棱镜代替，反射镜组安装在标准被测转动器件的转动台上。被测转角依照正弦原理转化成反射镜组两个立体棱镜的相应线位移,而后进行干涉测量，小角度干涉仪测角分辨率达到10-3角秒量级。在王贵甫等人设计的角度测量仪中，两个反射镜都是平面镜，但动镜被固定到一个转台上，通过转台将转动角位移转换成迈克尔逊测长仪能够测量的线位移。从而把角度旋转转变为位移移动，从而用干涉仪测出角度的变化。3.薄透明体的厚度及折射率的同时测量：目前各大学使用迈克尔逊干涉仪只测量已知厚度的薄膜的折射率或已知薄膜的折射率再测量它的厚度，赵斌经研究得出：可同时测量薄透明体厚度及折射率。其方法是：在不放薄膜时调出白光干涉条纹，而后插入透明薄膜，在薄膜与光线垂直时调出白光干涉条纹后,记录此时动镜移动的距离，再将薄膜偏转α角（45°比较方便）,再调出白光干涉条纹，再记录动镜移动的距离。通过动镜这两次移动的距离和薄膜的偏转角，就可以同时计算出待测薄膜的厚度和折射率。4.气体浓度的测量：在迈克尔逊干涉仪的参考光路中，放入一个透明气体室，利用白炽灯做光源,在光程差为零的附近观察到对称的几条彩色条纹,中间的黑色条纹是等光程(Δ=0)精确位置。利用通入气体前后等光程位置的改变量，计算出气体的折射率，再利用气体的折射率与气体浓度的关系，计算出气体浓度。5.引力波探测(超大型迈克尔逊干涉仪)：引力波存在是广义相对论最重要的预言，对爱因斯坦引力波的探测是近一个世纪以来最重大的基础探索项目之一。目前还没有直接证据来证明引力波的存在。目前，许多科学家正致力于利用激光干涉引力波探测仪来探测引力波。该仪器的主体是一台激光迈克尔逊干涉仪。在无引力波存在时，调整臂长使从互相垂直的两臂返回的两束相干光在分光镜处相干减弱，输出端的光电二极管接收的是暗纹，无输出信号。引力波的到来会使一个臂伸长另一臂缩短，使两束相干光有了光程差，破坏了相干减弱的初始条件，光电二极管有信号输出，该信号的大小与引力波的强度成正比。20世纪90年代中期，华盛顿州的Hanford和路易斯安娜州的Livingston开始建造引力波探测站，并于21世纪初相继建成臂长4000米、2000米的激光干涉仪引力波探测仪。据估计，引力波探测极有可能在今后10-20年内取得重大突破。6.光纤迈克尔逊干涉仪的应用：（1）混凝土内部应变的测量：（2）地震波加速度的测量；（3）温度的测量，透明液体、固体折射率或与折射率相关的浓度的测量。7.作为其它仪器的核心部分，如傅里叶红外吸收光谱仪、干涉成象光谱技术、光学相干层析成像系统、微型集成迈克尔逊干涉仪等。8.迈克尔逊干涉仪在其它方面的应用：利用等厚干涉条纹测量微光的调制传递函数ＭＴＦ：利用迈克尔逊干涉仪产生一系列空间频率的等厚干涉条纹来模拟分辨率板的作用,在计算机的控制下,自动测量出连续的ＭＴＦ曲线。给出的实验光路和实验结果表明,利用干涉条纹测量微光的ＭＴＦ是一种可行的简便方法,在计算机的控制下,可快速完成夜视仪的传递函数测量。利用迈克尔逊干涉仪测量光学球面的曲率半径：利用迈克尔逊干涉仪的白光干涉零级暗条纹测出平面与被测球面相交的圆直径及相应的高值后,便可求得球面曲率半径.测量过程中无测量力的影响,也不会损坏被测件表面,而且测量时对被测件安装定位无特殊要求,误差环节少,具有实用意义。超短脉冲激光测量的标定方法利用迈克尔逊干涉光路的相对光程差,产生已知时间间隔,作为时间基准对皮秒、飞秒激光脉冲的测量进行了标定。