迈克尔逊干涉仪论文

演示物理课程论文1迈克尔逊干涉仪实验介绍1引言迈克尔逊干涉仪是迈克尔逊1881年为了研究光速问题而精心设计的装置。它是一种利用分振幅法产生双光束来实现干涉的精密光学装置。它将一路光分解成相互垂直的两路相干光，然后分别通过反射再重新汇聚在另一个方向上。基于其结构原因，它是光源、两个反射镜和接收器（屏或眼睛）四者空间完全分立，东南西北各据一方，这样很容易在光路中安插其它器件。如利用白光测玻璃折射率，测定气体折射率等。迈克尔逊干涉仪还可以使等厚干涉、等倾干涉及各种条纹的变动做到非常易于调整，很方便地进行各种精密测量。它设计精巧，用途广泛，在许多科研领域都能看到它的身影。如在光谱线精细结构的研究和用光波标定标准米尺，比较块规长度，比较滚珠直径，测量固体材料的热膨胀系数，检查高质量表面的平整度，透明材料两表面的平行度和透镜的面型，测量液体的折射率等等。它不但在现代光学实验中大量使用，同时在近代物理及计量技术中也同样有其应用的价值。本课程论文将以实际的迈克尔逊干涉仪实验为基础，展示了迈克尔逊干涉仪的原理及其应用。2实验原理及装置图一是迈克尔逊干涉仪的原理结构示意图：图一迈克尔逊干涉仪原理图来自光源S的光经分光板P1分成强度大致相等而在不同方向传播的两束光(1)和(2)，它们分别由反射镜M1、M2反射后，又经过分光板P1射向观察系统，由于(1)和(2)两束光是相干光波，所以在观察系统中将见到该两光束的干涉图样。图二等效光路及其所观察到的干涉图样演示物理课程论文2实验中所用到的实际迈克尔逊干涉仪的装置图如图三所示。图三迈克尔逊干涉仪实验装置图1、动镜部2、分束板3、气室部4、定镜部5、扩束镜6、光源7、观察屏仪器的安装与调整过程如下：（1）将迈克尔逊干涉仪主体机摆放在平稳、水平的工作台上。有铭牌一侧朝向用户。（2）取出一维可调升降底座、He-Ne激光器及电源，将激光器、电源与底座连接固定好后放在主机左侧。（3）可直接通过外壳观察干涉条纹。（4）将观察屏插入用户一侧的套筒内。（5）点亮激光器，即可开始实验。3实验内容首先，按‘安装’步骤完成实验前的准备工作。调整激光器一维升降底座使激光束刚好通过分束板分成两束激光分别照射到动、定反射镜的正中心。调整动镜后的二维调节手钮，使反射后的光束正好照射到观察屏的中心。同样调整定镜后的3颗手钮，使反射后的光束也照射到观察屏的中心，并与动镜反射光斑重合（主要看两组中最亮的两个点重合）。3.1观察点光源非定域干涉接前步骤，将短焦距扩束镜放在激光器和出光点上。使激光束会聚成点光源照亮分束板。这时在观察屏处便可看到干涉条纹。仔细调节各旋钮，使干涉条纹呈圆环，并将圆环中心调到观察屏中心。轻轻转动微调手轮，使动镜前后移动，便可观察到干涉条纹“吞”“吐”变化情况。相邻两条纹的角间距为：/2sind，其中d为两反射镜间空气薄膜厚度，θ为点光源发出的光线的倾角。根据以上公式可推出：d愈小，条纹间距愈大，θ愈小，条纹间距愈大，即干涉条纹中间疏边缘密。靠边缘的干涉条纹级次低，愈向中心级次愈高，中心级次最高。实际实验中观察到的迈克尔逊干涉图样如图四所示。演示物理课程论文3图四迈克尔逊干涉仪的干涉图样3.2观察等厚干涉条纹适量调节动镜后的左右旋转调节螺钉，这时定镜与动镜不在垂直，即定镜与动镜的像相距很近，并具有很小的夹角ϕ，这时两平面间形成空气劈尖。当用扩展光源照射时，就会于反射镜表面附近产生明暗相间的平行直线状干涉条纹。相临干涉条纹的间距相等。因为角很小，两光束间的光程差近似地用2cosd表示，式中d为厚度，θ为入射角。在定镜与动镜像相交处d=0，光程差为零，应出现直线亮条纹，称为中央条纹。因为θ很小，式中cosθ≈1，所以干涉条纹大体上是与中央明纹平行且等距离分布的直条纹。离中央明纹较远处，由于θ增大，故条纹发生弯曲，弯曲的方向是凸向中央条纹。图五等厚干涉条纹3.3观察白光干涉现象白光是复合光。根据相干条件可知白光干涉条纹只能在零级附近产生，因为条纹位置与波长有关。对于等厚直线干涉，若用白光源，在定镜与动镜的像相交处d=0,对各波长的光来说，其光程差均为λ/2，故产生直线形暗纹，即所谓中央条纹，在两旁有十几条对称分布的彩色条纹。当d稍大时因各种不同波长的光，其满足明暗条纹条件的情况不同，故明暗条纹相互重叠，结果就显不出条纹来。由于白光干涉条纹较少，必须仔细地调节才能观察到。实验中观察到的白光干涉现象如图六所示。图六实验中观察的白光干涉图样演示物理课程论文43.4测量He-Ne激光的波长在调出清晰的He-Ne激光非定域圆条纹的基础上。记下大测微螺旋初始读数d0，沿同一方向转动测微螺旋，同时默数冒出或消失的条纹，每50环记一次读数d1，直测到第250环为止，用逐差法计算出Δd。因每个环的变化相当于动镜移动了半个波长的距离，若观察到ΔN个环的变化，则移动距离10ddd21ddd……2Nd故2dN这里ΔN就是条纹变化的数目50条，将变量代入即可求出波长λ。因Δd是通过从大测微螺旋上算出，则公式的右方还需乘比例系数0.04下面提供一次实际实验中所得的数据来计算当时所用的He-Ne激光光源的波长：测量数据d0d1d2d3d4d5读数(mm)4.3004.7105.1705.5705.9316.253ΔN050100150200250利用逐差法求得He-Ne激光波长为5230220.04630.22503iiddnm查实验手册可知，He-Ne激光器参考波长为632.8nm，故实验所测得的激光波长误差仅在0.41%以内，可以看出测量结果非常好。4结语本论文以一个实际的迈克尔逊干涉仪实验为基础，简略介绍了迈克尔逊干涉仪的原理、装置图以及实验流程，并通过实验得到的数据验证了迈克尔逊干涉仪测波长的作用。写作本论文的过程使我对迈克尔逊干涉仪的理解更加深刻，也增进了对精密测量的了解。