迈克尔逊干涉仪的调整和使用

迈克尔逊干涉仪的调整和使用郑州大学物理实验中心制作人：闫书霞迈克尔逊干涉仪的调整和使用2.实验目的4.实验原理5.实验内容与要求7.注意事项3.预习思考题1.实验简介8.问题与讨论6.数据记录与数据处理实验简介迈干仪是1881年美国物理学家迈克尔逊与其合作者莫雷设计制造出的一种精密光学干涉测量仪器，迈克尔逊曾用此仪器完成了三个著名的实验：否定“以太”的迈克尔逊—莫雷实验、光谱精细结构、用光波波长标定长度单位，在科学发展史上起了很大的作用，迈克尔逊和莫雷因在这方面的杰出成就于1907年获得了诺贝尔物理学奖。迈克尔逊干涉仪结构简单、光路直观、精度高，其调整和使用具有典型性，根据迈干仪基本原理发展的精密干涉测量仪器已经广泛应用于生产和科研领域。因此，了解它的基本结构，掌握其使用方法很有必要。实验目的1.了解迈克尔逊干涉仪的结构和工作原理，掌握其调整方法2.学会用迈克尔逊干涉仪观察非定域干涉、等倾干涉、等厚干涉及白光干涉现象3.学会用迈克尔逊干涉仪测激光波长及钠光双线波长差预习思考题1.非定域干涉、等倾干涉、等厚干涉形成的条件是什么？如何观测到这些干涉条纹？2.如何利用非定域干涉圆条纹测激光的波长3.如何测量钠光谱线双线波长差实验原理1.迈克尔逊干涉仪结构及其光路结构；光路；补偿板；两反射镜方位调节、动镜位置变化及读数动镜位置：**.*****mm粗调手轮读数细调手轮读数主尺读数实验原理2.非定域干涉及激光波长的测量2.1非定域干涉点光源照射时，经M1、M2反射的两束光产生的干涉等效于两个虚光源S1、S2发出的光产生的干涉，虚光源S1、S2发出的光在其相遇的空间处处相干，因此是非定域干涉。用观察屏观察干涉条纹时，在不同的位置可以观察到不同的干涉条纹（如圆、椭圆、双曲线、直线），在迈克尔逊干涉仪的实际情况下，放置屏的空间是有限的，一般能观察到圆和椭圆形状。当把观察屏放在垂直于S1、S2的连线上时，观察到的条纹是一组同心圆。2ddM1Z'2MM2S1S2‘OrPG1实验原理2.2激光波长的测量改变动镜的位置，两束光的光程差发生变化，因此干涉条纹也随之发生变化。当M1、M2之间的距离增大时，条纹向外扩展，圆心处有条纹涌出，当其间的距离减小时，条纹收缩，中心条纹消失。消失或涌出一条干涉条纹，动镜位置的变化为，设消失或涌出N个干涉圆环动镜位置的变化为，则有由上式可知：改变动镜的位置，测出消失或涌出N个干涉圆环对应动镜位置的变化，就可以算出入射光的波长。若用激光作光源，可计算激光的波长。2/d2Nd实验原理3.等倾干涉条纹·sθdM1M2’12由此可知：在d一定时，倾角相同的入射光束，对应同一级干涉条纹，因此称为等倾干涉，倾角相同的光在透镜的焦平面上对应同一干涉圆环，因此其干涉条纹为一组同心圆。用聚焦于无穷远的眼睛直接观察或放置一会聚透镜，在其后焦平面上用观察屏可观察到等倾干涉条纹，'用面光源照射，当∥时，被、反射的两束光互相平行，若用透镜接收这两束光，则这两束光在透镜的焦平面上相遇发生干涉，其光程差为：1M'2M1M'2Mcos2d实验原理4.等厚干涉条纹·sM2’M1θ1221α用面光源照射，当、有一很小角度时，被、反射的两束光在镜面附近相遇发生干涉，在入射角不大的情况下，其光程差为：1M'2M1M'2M22dd在两镜面交线附近，可以忽略，光程差主要决定空气膜的厚度，厚度相同的地方对应同一级干涉条纹，因此称为等厚干涉，其干涉条纹为平行于两镜面交线的等间隔的直条纹。远离两镜面交线处，不能忽略，其干涉条纹发生弯曲，并凸向两镜面交线的方向2d2d实验原理5.非定域干涉、等倾干涉、等厚干涉条纹的观察条件干涉条纹位置观察非定域干涉等倾干涉等厚干涉点光源照射观察屏用透镜或聚焦无穷远的眼睛观察镜面附近用眼睛向镜面附近观察无穷远相遇空间的任何地方1、面光源照射2、与有很小夹角1M'2M1、面光源照射2、//1M'2M实验原理6.钠光谱双线波长差的测量用钠光灯作光源，由于钠光含有波长非常相近的两条谱线，每组谱线都各自产生一组干涉条纹，改变动镜的位置，条纹的视见度随之发生变化，当时，条纹视见度为零，设相邻两次视见度为零时M1移动的距离为，则钠光两条谱线的波长差为：由上式可知：测出相邻两次视见度为零时M1移动的距离，可求出钠光双线的波长差。2211212kkddd22221d实验内容与要求2、用激光作光源，观察非定域干涉条纹，并用非定域干涉条纹变化测量激光的波长3、观察钠光产生的干涉条纹，测钠光双线波长差注意：要观察到干涉条纹，应调节两个反射镜与补偿板的距离大致相等，对于丝杠比较短的迈干仪，M1应放在30cm处，对于丝杠较长的迈干仪，M1应放在50cm处1、调节迈克尔逊干涉仪，使、大致平行1M'2M要求：改变动镜位置，观察干涉条纹的变化，并连续记录6次干涉条纹变化100条对应的d值，用逐差法求，计算激光的波长，与理论值比较，求出相对误差d要求：改变动镜位置，观察干涉条纹可见度变化，并连续记录6次视见度为零时的d值，用逐差法求，计算钠光双线波长差d4、观察白光干涉条纹数据记录1、测激光波长2、测钠光双线波长差06328A理论05893A钠光条纹数N100200300dN/mmN+100400500600dN+100/mmΔdi/mm次数N123dN/mmN+3456dN+3/mmΔdi/mm数据处理1、测激光波长06328A理论3131iiddNd2100N理论理论E2、钠光双线波长差3131iidd05893A钠光d22注意事项1、干涉仪中的全反射镜、半反射镜、补偿板均为精密光学元件，使用中严禁手摸所有光学表面，同时调反射镜时，螺钉及拉簧螺丝松紧要适度。2、测量时注意消除仪器空程差3、不要用眼直视未扩束的激光，以免造成视网膜永久损伤问题与讨论1、迈克尔逊干涉仪观察到的圆条纹与牛顿环产生的圆条纹有什么不同？2、什么情况下可以观测到非定域干涉中椭圆、双曲线、直线条纹？