物理——迈克尔逊干涉仪实验(各种版本集合-全!免费!)

迈克尔逊干涉仪实验简介10285_1_d_1.wmv介绍了迈克尔逊干涉仪的结构、调节方法以及钠光波长的测定方法。在实验过程中针对干涉条纹吞吐、清晰度变化等现象，分析产生原因，并测量钠黄光波长差。利用迈克耳逊干涉仪的两臂中便于插放待测样品的特点，根据干涉条纹的变化测量有关参数，例如空气折射率、薄膜介质折射率等。本实验体现了从基础性、综合性到研修性分层次教学的特点，在实验过程中，实时观察学生动态，对学生碰到的实验现象，不是简单提供答案，而是循循善诱，启发引导，引导学生的思维进行纵向和横向拓展，培养学生的思维能力，激发学生的兴趣，扩展学生的知识面。电介质和纳米薄膜介电常数测量实验简介10285_1_d_2.wmv介电常数是电介质的一个特征量，用常规的方法进行测量将会引入很大的系统误差，本实验的第一部分通过巧妙的实验方法最大限度地消除了由分布电容和边缘效应而引入的系统误差，采用实验中心自行研制的介电常数测试仪，该实验仪结构简单直观，并且具有很好的可操作性。实验内容包括用电桥法测量固体材料的介电常数，用频率法测量液体材料的介电常数，利用固体材料测量电极并通过线性回归计算测量空气的介电常数。当电介质薄膜样品的厚度小到微米量级甚至以下时，薄膜样品相比于块体样品而言，其性质发生了很大变化，其介电性能也很难通过常规块体样品的测量方法来准确获得。本实验的第二部分通过一个小型蒸发台和掩膜工具，在涂覆了电介质薄膜的硅基片上制作出微电极结构，并使用HP4294A型阻抗分析仪测量出电介质薄膜的介电性能。实验设备的可控性、重复性很好，实验内容可以激发学生的求知欲。实验内容包括使用小型蒸发台蒸发微电极结构，使用阻抗分析仪测量不同厚度薄膜样品的电容和介电常数，以及测量薄膜样品的介电频谱相应特性和损耗等。图3-16-1迈克尔逊干涉仪光路图数字化衍射光学图像技术研究实验简介10285_1_d_3.wmv数字化衍射光学图像技术是衍射光学图像技术和计算机图像处理技术、精密运动控制技术相结合的一门先进工程技术。本实验使用自行研制的开放式数字化衍射光学图像制作系统，学生之间通过分工合作的方式，使用程序设计方法自由地对图像制作、运动优化控制进行研究，同时探索光刻的制作工艺，使学生掌握数字化衍射光学图像中有关立体、动态、加密技术的原理，以及激光光刻制作图像的方法。本实验使学生体验一个研究项目开展的过程，培养学生从事工程研究的能力。实验16迈克尔逊干涉仪一.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、白炽灯等。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（3-16-1）式中为S2′射到P″点的光线与M2法线之间的夹角。当时，为明纹；当时，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。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（3-16-2）式中分别为M2移动前后的位置读数。实验中只要读出和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cos2dkdcos22/)12(cos2kd2NdNllNd)(222121ll、21ll、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。3.等光程位置的确定当M2与M1ˊ不完全平行时，M2和M1ˊ之间形成楔形空气膜，一般情况下屏上将呈现弧形等厚干涉条纹。若改变活动镜位置，使M2和M1ˊ的间距d=0，此时由M2和M1ˊ反射到屏上的两束相干光光程差为零，屏上呈现直线形明暗条纹。这时活动镜的位置称为等光程位置。若改用白光照射，由于白光是复色光，而明暗纹位置又与波长有关。因此，只有在d=0的对应位置上，各种波长的光到达屏上时，光程差均为0，形成零级暗纹。在零级暗纹附近有几条彩色直条纹。稍远处，由于不同波长、不同级次的明暗纹相互重叠，便看不清干涉条纹了。由于白光等厚干涉条纹能准确确定等光程位置，可以用来测定透明薄片的厚度。当视场内出现彩色直条纹后，继续转动微调手轮，使零级暗纹移到视场中央。然后在活动镜与分光板之间插入待测薄片，此时由于光程差变化，彩色条纹消失。再转动微调手轮，使活动镜向分光板方向移近，当彩色条纹重新出现，并移到视场中央时，活动镜的移动正好抵消了光程差的变化。根据以上分析可以推出薄片厚度的测量公式为：（3-16-3）式中n0=l.003，为空气的折射率；n为薄片折射率（由实验室给出）；分别为薄片插入前后的等光程位置读数。四.实验内容1.观察激光的非定域干涉现象调节干涉仪使导轨大致水平；调节粗调手轮，使活动镜大致移至导轨25～45mm刻度处；调节倾度微调螺丝，使其拉簧松紧适中。然后使得激光管发射的激光束从分光板中央穿过，并垂直射向反射镜M1（此时应能看到有一束光沿原路退回）。装上观察屏，从屏上可以看到由M1、M2反射过来的两排光点。调节M1、M2背面的3个螺丝，使两排光点靠近，并使两个最亮的光点重合。这时M1与M2大致垂直（M1′与M2大致平行）。然后在激光管与分光板间加一短焦距透镜，同时调节倾度微调螺丝(15、16)，即能从屏上看到一组弧形干涉条纹，再仔细调节倾度微调螺丝，当M1′与M2严格平行时，弧形条纹变成圆形条纹。转动微调手轮，使M2前后移动，可看到干涉条纹的冒出或缩进。仔细观察，当M2位置改变时，干涉条纹的粗细、疏密与d的关系。2.测量激光波长（1）测量前先按以下方法校准手轮刻度的零位。先以逆时针方向转动微调手轮，使读数准线对准零刻度线；再以逆时针方向转动粗调手轮，使读数准线对准某条刻度线。当然也可以都以顺时针方向转动手轮来校准零位。但应注意：测量过程中的手轮转向应与校准过程中的转向一致。（2）按原方向转动微调手轮（改变d值），可以看到一个一个干涉环从环心冒出（或缩dd2sin21000nnllb00ll、进）。当干涉环中心最亮时，记下活动镜位置读数，然后继续缓慢转动微调手轮，当冒出（或缩进）的条纹数N=100时，再记下活动镜位置读数，反复测量多次，由（3-16-2）式算出波长，并与标准值（λ0=632.8nm）比较，计算相对不确定度。（3）数据处理表3-16-1测量数据表λ0=632.8nm，N=100单位：mm测量次数12345nm，%3.观察白光干涉，测定等光程位置沿逆时针方向转动粗调手轮，将活动镜移至导轨30mm处；再沿逆时针方向转动微调手轮，使d减小，此时条纹变粗、变疏，直到只有3～4个条纹。然后调节倾度微调螺丝，使M1′与M2有一微小交角；再沿逆时针方向缓慢转动微调手轮，使屏上条纹最直时，改用白炽灯照射干涉仪，取下观察屏，直接用眼向活动镜方向观察，并继续缓慢转动微调手轮。当看到彩色直条纹后，记下此时活动镜位置，即为等光程位置。移动活动镜时，一定要非常缓慢，因白光干涉条纹只有数条，移动太快就会一晃而过。4.测定透明薄片的厚度(选做)五.注意事项干涉仪是精密光学仪器，使用中一定要小心爱护，要认真做到：（1）切勿用手触摸光学表面，防止唾液溅到光学表面上。（2）调节螺钉和转动手轮时，一定要轻、慢，决不允许强扭硬扳。（3）反射镜背后的粗调螺钉不可旋得太紧，以防止镜面变形。（4）调整反射镜背后粗调螺钉时，先要把微调螺钉调在中间位置，以便能在两个方向上作微调。（5）测量中，转动手轮只能缓慢地沿一个方向前进（或后退），否则会引起较大的空回误差。六.问题讨论（1）在什么条件下产生等倾干涉条纹？什么条件下产生等厚干涉条纹?（2）迈克尔逊干涉仪产生的等倾干涉条纹与牛顿环有何不同?（3）为什么在观察激光非定域干涉时，通常看到的是弧形条纹？怎样才能看到圆形条纹?（4）试推导测量公式（3-16-3）。实验目的1.理解干涉仪的结构原理，掌握其调整使用方法；2.观察等倾干涉和等厚干涉条纹；1l2l1l2l21llddNd200E3.测定He–Ne激光的波长。（重点）一、迈克尔逊干涉仪及其结构原理1.迈克尔逊干涉仪利用分振幅法产生双光束以实现干涉。主要由精密的机械传动系统和四片精密磨制的光学镜片组成。2.G1和G2是材料相同，厚度相同的两块平行玻璃板，并与两臂倾斜成45度角。其中