迈克尔逊干涉仪的调整与应用(简洁修正版)

迈克尔逊干涉仪的调整与应用大学物理实验Ⅱ桂林电子科技大学物理实验中心迈克尔逊在工作迈克尔逊干涉仪是美国物理学家迈克尔逊于1881年设计的一种精密光学仪器，用以进行光谱学和度量学的研究，并精确测出光速。迈克尔逊与莫雷曾用此仪器做了非常著名的迈克尔逊—莫雷实验，可以说它是狭义相对论的实验基础，为物理学的发展做出了重要贡献。由于在光谱学和度量学方面的贡献，迈克尔逊于1907年获得诺贝尔物理学奖。美籍德国人（1852-1931）（A.A.Michelson）迈克尔逊干涉仪可以精密地测量微小长度及微小变化，利用它的原理还能够制成各种专用干涉仪器它被广泛地应用于生产和科研各领域。用迈克尔逊干涉仪测气流光学相干CT—断层扫描成像新技术（OpticalCoherenceTomography简称OCT）CT-ComputedTomography计算机断层成象第二代：NMRCT－核磁共振成象第三代：光学相干CT－OCT微米量级的空间分辨率第一代：X射线CT射线CT－工业CT“古老”原理的现代应用之例实验装置－光纤化的迈克尔逊干涉仪光源电子学系统计算机探测器光纤耦合器样品光纤聚焦器反射镜大葱表皮的OCT图像实际样品大小为10mm×4mm，图中横向分辨率约为20μm纵向分辨率约为25μm应用生物医学材料科学·····我国第一台OCT的第一张图清华原子分子国家重点实验室兔子眼球前部的OCT图像晶状体上皮睫状体角膜后表面角膜前表面实验任务1、了解迈克尔逊干涉仪的原理、结构，学会迈克尔逊干涉仪的调节与使用方法。2、了解等倾干涉和等厚干涉的形成条件及干涉图样的特点。3、学会迈克尔逊干涉仪测量He-Ne激光的波长，利用迈克尔逊干涉仪的干涉原理测量固体试件的线膨胀系数。4、拟定利用迈克尔逊干涉仪测量透明薄片的折射率（厚度）的实验方案，并利用仿真实验来验证。5、（拓展）利用仿真实验测量钠光的波长、钠黄光双线的波长差、钠光的相干长度等。Nd22Ndtllttlll0000实验任务一.干涉仪结构和干涉条纹M1M22GG12半透明镀银层单色光源反射镜2反射镜1补偿玻璃板观察屏M它们干涉的结果是薄膜干涉，调节M1就有可能得到d=0，d=常数，d常数（如劈尖）对应的薄膜等倾或等厚干涉条纹。一束光在G1处分振幅形成的两束光，其光程差就相当于由M1和M2’形成的空气膜上下两个面反射光的光程差。d12迈克尔逊干涉仪光路图示意图1、M2通过G1形成像M2’2、S通过G1形成像S’3、S’通过M1形成像S1’4、S’通过M2’形成像S2’5、得到相干光源S1’和S2’，在空间发生干涉，形成双叶双曲面族。二.实验原理cos2d根据薄膜干涉理论，1、2两相干光束的光程差为:等效薄膜干涉2dLdSS'G1EPRM2M1M2'S2'S1'G2=｛Nλ明纹（2N+1）λ/2暗纹其中N=0,1,2,3,…S2SS1S2dLdSS'G1EPRM2M1M2'S2'S1'G2,2,1,0cos2NNd明纹时有：可见，当、一定时，如果逐渐减小，则角逐渐减小，同一级条纹圆环半径减小，看到的现象是干涉圆环缩进（吞）；如果逐渐增大，同理，看到的现象是干涉圆环冒出（吐）。对于中央条纹，当缩进或冒出次，则光程差变化为dNNdN的变化量为ddNd2干涉条纹的特点,2,1,0cos2NNd2dLdSS'G1EPRM2M1M2'S2'S1'G2（1）当、一定时，角相同的所有光线的光程差相同，形成以光轴为圆心的同心圆环。d（2）当、一定时，＝0，干涉圆环就在同心圆环中心处，如≠0，越大，则越小，对应的干涉圆环越往外，其级次也越低。dcosN□当条纹为等倾条纹时，移动M1，相当于改变M1和M2′之间空气薄膜的厚度，此时干涉条纹会出现条纹“缩进”或“冒出”的现象。02Nd□“缩进”或“冒出”的条纹数与移动距离的关系：□如果数出“缩进”或“冒出”的条纹数，由已知波长λ就可计算出Δd，这就是测量微小距离的原理；□反之，由读出的Δd也可测定入射光的波长，这也是测定单色光波长的一种方法。总结3、学会迈克尔逊干涉仪测量He-Ne激光的波长，利用迈克尔逊干涉仪的干涉原理测量固体试件的线膨胀系数。4、拟定利用迈克尔逊干涉仪测量透明薄片的折射率（厚度）的实验方案，并利用仿真实验来验证。5、（拓展）利用仿真实验测量钠光的波长、钠黄光双线的波长差、钠光的相干长度等。Nd22Ndtllttlll0000实验任务长度为l0的待测固体试件被电热炉加热，当温度从t0上升至t时，试件因线膨胀，伸长到l，同时推动迈克尔逊干涉仪的动镜，使干涉条纹发生个N环的变化，则20Nlll测量线膨胀率的实验原理所以只要用实验方法测出某一温度范围的固体试件的伸长量和加热前的长度，就可以测出该固体材料的线膨胀系数(线膨胀率)。tllttlll0000线膨胀系数(或称线膨胀率)：1G2Gd2M'2M1M干涉条纹移动数目三.迈克尔逊干涉仪的主要特性两相干光束在空间完全分开，并可用移动反射镜或在光路中加入介质片的方法改变两光束的光程差.移动距离1Md2Nd移动反射镜1G2Gd2M1M2M'tndΔ)1(22'插入介质片后光程差光程差变化tnΔΔ)1(2'Ntn)1(2干涉条纹移动数目21nNt介质片厚度tn光程差dΔ2测量透明薄片的折射率（厚度）迈克尔逊干涉仪的干涉条纹M2M1M1M1M1M1M1M1M2M1M2M2M2M2M2M2M1M2与M1M2重合等厚干涉条纹等倾干涉条纹1、明确待测物理量与仪器的联系。仪器讲解要点2、如何使两相干光束在空间相遇？（如何调节，如何判断？）3、动镜如何动？只有干涉条纹能移动的情况下才能进行测量；4、如何正确调整读数结构及控温装置？Nd22Ndtllttlll0000迈克尔逊干涉仪的结构水平调节螺丝1、光路部件2、读数部件3、调节部件通过讲解不难发现，无论是测量波长还是测量微小位移，都必须要找到干涉条纹－－同心圆环。而要得到同心圆环，必须调节M1、M2互相垂直，即M1与M2的像平行。调节要点：1、将激光源放置在干涉仪的左端，调整光源，使激光束射向分束镜中央；2、转动粗调鼓轮，移动可动反射镜，使两个反射镜与分束镜之间的距离粗略相等。3、移去观察屏，用眼睛垂直观察分束镜，看到由两个平面镜反射产生的两排光点，仔细调节两平面镜背后的三个微调螺丝，使两排光点中最亮的两点重合。重新装上观察屏，可以看到干涉条纹－－同心圆环。迈克尔逊干涉仪的调整迈克尔逊干涉仪读数结构的调整粗调鼓轮，每周为100个均匀刻度，每旋转一周，主尺刻度进动1mm，因此其精度为0.01mm；微调鼓轮，每周为100个均匀刻度，每旋转一周，粗调鼓轮刻度进动一个刻度，因此其精度为0.0001mmmmnmlL421010?1、调节测微尺的零点（校零）：先将微调鼓轮沿某一方向旋转至零，然后以同方向转动粗调鼓轮对齐读数窗口的任一整刻度。注意：微调与粗调必须同一方向调节！2、避免引入空程：在调整好零点后，应使微动鼓轮按原方向转几圈，直到干涉条纹开始移动以后，才可开始读数测量。热膨胀实验装置实物图实验内容1、测量He-Ne激光波长(采用逐差法)，并观察其实验现象：1M轻旋微调鼓轮（与调零方向一致），每冒出（或缩进）50环，读一次镜的位置，至少连续测8组,将数据填入表格：2、测量试件的线膨胀系数，并观察其实验现象：1）安放试件（通常实验室已经安放好）2）调节迈克尔逊干涉光路，得出合适的干涉条纹3）可以采用按升高（降低）一定的温度（例如2℃）测量试件伸长量的方法(采用逐差法)。4）可以采用按试件一定的伸长量（例如由20个干涉环变化算出的光程差），测出所需升高（降低）温度的方法。(采用逐差法)3、拟定测量透明薄片折射率（厚度）的实验方案,并利用仿真实验进行验证。4、选做（仿真实验）1）测量钠光的波长2）钠黄光双线的波长差3）钠光的相干长度1、不能用手触摸各光学元件。2、测量时，微调螺旋只能向一个方向转动，中途不能反向；3、调节M１、M２背后的螺丝时应该缓慢旋转，不要过分拧紧M1镜和M2镜后的螺丝。4、使用激光器时不要让激光直射入眼，并注意光纤的使用，禁止弯折。注意事项桂林电子科技大学物理实验中心下面，我们将用大学物理仿真实验对迈克尔逊干涉仪进行操作练习。下次实验5.9螺线管内磁场的测量(C301)