迈克尔逊干涉仪实验

迈克尔逊干涉实验无非2班袁鹏一实验目的1、学习按一定原理自行组装仪器的技能，通过自行组装迈克尔逊干涉仪学习光路的调整。2、学习在组装的迈克尔逊干涉仪上开拓应用的技能。3、在组装的迈克尔逊干涉仪上进行压电晶片电致伸缩效应的观测。粗略测出压电晶片的压电系数。二实验原理1、迈克尔逊干涉仪的原理。迈克尔逊干涉仪是应用分振幅法产生双光束以实现干涉的仪器，仪器的光学系统由两个平面反射镜M1和M2及两块材质相同、厚度相等的平行平面玻璃板G1和G2所组成，如上图所示。从光源S发出的光，射到分光板G1上，分光板G1后表面有半反射膜，将一束光分解成两束光；一束为反射光（1），另一束为透射光（2）,他们的强度近似相等。由于G1与M1、M2均成45度角，所以两束光都垂直的射到M1和M2，并经反射后回到G1上的半反射膜，再在观察处E相遇。因为光束（1）、（2）是相干光，若仪器调整得当，便可在E处观察到干涉图样。G2为补偿板，其物理性能和几何形状与G1相同，它的作用是为了补偿光束（2）的光程，使光束（1）和光束（2）在玻璃中的光程完全相等。2、干涉条纹的形成。由于半反射膜实质上是一块反射镜，它使M2在M1附近形成一个虚像M'2。由于是从观察处E看到的两束光好像是从M1和M'2射来的，故可将M'2看成一个虚平面。因M'2不是实物，它的表面和M1的表面所夹的空气薄膜可以任意调节。如使M1、M'2平行则形成等厚的空气薄膜，产生等倾干涉；若不平行则形成空气劈尖，形成等厚干涉。从而在实验过程中可以观察到不同的干涉图样。（1）等倾干涉使M2垂直M1（即M1平行M'2），S又为面光源时，这就相当于空气平面板所产生的等倾干涉。自M1和M2反射后两光束的光程差（如果光束（1）、（2）在半反射膜上反射时无附加光程差）为idcos2，式中ｄ为M1和M'2间的距离，即为空气膜厚度。i为入射光M1、M'2镜表面的入射角。由上式可知，当d一定时，光程差只决定于入射角。面光源上具有相同倾角i的所有光束的光程差∆也相同，它们在干涉区域里将形成同一条干涉条纹，这种干涉即为等倾干涉。对应不同入射角的光束光程差不相同，形成不同级次的干涉条纹，便得到一组明暗相间的同心圆环，条纹定域在无穷远处，在E处直接用眼睛就可以观察到等倾干涉的同心圆环。（2）等厚干涉当M1、M'2相距很近，并把M'2调成与M1相交呈很小的角度时，就形成一空气劈尖。在劈尖很薄的情况下，从E处便可看到等厚干涉条纹。这时，两相干光程差仍可近似的表示为idcos2，在M1和M'2的交线处的直线纹称为中央条纹。在交线上，d=0，光程差∆为零，条纹为一条直线；在交线附近d很小，i的变化可以忽略，即cosi视为常数，条纹为一组近似与中央条纹平行的等间距的直条纹，可视为等厚条纹；离交线较远处d变大，光程差∆的改变，除了与膜厚度d有关外，还受i角的影响，cosi的影响不能忽略。实际上i很小，idcos2≈2d(1-i2/2)，条纹发生弯曲。三实验仪器防振台氦氖激光光源凸透镜可变光栏直尺光屏分束镜反射镜支架压电晶片等四试验计划在实验室，面对零散的实验仪器，要进行迈克尔逊干涉仪实验，我们需要先对仪器进行组装调试。在试验台上，有一个氦氖激光源。首先我们就要打开光源的电源，让氦氖激光器发射光源。然后将带有支架的凸透镜放在发射激光仪器前端的小孔前，调节凸透镜的高度让反射的部分光束正好聚焦在小孔上。调好之后，继续将带有支架的分光板放在与凸透镜和光源在同一条直线上，并目测调整使三者的高度一致。然后调整支架上的分光板，使其与三者所在直线成45度角。调好之后，将凸透镜和分光板分别固定在实验台上。之后，按照上面的迈克尔逊干涉仪的光路图，将两反射镜和光屏分别摆放在相应的位置并目测调整使其高度与凸透镜、分光板相同。然后，先分别对反射镜M1、M2进行调节，使其反射通过分光镜之后的光线能够打到光屏上。在光屏上出现了两个光斑之后，先粗调反射镜使两光斑靠近。调好后，就可以将两反射镜M1、M2分别固定在相应的位置。为了观察到干涉现象，接下来我们就要通过微调反射镜使两个光斑相交并产生干涉条纹图样。经过微调之后，就可以在光屏上看到干涉图样了。等倾干涉和等厚干涉是面光源产生的定域干涉。所以，在实验中不需要在光源发射器前面加一凸透镜对光束进行聚焦形成点光源。在打开电源发射光束之后，将分光板放在与光源同一直线上并目测调整其高度与发射光束的光孔相同。然后也是按照实验原理图将两个反射镜和光屏放在相应位置。对两反射镜分别进行粗调，使反射通过分光镜之后的光束打在光屏上。然后将反射镜进行固定，固定之后再对反射镜进行微调，使两个光斑相交产生干涉条纹图样。在实验中要十分注意两反射镜必须完全垂直，否则将不能形成等倾干涉。等厚干涉实验仪器的组装步骤与等倾干涉基本一致。只是在两反射镜的反射光束时不需要将两反射镜摆放的完全垂直，而是应该有细微的偏斜。在进行反射镜微调的过程中就可以在光屏上看到等厚和等倾干涉条纹图样。在测压电晶片的压电系数时，首先需要将压电晶片固定在一反射镜的背面。由于压电系数K=∆d/∆U，要测压电系数，只要测出通电后电压晶片的伸缩量∆d，而∆d的测量可以利用等倾干涉的实验原理来进行。先将仪器按照上述等倾干涉的步骤组装，将固定有压电晶片的反射镜组装固定好后，先不对压电晶片通电进行实验。利用迈克尔逊干涉仪，调整反射镜使光屏上可看到同心圆干涉条纹。然后再给压电晶片通电，改变压电晶片上的电压，使其由零逐渐上升，干涉条纹便由中心向外不断增加，当条纹中心正好出现N个条纹时，记下此时压电晶片的两端的电压U。由于光束的波长实验室已经给出，所以可以根据公式求得压电晶片的伸长量为∆d=Nλ/2，从而可求得压电系数k=d/∆U。五实验心得与体会经过一周的设计性物理实验，我的感触颇多。以前一直以为，只要理论知识学的好，实践就应该没什么问题。可是，当真正的实践起来时却发现事实不是那么一回事。理论知识往往是分块的、比较零散的，可是设计性实验往往需要我们把所学的知识全部综合起来运用。这往往就考验着我们所学的知识是否掌握的牢固，同时也考验着我们是否能将所学的知识进行联系综合的应用。还有，团队性的设计实验，往往还考验着我们的组织协调能力。如果光有个人能力而缺乏团队合作，实验也可能会很难完成。在迈克耳逊干涉仪实验中，组装调试迈克耳逊干涉仪是一个比较困难的步骤。由于各元件都是零散的，要组装成完整可以使用的干涉仪，就需要耐心的进行组装调试，并不断对元件进行调节，只有这样才能最终组装成一个可以观察到实验现象的干涉仪。实验时，在完成等倾干涉和等厚干涉的过程中，我们需要对两反射镜进行严格的调节控制，不然就很难观察到相应的实验现象。等倾干涉的条件是需要使两反射镜垂直，且S为面光源。这在实验时就要特别的注意。而等厚干涉则是需要使两反射镜不完全的垂直，要使得M'2与M1之间存在空气劈尖，只有完全做到了才能产生等厚干涉。倘若在实验时我们忽略了这些条件，那么就很难在试验中观察到实验现象。同时，如果我们在实验时有观察不到实验现象的问题发生而却不知道实验的问题出在哪里，这就说明我们的理论知识还学得不够扎实。此实验最难的部分恐怕还要算测压电晶片的压电系数了。因为这一部分需要我们自己去进行设计，倘若对实验原理和压电晶片的工作原理不了解的话，我们就会觉得无从下手。所以在实验之前不仅要对干涉仪的工作原理有了解，还要对压电晶片的工作原理也有所了解。同时，这样的自主设计性实验还可以让我们发挥自己的创新性。对我们的创新意识的培养也有很大的益处。所以，这样的实验可谓是一举两得，对我们来说具有很重要的意义。通过实验之后，我还了解到一些要特别注意的事情。因为迈克耳逊干涉仪实验所用的光源是激光，实验时我们要特别注意不要让激光直射入眼睛，否则可能会造成视网膜永久性的伤害。同时，也不能一直看着激光发出的光，看太久了也会对眼睛造成伤害。另外，为了保证我们自身的安全，我们绝对不可触及激光器两端的高压电极。由于迈克耳逊干涉仪是一种精密的光学仪器，所以在做实验时个光学表面要保持清洁，严禁用手触摸。调整时必须仔细、认真、小心、轻缓，严禁用力过猛，损坏仪器。其次，在组装光路前要将防振台调水平。各光学镜片也要轻拿轻放，不能用手触摸镜片，将各光学器件调成等高。在实验过程中，还应该要保持实验室的安静，动作要轻，不可有大、重动作，不能随意之后走动和对着防振台大声说话。否则，会影响实验。整个实验是一个复杂的过程，而且这个实验的仪器很精密，所以在操作的过程中，我们不仅要有耐心，而且还要十分的细心。经过一周的实验学习，我已基本上学会了如何去自己设计简单的实验。在这一周的时间里，我深刻的认识到动手实践的重要性，同时也明白了搞科研是一项艰苦的工作。所以，我们应该在现在的学习过程中就要培养好吃苦耐劳的品质和科学严谨的态度。