迈克尔逊干涉仪的调节和使用

迈克尔逊干涉仪的调节和使用

1、了解光的干涉花样形成的原理，能区别等倾干涉和等厚干涉； 2、学会使用迈克尔逊干涉仪，并能用其测量激光的波长； 3、形成实事求是的科学态度和严谨、细致的工作作风。 重点：迈克尔逊干涉仪的调整和使用

难点：1）干涉花样形成的原理；2）白光干涉图样的调节 讲授与演示相结合 3学时

一、实验简介

光的干涉是重要的光学现象之一，是光的波动性的重要实验依据。两列频率相同、 振动方向相同和位相差恒定的相干光在空间相交区域将会发生相互加强或减弱现象，即 光的干涉现象。相干光源的获取除用激光外，在实验室中一般是将同一光源采用分波阵 面或分振幅两种方法获得，并使其在空间经不同路径后会合产生干涉。根据干涉条纹数 目和间距的变化与光程差、波长等的关系式，可以测出微小长度变化(光波波长数量级) 和微小角度变化等，因此干涉现象在照相技术、测量技术、平面角检测技术、材料应力 及形变研究等领域有着广泛地应用。

在物理学史上，迈克尔逊曾用自己发明 的光学干涉仪器进行实验，精确地测量微小 “长度”，否定了“以太”的存在，这个著 名实验为近代物理学的诞生和兴起开辟了道 路，1907年获诺贝尔奖。迈克尔逊干涉仪原 理简明，构思巧妙，堪称精密光学仪器的典 范。随着对仪器的不断改进，还能用于光谱 线精细结构的研究和利用光波标定标准米尺

等实验。目前，根据迈克尔逊干涉仪的基本原理，研制的各种精密仪器已广泛地应用于 生产生活和科技领域。如观察干涉现象，研究许多物理因素（如温度、压强、电场、磁 场等）对光传播的影响，测波长、测折射率等。

二、实验目的

1、了解迈克尔逊干涉仪的结构和干涉花样的形成原理； 2、学会迈克尔逊干涉仪的调整和使用方法； 3、观察等倾干涉条纹，测量He?Ne激光的波长； 4、了解钠光、白光干涉花样的特点。 三、实验原理

'M2在迈克尔逊干涉仪中产生的干涉等效于 膜M1,M的薄膜干涉。两束光的光程差为： '2dM1??2dcosi?k?

（一）、扩展光源产生的干涉图（定域干涉） '1、M1和M2严格平行——等倾干涉

S1a1'S2'P1M2bS2ii'2\1\L条纹特点： 1）明暗相间的同心圆纹，条纹定域在 无穷远（需用会聚透镜成像在光屏上）；

2）中心级次最高，k?2d?； 3）d增大，条纹从中心向外“涌出”， ，每“涌出” d减小，条纹向中心“陷入”

或“陷入”一个条纹，间距的改变为?2， “涌出”和“陷入”的交接点为d?0情况（无条纹）。

图5—12－rOr?f?tan?i???f?id变化时，等倾干涉条纹的变化特征

4）干涉条纹的分布是中心宽边缘窄，d增大条纹变窄

?ik?ik?ik?1??2dik（d,ik增加时条纹变窄）

'

2、M1和M2有一很小的夹角——等厚干涉

??2dcosi?2d?1?i22?

1）当入射角也较小时为等厚干涉，条纹定域在薄膜表面附近；

2）在两镜面交线附近处，d较小，i的影响可以略去，干涉条纹是一组平行于M1和

'M2交线的等间隔的直线条纹；

' 3）在离M1和M2交线较远处，d较大，i的影响不可以略去，干涉条纹变成弧形，

且条纹弯曲的方向是背向两镜面的交线。 M2M2M2M1'M2 M1'M1'M1'（二）、点光源照明产生的干涉图（非定域干涉） '点光源S经M1和M2的反射产生的 干涉现象，等效于沿轴向分布的两个虚 '光源S1'、S2所产生的干涉。因从S1'和S2' θ 2 发出的球面波在相遇的空间处处相干， 故为非定域干涉。 观察屏放在不同位置上，均可看到 干涉条纹，当垂直于轴线观察时，调整 M1和M2的方位使相互严格垂直，则可 M2 观察到等倾干涉圆条纹。 （三）、白光照射下的彩色条纹 对于白光，它含有不同波长的光， 且相干长度较短，因此在实验室中观察白光的干涉需要满足下面的条件： 对于等倾干涉，需要在d接近零时才能看到；

' 对于等厚干涉，在M1和M2的交线附近才能看到。因为d?0时，所有波长的干涉

情况相同，不显彩色，而当d较大时不同波长的干涉条纹重叠，使照明均匀，彩色消失。

四、实验仪器

迈克尔逊干涉仪（WSM?100），He?Ne激光器，钠光灯，日光灯，扩束镜，屏。 附1：迈克尔逊干涉仪的主体结构

1）底座

18对照仪器向学生介绍干涉仪、

14151311底座由生铁铸成，较重，确保仪器的稳定性。 底座由三个调平螺丝（9）支撑，调平后，可以 拧紧锁紧圈（10）以保持座架稳定。

2）导轨

导轨由两根平行的长约280毫米的框架（7） 172WSM?100型长舂第一光学仪器厂1161210和精密丝杆（8）组成，被固定在底座上，精密 丝杆穿过框架正中，丝杆螺距为1毫米。

3）拖板部分

拖板（11）是一块平板，反面做成与导轨吻 合的凹槽，装在导轨上，下方是精密螺母（6），

239图5—12—456781图5—12—丝杆穿过螺母，当丝杆旋转时，拖板能前后移动，带动固定在其上的移动镜（11）在导 轨面上滑动，实现粗动。

动镜是一块很精密的平面镜，表面镀有金属膜，具有较高的反射率，垂直地固定在 拖板上，它的法线严格地与丝杆平行。倾角可分别用镜背后面的三颗滚花螺丝（13）来 调节，各螺丝的调节范围是有限度的。如果螺丝向后顶得过松，在移动时可能因震动而 使镜面有倾角变化，如果螺丝向前顶得太紧，致使条纹不规则，严重时，有可能使螺丝 丝口打滑或平面镜破损。

4）定镜部分

定镜（14）与动镜是相同的一块平面镜，固定在导轨框架右侧的支架上。通过调节 其上的水平拉簧螺钉（15）使其在水平方向转过一微小的角度，能够使干涉条纹在水平 方向微动；通过调节垂直拉簧螺钉（16）使其在垂直方向转过一微小的角度，能够使干 涉条纹上下微动；与三颗滚花螺丝相比，拉簧改变镜面的方位小得多。定镜部分还包括 分光板和补偿板。

5）读数系统和传动部分——三级读数系统

动镜的移动距离毫米数可在机体侧面的毫米刻尺（5）上直接读得；

粗调手轮（2）旋转一周，拖板移动1毫米,即动镜移动1毫米，同时，读数窗口（3） 内的鼓轮也转动一周，鼓轮的一圈被等分为100格，每格为10-2毫米，读数由窗口上的 基准线指示；

微调手轮（1）每转过一周，拖板移动0.01毫米，可从读数窗口中看到读数鼓轮移 动一格，而微调鼓轮的周线被等分为100格，则每格表示为10-4毫米。

最后读数应为上述三者之和，加上估读一位，可读到10?5mm。

6）附件（支架杆17、像屏18等）