大学物理实验 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪的使用.doc

1 大学物理实验迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪是用分振幅的方法实现干涉的光学仪器, 设计十分巧妙。迈克尔逊发明它后, 最初用于著名的以太漂移实验。后来, 他又首次用之于系统研究光谱的精细结构以及将镉(Cd) 的谱线的波长与国际米原器进行比较。迈克尔逊干涉仪在基本结构和设计思想上给科学工作以重要启迪, 为后人研制各种干涉仪打下了基础。迈克尔逊干涉仪在物理学中有十分广泛的应用, 如用于研究光源的时间相干性, 测量气体、固体的折射率和进行微小长度测量等。【实验目的】 1. 了解迈克尔逊干涉仪的结构、原理和调节方法; 2. 了解光的干涉现象及其形成条件; 3. 观察等倾干涉条纹,测量氦氖激光器的波长; 4. 学****一种测量气体折射率的方法。【实验仪器】迈克尔逊干涉仪, He-Ne 激光器及电源, 扩束镜( 凸透镜), 挡光片一片, 升降台, 玻璃板, 白光光源【实验原理】一、一般介绍迈克尔逊干涉仪的原理见图 1。光源 S 发出的光束射到分光板 1G 上,1G 的后面镀有半透膜, 光束在半透膜上反射和透射, 被分成光强接近相等、并相互垂直的两束光。这两束光分别射向两平面镜 1M 和2M , 经它们反射后又汇聚于分光板 1G ,再射到光屏 E 处,从而得到清晰的干涉条纹。平面镜 1M 可在光线 1 的方向上平行移动。补偿板 2G 的材料和厚度与 1G 相同,也平行于 1G ,起着补偿光线 2 的光程的作用。如果没有 2G ,则光线 1 会三次经过玻璃板,而光线 2 只能一次经过玻璃板。 2G 的存在使得光线 1、2由于经过玻璃板而导致的光程相等,从而使光线 1、2 的光程差只由其它几何路程决定。由于本实验采用相干性很好的激光,故补偿板 2G 并不重要。但如果使用的是单***不好、相干性较差的光,如纳光灯或***灯, 甚至白炽灯,2G 就成为必需了。这是因为波长不同的光折射率不同, 由分光板 1G 的厚度所导致的光程就会各不一样。补偿板 2G 能同时满足这些不同波长的光所需的不同光程补偿。 2 图1 干涉原理图用迈克尔逊干涉仪可以观察各种类型的条纹,见表 1。表1 干涉分类种类光源条纹位置观察方式非定域干涉点光源任意处屏定域干涉等倾干涉扩展光源无穷远凸透镜+屏(焦平面处)或眼睛等厚干涉膜附近屏二、等倾干涉与激光波长的测量平面镜 2M 通过 1G 成虚像 2M ?, 故可认为两束相干光线是由 1M 和2M ?反射来的。用扩束镜会聚激光, 可得到一个点光源。它经平面镜 1M 和2M ?反射后的光线可视为由虚光源 1S 和2S ?发出(如图 2) ,其间距为d2 (d 为1M 和2M ?的间距)。此二虚光源发射的球面波在相遇空间处处相干, 故为非定域干涉。用屏观察干涉花样时, 取不同的空间位置和空间取向, 原则上可以观察到圆、椭圆、双曲线和直线条纹( 但受实验仪器的实际限制,一般只能看到圆和椭圆) 。通常使屏垂直于 1S 和2S ?的连线,此时观察到一组同心圆,圆心在 1S 和2S ?的连线上。若使屏旋转一个角度,则得到一组椭圆。 3 图2 光程图由1S 、2S ?到屏上任一点 B 的两光线的光程差为 BSBS 21????。考虑到 zd ??,且?很小, 从图中可以看出, )2 11(2 cos 2 2??????dd (1) 当????????(暗纹中心) (明纹中心) 2/