迈克耳逊干涉仪实验.docx

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1、实验题目：实验迈克尔孙干涉仪实验目的：了解迈克尔孙干涉仪的原理、结构和调节方法，观察非定域干涉条纹，测量氢窟激光的波长，并增强对条纹可见度和时间相干性的认识。实验原理：1、迈克尔孙干涉仪的结构和原理迈克尔孙干涉仪的原理图如图所示，A和B为材料、厚度完全相同的平行板，A的一面镀上半反射膜，MhM2为平面反射镜，M2是固定的，M1和精密丝杆相连，使其可前后移动，最小读数为10-4nim,可估计到10-5mm,M1和M2后各有几个小螺丝可调节其方位。光源S发出的光射向A板而分成（1）、（2）两束光，这两束光又经MI和M2反射，分别通过A的两表面射向观察处O,相遇而发生干涉，B作为补偿板的作用是使（1

2、）、（2）两束光的光程差仅由Mi、M2与A板的距离决定。由此可见，这种装置使相干的两束光在相遇之前走过的路程相当长，而且其路径是互相垂直的，分的很开，这正是它的主要优点之一。从O处向A处观察，除看到M1镜外，还可通过A的半反射膜看到M2的虚像M%,M1与M2镜所引起的干涉，显然与Mi、引起的干涉等效，M1和M）形成了空气“薄膜”，因MH不是实物，故可方便地改变薄膜的厚度（即M1和Md的距离），甚至可以使M1和M2重叠和相交，在某一镜面前还可根据需要放置其他被研究的物体，这些都为其广泛的应用提供了方便。1.点光源产生的非定域干涉一个点光源S发出的光束经干涉仪的等效薄膜表面Mi和M）反射后，相当于

3、由两个虚光源Si、S2发出的相干光束（图2）。若原来空气膜厚度（即M1和M，2之间的距离）为h,则两个虚光源S1和S2之间的距离为2h,显然只要M1和M）（即M2）足够大，在点光源同侧的任一点P上，总能有&和S2的相干光线相交，从而在P点处可观察到干涉现象，因而这种干涉是非定域的。若P点在某一条纹上，则由S1和S2到达该条纹任意点（包括P点）的光程差是一个常量，故P点所在的曲面是旋转双曲面，旋转轴是Si、S2的连线，显然，干涉图样的形状和观察屏的位置有关。当观察屏垂直于Si、S2的连线时，干涉图是一组同心圆。下面我们利用图3推导的具体形式。光程差把小括号内展开，则由于hv1-sin2IZ从式（

4、1）可以看出，在3=0处，即干涉环的中心处光程差有极大值，即中心处干涉级次最高。如果中心处是亮的，则A=2%=m4。若改变光程差，使中心处仍是亮的，则2=2h2=（n+n）,我们得到=h2-h=（21）=/12（2）即Mi和M2之间的距离每改变半个波长，其中心就“生出”或“消失”一个圆环。两平面反射镜之间的距离增大时，中心就“吐出”一个个圆环。反之，距离减小时中心就“吞进”一个个圆环，同时条纹之间的间隔（即条纹的稀疏）也发生变化。由式（2）力=1M可知，只要读出干2涉仪中M1移动的距离Ah和数出相应吞进（或吐出）的环数就可求得波长。把点光源换成扩展光源，扩展光源中各点光源是独立的、互不相干的，

5、每个点光源都有自己的一套干涉条纹，在无穷远处，扩展光源上任两个独立光源发出的光线，只要入射角相同，都会会聚在同一干涉条纹上，因此在无穷远处就会见到清晰的等倾条纹。当Mi和MS不平行时，用点光源在小孔径接收的范围内，或光源离M1和M较远，或光是正入射时，在“膜附近都会产生等厚条纹。2、条纹的可见度使用绝对的单色光源，当干涉光的光程差连续改变时，条纹的可见度一直是不变的。如果使用的光源包含两种波长及2,且和2相差很小，当光程差为1=n1=n|人（其中m为正整数）时，两种光产生的条纹为重叠的亮纹和暗纹，使得视野中条纹的可见度降低，若与2的光的亮度又相同，则条纹的可见度为零，即看不清条纹了。再逐渐移动

6、M1以增加（或减小）光程差，可见度又逐渐提高，直到的亮条纹与2的亮条纹重合，暗条纹与暗条纹重合，此时可看到清晰的干涉条纹，再继续移动Mi,可见度又下降，在光程差1+1=（n+A。4=m+Am+g）不时，可见度最小（或为零）。因此，从某一可见度为零的位置到下一个可见度为零的位置，其间光程差变化应为1=-4（w+1）22o化简后2A2,、=-1-1=（3）A1M式中=4-4,4=乙产。利用式（3）可测出纳黄光双线的波长差。3、时间相干性问题时间相干性是光源相干程度的一个描述。为简单起见，以入射角i=0作为例子，讨论相距为d的薄膜上、下两表面反射光的干涉情况。这时两束光的光程差1=2d,干涉条纹清晰

7、。当d增加某一数值下后，原有的干涉条纹变成一片模糊，2d，就叫作相干长度，用1m表示。相干长度除以光速C,是光走过这段长度所需的时间，称为相干时间，用tm表示。不同的光源有不同的相干长度，因而也有不同的相干时间。对于相干长度和相干时间的问题有两种解释。一种解释是认为实际发射的光波不可能是无穷长的波列，而是有限长度的波列，当波列的长度比两路光的光程差小时，以路光已通过了半反射镜，另一路还没有到达，这时它们之间就不可能发生干涉，只有当波列长度大于两路光的程差时，两路光才能在半发射镜处相遇发生干涉，所以波列的长度就表征了相干长度。另一种解释认为：实际光源发射的光不可能是绝对单色的，而是有一个波长范围

8、，用谱线宽度来表示。现假设“单色光”的中心波长为o,谱线宽度为,也就是说“单色光”是由波长为4-竽到4+竽之间所有的波长组成的，各个波长对应一套干涉花纹。随着距离d的增加，4+义和一义之间所形成的各套干涉条纹就逐渐错开了，当d增加到使两者错开一条条纹时，就看不到干涉条纹了，这时对应的2d,=（就叫做相干长度。由此我们可以得到1m与丽及之间的关系为：(4)波长差ZU越小，光源的单色性越好，相干长度就越长，所以上面两种解释是完全一致的。相干时间tm则用下式表示钠光灯所发射的谱线为与，相干长度有2cm。氮敏激光器所发出的激光单色性很好，其的谱线，只有1/4o-7nm,相干长度长达几米到几公里的范围。

9、对白光而言，其和是同一数量级，相干长度为波长数量级，仅能看到级数很小的几条彩色条纹。4、透明薄片折射率（或厚度）的测量白光干涉条纹：干涉条纹的明暗决定于光程差与波长的关系，用白光光源，只有在d=0的附近才能在MhM）交线处看到干涉条纹，这时对各种光的波长来说，其光程差均为2（反射时附加Z）,22故产生直线黑纹，即所谓的中央条纹，两旁有对称分布的彩色条纹。d稍大时，因对各种不同波长的光，满足明暗条纹的条件不同，所产生的干涉条纹明暗互相重叠，结果就显不出条纹来。只有用白光才能判断出中央条纹，利用这一点可定出d=0的位置。（1）固体透明薄片折射率或厚度的测定当视场中出现中央条纹之后，在M1与A之间放

10、入折射率为n、厚度为1的透明物体，则此时程差要比原来增大因而中央条纹移出视场范围，如果将M1向A前移d,使d=空，则中央条纹会重新出现，2测出d及1可由下式J=（-1）（6）求出折射率n。实验内容1、观察非定域干涉条纹（1）打开He-Ne激光器，使激光束基本垂直Mz面，在光源前放一小孔光阑，调节M2上的三个螺钉（有时还需调节M1后面的三个螺钉），使从小孔出射的激光束，经M1与M2反射后在毛玻璃上重合，这时能在毛玻璃上看到两排光点重合。（2）去掉小孔光阑，换上短焦距透镜而使光源成为发散光束，在两光束程差不太大时，在毛玻璃屏上可观察到干涉条纹，轻轻调节M2后的螺钉，应出现圆心基本在毛玻璃屏中心的圆

11、条纹。（3）转动鼓轮，观察干涉条纹的形状，疏密及中心“吞”、“吐”条纹随程差的改变而变化的情况。2.测量He-Ne激光的波长采用非定域的干涉条纹测波长。缓慢转动微动手轮，移动Mi以改变h,利用式（2）M=3%可算出波长，中心每“生出”或“吞进”50个条纹，记下对应的h值。N的总数要不小2于500条，用适当的数据处理方法求出值。实验数据及其处理：1、观察干涉现象的表格见原始数据。2、测量激光的波长：根据实验要求,在20mm40mm处选择一合适位置开始实验,测得的数据如下表所示:条纹数n/i刻度4/mmOO501IOO2150320042505300635074008450950010这里采用逐差

12、法处理数据，因此，除去4的值来计算：+2+4+/?5_(4-4)+(44)+(4)(dg-dj+(d10-ds)12=1=,-1155(36.50355-35.58297)+(35.48765-35.56701)+(35.47182-35.55109)+(35.45598-35.53528)+(35.44016-35.51938)=mm5=0.078054aw根据公式以及n=5x50=250可以知道：下面计算不确定度：根据实验室要求，忽略A类不确定度：因为小鼓轮的最大允差A=0.05m=5x1(为相按照正态分布算：uu=-=I。mm=1.710-5nun,BC3取，就有kp=2,因此8=&心8

13、=2x1667x10T/wn=3.3x1()Y，忽略A类不确定度时有：U力=0=3.3x104，%，根据不确定度的传递公式，有：由此可知，最终结果表述为：对实验结果的误差分析：总的来讲，本次测波长的实验进行得比较精确，实验中仪器螺丝的老化，可能对实验的测量产生一些影响，另外，实验中桌面的被挤压，也有可能对实验的测量产生一定的影响。为了更好的处理数据，提高实验数据处理的可信性，也便于和逐差法的处理形成对比利用origin软件作出图像再处理一次数据：图的说明如下：RSDNPY=A+B*XParameterVa1ueError条纹数根据图象和数据可以知道=-2B=2xC4)o3、观察白光干涉的现象：

14、根据实验室要求，先调出很粗的干涉条纹，然后取下接收屏，通过细准焦旋钮进行探索，注意动作要细微一些，这样便能调出彩色的干涉条纹。实验现象：人眼正对着看过去，会看到彩色条纹，且大致沿灯丝呈现对称分布。三、实验总结与注意点：1、本实验中最大的注意点是转动转轮时应该向着同一个方向，如果反转，将看不到干涉条纹的吞吐现象，也会对实验中的测量产生较大的影响。2、另外，在实验中应该保持桌面的水平，防止桌面的挤压对测量造成的影响。3、本实验重点在实验仪器的调节，应该有足够的耐心。四、实验思考题及其解答：1、从图中看，如果把干涉仪中的补偿板B去掉，会影响到哪些测量？哪些测量不受影响？答：实验中补偿板的作用是使得亮

15、束光的光程差仅与两板的相对位置有关，以便更加方便地进行实验数据的处理。如果将补偿板B去掉，这样将会使得每个刻度的测量结果都加上一个常数，但是条纹的吞吐数涉及差的问题，因此不会受到影响,实验的基本现象也与B存在是大体相同。五、关于实验的思考与想法：在测量一些微小的物理量时，为了提高测量的精度，常常将该物理量放大之后再进行测量。迈克耳逊干涉仪的测量系统的机械部分都是采用螺旋测微装置进行测量的。常用的大鼓轮的螺距是Imm,当鼓轮转动一圈时，滑动平台就沿轴向前或后退Imm,在鼓轮的一端固定一小鼓轮，其周界上刻成100分格，因此当小鼓轮转动一分格时，滑动平台移动了0.0001mm,从而使沿轴线方向的微小位移用小鼓轮圆周上较大的弧长精确地表不出来，大大提高了测量精度。