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    实验24迈克尔逊干涉仪的调整与使用    重庆科技学院大学物理实验报告第 个实验报告第二篇：实验十五 迈克尔逊干涉仪的调节及使用 3700字实验五 迈克尔逊干涉仪的调节及使用【实验目的】（1）了解迈克尔逊干涉仪的光学结构及干涉原理，学习其调节和使用方法；（2）学习一种测定光波波长的方法，加深对等倾、等厚干涉的理解实验仪器】迈克尔逊干涉仪、He-Ne激光器、白炽灯等实验原理】迈克尔逊干涉仪是l883年美国物理学家迈克尔逊（A.A.Michelson）和莫雷（E.W.Morley）合作，为研究“以太漂移实验而设计制造出来的精密光学仪器用它可以高度准确地测定微小长度、光的波长、透明体的折射率等后人利用该仪器的原理，研究出了多种专用干涉仪，这些干涉仪在近代物理和近代计量技术中被广泛应用1.干涉仪的光学结构迈克尔逊干涉仪的光路和结构如图1与2所示M1、M2是一对精密磨光的平面反射镜，M1的位置是固定的，M2可沿导轨前后移动G1、G2是厚度和折射率都完全相同的一对平行玻璃板，与M1、M2均成45°角G1的一个表面镀有半反射、半透射膜A，使射到其上的光线分为光强度差不多相等的反射光和透射光；G1称为分光板。

当光照到G1上时，在半透膜上分成相互垂直的两束光，透射光（1）射到M1，经M1反射后，透过G2，在G1的半透膜上反射后射向E；反射光（2）射到M2，经M2反射后，透过G1射向E由于光线（2）前后共通过G1三次，而光线（1）只通过G1一次，有了G2，它们在玻璃中的光程便相等了，于是计算这两束光的光程差时，只需计算两束光在空气中的光程差就可以了，所以G2称为补偿板当观察者从E处向G1看去时，除直接看到M2外还看到M1的像M1ˊ于是（1）、（2）两束光如同从M2与M1ˊ反射来的，因此迈克尔逊干涉仪中所产生的干涉和M1?～M2间“形成”的空气薄膜的干涉等效反射镜M2的移动采用蜗轮蜗杆传动系统，转动粗调手轮（2）可以实现粗调M2移动距离的毫米数可在机体侧面的毫米刻度尺（5）上读得通过读数窗口，在刻度盘（3）上可读到0.01mm；转动微调手轮（1）可实现微调，微调手轮的分度值为1×10-4mm可估读到10-5mmM1、M2背面各有3个螺钉可以用来粗调M1和M2的倾度，倾度的微调是通过调节水平微调（15）和竖直微调螺丝（16）来实现的2. 单色点光源的非定域干涉本实验用He-Ne激光器作为光源（见图3），激光通过短焦距透镜L汇聚成一个强度很高的点光源S，射向迈克尔逊干涉仪，点光源经平面镜M2、M2反射后，相当于由两个点光源S1ˊ和S2ˊ发出的相干光束。

Sˊ是S的等效光源，是经半反射面A所成的虚像S1′是S′经M1′所成的虚像S2′是S′经M2所成的虚像由图3可知，只要观察屏放在两点光源发出光波的重叠区域内，都能看到干涉现象，故这种干涉称为非定域干涉如果M2与M1′严格平行，且把观察屏放在垂直于S1′和S2′的连线上，就能看到一组明暗相间的同心圆干涉环，其圆心位于S1′S2′轴线与屏的交点P0处，从图4可以看出P0处的光程差Δ=2d，屏上其它任意点P′或P″的光程差近似为??2dcos? （1）式中?为S2′射到P″点的光线与M2法线之间的夹角当2d?cos??k?时，为明纹；当2d?cos??(2k?1)?/2时，为暗纹由图4可以看出，以P0为圆心的圆环是从虚光源发出的倾角相同的光线干涉的结果，因此，称为“等倾干涉条纹”由（1）式可知?=0时光程差最大，即圆心P0处干涉环级次最高，越向边缘级次越低当d增加时，干涉环中心级次将增高，条纹沿半径向外移动，即可看到干涉环从中心“冒”出；反之当d减小，干涉环向中心“缩”进去由明纹条件可知，当干涉环中心为明纹时，Δ=2d=kλ此时若移动M2（改变d)，环心处条纹的级次相应改变，当d每改变λ/2距离，环心就冒出或缩进一条环纹。

若M2移动距离为Δd，相应冒出或缩进的干涉环条纹数为N，则有??d?N22?d2(l1?l2)???NN （2）式中l1、l2分别为M2移动前后的位置读数实验中只要读出l1、l2和N，即可由（2）式求出波长由明纹条件推知，相邻两条纹的角间距为2dsin?当d增大时??变小，条纹变细变密；当d减小时??增大，条纹变粗变疏所以离环心近处条纹粗而疏，离环心远处条纹细而密 ????????2d?3.等光程位置的确定当M2与M1ˊ不完全平行时，M2和M1ˊ之间形成楔形空气膜，一般情况下屏上将呈现弧形等厚干涉条纹若改变活动镜位置，使M2和M1ˊ的间距d=0，此时由M2和M1ˊ反射到屏上的两束相干光光程差为零，屏上呈现直线形明暗条纹这时活动镜的位置称为等光程位置若改用白光照射，由于白光是复色光，而明暗纹位置又与波长有关因此，只有在d=0的对应位置上，各种波长的光到达屏上时，光程差均为0，形成零级暗纹在零级暗纹附近有几条彩色直条纹稍远处，由于不同波长、不同级次的明暗纹相互重叠，便看不清干涉条纹了由于白光等厚干涉条纹能准确确定等光程位置，可以用来测定透明薄片的厚度当视场内出现彩色直条纹后，继续转动微调手轮，使零级暗纹移到视场中央。

然后在活动镜与分光板之间插入待测薄片，此时由于光程差变化，彩色条纹消失再转动微调手轮，使活动镜向分光板方向移近，当彩色条纹重新出现，并移到视场中央时，活动镜的移动正好抵消了光程差的变化根据以上分析可以推出薄片厚度的测量公式为：?l0?l0b?n?1n0 （3）?l、l式中n0=l.003，为空气的折射率；n为薄片折射率（由实验室给出）；00分别为薄片插入前后的等光程位置读数实验内容】1.观察激光的非定域干涉现象调节干涉仪使导轨大致水平；调节粗调手轮，使活动镜大致移至导轨25～45mm刻度处；调节倾度微调螺丝，使其拉簧松紧适中然后使得激光管发射的激光束从分光板中央穿过，并垂直射向反射镜M1（此时应能看到有一束光沿原路退回）装上观察屏，从屏上可以看到由M1、M2反射过来的两排光点调节M1、M2背面的3个螺丝，使两排光点靠近，并使两个最亮的光点重合这时M1与M2大致垂直（M1′与M2大致平行）然后在激光管与分光板间加一短焦距透镜，同时调节倾度微调螺丝(15、16)，即能从屏上看到一组弧形干涉条纹，再仔细调节倾度微调螺丝，当M1′与M2严格平行时，弧形条纹变成圆形条纹转动微调手轮，使M2前后移动，可看到干涉条纹的冒出或缩进。

仔细观察，当M2位置改变时，干涉条纹的粗细、疏密与d的关系2.测量激光波长（1）测量前先按以下方法校准手轮刻度的零位先以逆时针方向转动微调手轮，使读数准线对准零刻度线；再以逆时针方向转动粗调手轮，使读数准线对准某条刻度线当然也可以都以顺时针方向转动手轮来校准零位但应注意：测量过程中的手轮转向应与校准过程中的转向一致2）按原方向转动微调手轮（改变d值），可以看到一个一个干涉环从环心冒出（或缩进）当干涉环中心最亮时，记下活动镜位置读数l1，然后继续缓慢转动微调手轮，当冒出（或缩进）的条纹数N=100时，再记下活动镜位置读数l2，反复测量多次，由（2）式算出波长，并与标准值（λ0=632.8nm）比较，计算相对不确定度3）数据处理表1 测量数据表???02?dE??????N0 nm， %3.观察白光干涉，测定等光程位置沿逆时针方向转动粗调手轮，将活动镜移至导轨30mm处；再沿逆时针方向转动微调手轮，使d减小，此时条纹变粗、变疏，直到只有3～4个条纹然后调节倾度微调螺丝，使M1′与M2有一微小交角；再沿逆时针方向缓慢转动微调手轮，使屏上条纹最直时，改用白炽灯照射干涉仪，取下观察屏，直接用眼向活动镜方向观察，并继续缓慢转动微调手轮。

当看到彩色直条纹后，记下此时活动镜位置，即为等光程位置移动活动镜时，一定要非常缓慢，因白光干涉条纹只有数条，移动太快就会一晃而过注意事项】干涉仪是精密光学仪器，使用中一定要小心爱护，要认真做到：（1）切勿用手触摸光学表面，防止唾液溅到光学表面上2）调节螺钉和转动手轮时，一定要轻、慢，决不允许强扭硬扳3）反射镜背后的粗调螺钉不可旋得太紧，以防止镜面变形4）调整反射镜背后粗调螺钉时，先要把微调螺钉调在中间位置，以便能在两个方向上作微调5）测量中，转动手轮只能缓慢地沿一个方向前进（或后退），否则会引起较大的空回误差思考题】（1）在什么条件下产生等倾干涉条纹？什么条件下产生等厚干涉条纹?（2）迈克尔逊干涉仪产生的等倾干涉条纹与牛顿环有何不同?（3）为什么在观察激光非定域干涉时，通常看到的是弧形条纹？怎样才能看到圆形条纹?（4）试推导测量公式（3）＋   -全文完-。