迈克尔逊干涉仪改进创新实验

迈克尔逊干涉仪改进

迈克尔逊干涉仪,由美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作,为研究“以太”漂

移而设计制造出来的精密光学仪器。它是利用分振幅法产生双光束以实现干涉。通过调整该干涉仪,可以产生等厚干涉条纹,也可以产生等倾干涉条纹。利用该

仪器的原理,研制出多种专用干涉仪。

迈克尔逊干涉仪的好处:

﹙1﹚ 由于干涉仪所产生的干涉条纹由平面M1和M2之间的空气薄膜所产

生的干涉条纹是完全一样的。M1和M2之间所夹的空气层可以任意调

节。如果M1和M2平行、不平行、相交甚至重合。

﹙2﹚ 迈克尔逊干涉仪光路中把两束相干光相互分离很远,这样就可以在任

一光路里放进被研究的东西。通过干涉图像变化可以研究物质的某些

物理特性。如气体折射|测透明度的厚度等。

问题讨论:由实验中需要调节M1和M2相互垂直﹙M1和M2相互平行﹚时,

是在没有干涉条纹出现的情况下,利用视场中两个光点的位置来操作的,但实际

会发现这样的光点一般都有很多。这些光点的出现是源于入射光束在被分光镜分

为两束以及它们在传输过程中所经历的多个玻璃的折射、反射。由下图所示的主

光路传输路径总结一套快速选对对应观测光点的方法。

由图可见,入射光束在分光镜的第一表面和分束面都会有部分光向M1方

向反射,经M1再次反射后,从观察屏上看到右边光点是由分束面反射,即我们

所需的对应光点。透过分光镜的光经M2镜反射后,在补偿镜的两个形成两个向

观察方向反射的光点,右边第三个光点才是由分束面反射。即我们要找的对应光

点。

一、 迈克尔逊干涉仪的原理

干涉条纹是等光程差点的轨迹,因此,要分析某种干涉产生的图

样,必求出相干光的光程差位置分布的函数。

若干涉条纹发生移动,一定是场点对应的光程差发生了变化,引

起光程差变化的原因,可能是光线长度L发生变化,或是光路中某段

介质的折射率n发生了变化,或是薄膜的厚度e发生了变化。

(一) 图示迈克尔逊干涉仪原理

1. 图中M1和M2是在相互垂直的两臂上放置的两个平面反射镜,其中

M1是固定的;M2由精密丝杆控制,可沿臂轴前、后移动,移动的距离由刻

度转盘(由粗读和细读2组刻度盘组合而成)读出。在两臂轴线相交处,有一

与两轴成45°角的平行平面玻璃板G1,它的第二个平面上镀有半透(半反

射)的银膜,以便将入射光分成振幅接近相等的反射光⑴和透射光⑵,故

G1又称为分光板。G2也是平行平面玻璃板,与G1平行放置,厚度和折射率

均与G1相同。由于它补偿了光线⑴和⑵因穿越G1次数不同而产生的光程差,

故称为补偿板

2. 透过G1向着M1前进,这两束光分别在M2、M1上反射后逆着各自的

入射方向返回,最后都达到E处。因为这两束光是相干光,因而在E处的观

察者就能够看到干涉条纹。

由M1反射回来的光波在分光板G1的第二面上反射时,如同平面镜反射

一样,使M1在M2附近形成M1的虚像M1′,因而光在迈克尔逊干涉仪中自

M2和M1的反射相当于自M2和M1′的反射。由此可见,在迈克尔逊干涉仪

中所产生的干涉与空气薄膜所产生的干涉是等效的。

当M2和M1′平行时(此时M1和M2严格互相垂直),将观察到环形的等倾干

涉条纹。一般情况下,M1和M2形成一空气劈尖,因此将观察到近似平行的

干涉条纹(等厚干涉条纹)。

(二) 公式解释迈克尔逊干涉仪原理

1.单色光波长的测定

用波长为λ的单色光照明时,迈克尔逊干涉仪所产生的环形等倾干涉圆条

纹的位置取决于相干光束间的光程差,而由M2和M1反射的两列相干光波的

光程差为

Δ=2dcos i (1)

其中i为反射光⑴在平面镜M2上的入射角。对于第k条纹,则有

2dcos ik=kλ (2)

当M2和M1′的间距d逐渐增大时,对任一级干涉条纹,例如k级,必定是以减少cosik的值来满足式(2)的,故该干涉条纹间距向ik变大(cos ik值变小)的方向移动,即向外扩展。这时,观察者将看到条纹好像从中心向外“涌出”,且每当间距d增加λ/2时,就有一个条纹涌出。反之,当间距由大逐渐变小时,最靠近中心的条纹将一个一个地“陷入”中心,且每陷入一个条纹,间距的改变亦为λ/2。

因此,当M2镜移动时,若有N个条纹陷入中心,则表明M2相对于M1移近了

Δd=N (3)

反之,若有N个条纹从中心涌出来时,则表明M2相对于M1移远了同样的距离。

如果精确地测出M2移动的距离Δd,则可由式(3)计算出入射光波的波长。

2. 测量钠光的双线波长差Δλ

钠光2条强谱线的波长分别为λ1=589.0 nm和λ2=589.6 nm,移动M2,当光程差满足两列光波⑴和⑵的光程差恰为λ1的整数倍,而同时又为λ2的半整数倍,即

Δk1λ1=(k2+)λ2

这时λ1光波生成亮环的地方,恰好是λ2光波生成暗环的地方。如果两列光波的强度相等,则在此处干涉条纹的视见度应为零(即条纹消失)。那么干涉场中相邻的2次视见度为零时,光程差的变化应为

ΔL=kλ1=(k+1)λ2 (k为一较大整数)

由此得

λ1-λ2==

于是

Δλ=λ1-λ2==

式中λ为λ1、λ2的平均波长。

对于视场中心来说,设M2镜在相继2次视见度为零时移动距离为Δd,则光程差的变化ΔL应等于2Δd,所以 Δλ= (4)

二、 迈克尔逊干涉仪的操作步骤

(一) 观察扩展光源的等倾干涉条纹并测波长

1. 点燃钠光灯,使之与分光板G1等高并且位于沿分光板和M1镜的中心线上,转动粗调手轮,使M1镜距分光板G1的中心与M1镜距分光板G1的中心大致相等(拖板上的标志线在主尺32 cm 位置)。

2. 在光源与分光板G1之间插入针孔板,用眼睛透过G1直视M2镜,可看到2组针孔像。细心调节M1镜后面的 3 个调节螺钉,使 2 组针孔像重合,如果难以重合,可略微调节一下M2镜后的3个螺钉。当2组针孔像完全重合时,就可去掉针孔板,换上毛玻璃,将看到有明暗相间的干涉圆环,若干涉环模糊,可轻轻转动粗调手轮,使M2镜移动一下位置,干涉环就会出现。

3. 再仔细调节M1镜的2个拉簧螺丝,直到把干涉环中心调到视场中央,并且使干涉环中心随观察者的眼睛左右、上下移动而移动,但干涉环不发生“涌出”或“陷入”现象,这时观察到的干涉条纹才是严格的等倾干涉。

4. 测钠光D双线的平均波长。先调仪器零点,方法是:将微调手轮沿某一方向(如顺时针方向)旋至零,同时注意观察读数窗刻度轮旋转方向;保持

刻度轮旋向不变,转动粗调手轮,让读数窗口基准线对准某一刻度,使读数窗中的刻度轮与微调手轮的刻度轮相互配合。

5. 始终沿原调零方向,细心转动微调手轮,观察并记录每“涌出”或“陷入”50个干涉环时,M1镜位置,连续记录6次。

6. 根据式(5-8),用逐差法求出钠光D双线的平均波长,并与标准值进行比较。

(二) 观察等厚干涉和白光干涉条纹

在等倾干涉基础上,移动M2镜,使干涉环由细密变粗疏,直到整个视

场条纹变成等轴双曲线形状时,说明M2与M1′接近重合。细心调节水平式垂直拉簧螺丝,使M2与M1′有一很小夹角,视场中便出现等厚干涉条纹,观察和记录条纹的形状、特点。

2.用白炽灯照明毛玻璃(钠光灯不熄灭),细心缓慢地旋转微动手轮,M2与M1′达到“零程”时,在M2与M1′的交线附近就会出现彩色条纹。此时可挡住钠光,再极小心地旋转微调手轮找到中央条纹,记录观察到的条纹形状和颜色分布。

(三) 测定钠光D双线的波长差

1.以钠光为光源调出等倾干涉条纹。

2.移动M2镜,使视场中心的视见度最小,记录M2镜的位置;沿原方向继续移动M2镜,使视场中心的视见度由最小到最大直至又为最小,再记录M2镜位置,连续测出6个视见度最小时M2镜位置。

3.用逐差法求Δd的平均值,计算D双线的波长差。

三、 迈克尔逊干涉仪的应用

(一)精密测量长度或光波波长

在实际测量中,通过调节迈克尔逊干涉仪两臂上M1和M'2之间的空气

层的距离Δd,来改变在光屏上的干涉条纹的移动数目ΔN。根据公式:

我们可以很容易算出光波的波长。

同样,如果已知光波波长λ,我们也可以很容易测量精密的距离。

(二)迈克尔逊-莫雷实验

在弄清光波的电磁本质之前,就已经提出光的波动理论并得到完善,以

太存在的假设是很自然和必要的。所谓以太就是光波借以传播的弹性介质,就象声波是借助空 气而传播一样。以太观念提出后,很自然想到或许就是牛顿体系中的绝对空间。因此,一度有许多实验企图去发现地球相对于以太的速度,从而规定出绝对空间,如 迈克尔逊-莫雷实验。

实验分析 : 从系来看,光线①从所需的时间为

光线②从所需的时间为

两束光到达望远镜的时间差约为

于是两光束的光程差为

条。

仪器旋转90˙过程中,望远镜视场中应看到干涉条纹移动


相关范文

  1. 利用迈克尔逊干涉仪测量激光波长的误差分析

    ISSN1672-4305CN12-1352/N 实 验 室 科 学LABORATORY SCIENCE第13卷 第5期 2010年10月 Vol 13 No 5 Oct 2010 实验研究 利用迈克尔逊干涉仪测量激光波长的误差分析 肖文波,何兴道,朱泉水,王 庆,陈学岗 (南昌航空大学大学物理国家 ...

  2. 关于迈克尔逊干涉实验的研究

    研究性报告 --关于迈克尔逊干涉实验的研究 内容摘要:在做迈克尔逊干涉实验的时候,我们主要是以顺时针转动微动轮来获取实验数据,在研究性报告中,我们组同学尝试性地先正向转动微动轮,测出十组实验数据,然后又反向转动微动轮测出十组数据,用两组实验数据计算出得激光波长的平均值来作为实验结果.然后又讨论了实验 ...

  3. 实验六 迈克尔逊干涉仪的调节和使用

    实验五 迈克尔逊干涉仪的调节和使用 一.实验目的 1.了解迈克尔逊干涉仪的构造原理, 掌握迈克尔逊干涉仪的调节方法: 2.学会调节非定域干涉.等倾干涉.等厚干涉和白光干涉条纹, 研究这几种干涉条纹形成的条件和条纹特点, 变化规律及相互间的区别: 3.学会用迈克尔逊干涉仪测定光波波长. 二.实验仪器 ...

  4. 大学物理实验-迈克尔逊干涉仪

    迈克尔逊干涉仪>实验报告 一. 引言 迈克尔逊曾用迈克尔逊干涉仪做了三个闻名于世的实验:迈克尔逊-莫雷以太漂移.推断光谱精细结构.用光波长标定标准米尺.迈克尔逊在精密仪器以及用这些仪器进行的光谱学和计量学方面的研究工作上做出了重大贡献,荣获1907年诺贝尔物理奖.迈克尔逊干涉仪设计精巧.用途广 ...

  5. 对迈克尔逊干涉仪实验中几个问题的讨论

    对迈克尔逊干涉仪实验中几个问题的讨论 杨德甫, 杨能勋, 徐 红 (延安大学物理与电子信息学院, 陕西延安716000) 摘 要:采用光路分析和数据分析等方法对迈克尔逊干涉仪使用实验中所出现的条纹间距.条纹偏 移.条纹粗细等问题进行了讨论.两反射面M1和M ′2的距离和方位是解决问题的两个主要方面. ...

  6. [用迈克尔逊干涉仪测量玻璃折射率]

    评分: 大学物理实验设计性实验 实 验 报 告 实验题目: 用迈克尔逊干涉仪测量玻璃的折射率 班 级: 姓 名:学号: 指导教师: 茂名学院技术物理系大学物理实验室 实验日期:2007年11月29 日 <用迈克尔逊干涉仪测玻璃片折射率>实验提要 实验课题及任务 <用迈克尔逊干涉仪测 ...

  7. 光的干涉专题小论文

    光的干涉实验专题 专业: 姓名: 学号: 一. 摘要 该文主要介绍光的干涉产生的条件,牛顿环 劈尖 迈克逊干涉仪的使用以及牛顿环与劈尖实验 迈克尔逊干涉仪的调节和使用 激光全息照相三个实验的实验内容 实验原理和实验方法.通过对三个实验实验现象的观察,对三个实验进行比较 扩展. 二. 关键词 牛顿环. ...

  8. 迈克尔逊干涉实验

    迈克尔逊干涉 一.填空题 1. 如图1所示干涉是______________干涉. 图1 2.迈克尔迅干涉仪实验中半透半反膜的作用为 二.选择题 1.对迈克尔迅干涉仪实验以下说法正确的是: (A)增加两面镜子之间的距离,屏上出现条纹"吞"现象: (B)增加两面镜子之间的距离,屏上 ...

  9. 迈克尔逊莫雷实验与同时的相对性之间忽略的关系

    迈克尔逊莫雷实验与同时的相对性之间忽略的关系 迈克尔逊一莫雷实验证明了地球参照系的运动对光速没有影响,证明了相对性原理的成立,我们不能用光速验证参考系的运动与否,参考系的运动对光速没有影响. 同时的相对性 假设一列很长的火车在沿平直轨道飞快地匀速行驶.车厢中央有一个光源发出了一个闪光,闪光照到了车厢 ...