大学物理实验光学详解.ppt

迈克尔逊干涉仪实验 迈克尔逊干涉仪是1887年美国物理学家迈克尔逊和莫雷为研究“以太”漂移而设计制造的精密光学仪器。该实验结果否定了“以太”的存在，为爱因斯坦建立狭义相对论奠定了基础。为此获得了1883年诺贝尔物理学奖。迈克尔逊干涉仪不仅可以观察光的等厚、等倾干涉现象，精密地测定光波波长、微小长度、光源的相干长度等，还可利用它的原理制成各种专用干涉仪器，广泛应用于生产和科研各领域。迈克尔逊首倡用光波波长作为长度基准，提出在天文学中利用干涉效应的可能性，并用自己设计的星体干涉仪测量了恒星参宿四的直径。荣获1907年诺贝尔物理学奖。 一、实验目的 1、了解迈克尔逊干涉仪的原理、结构，掌握其调节与使用方法。 2、掌握使用迈克尔逊干涉仪测量氦－氖激光光波波长的方法。 二、实验仪器：迈克尔逊干涉仪，氦－氖激光器 水平调节螺丝 1、光路部件 2、读数部件 3、调节部件 单色光源 反射镜 反射镜 ，与 成 角。 补偿板 移动导轨 分光板 三、实验原理 1、点光源产生的非定域干涉 d S 2d G1 R 电光源S发出的光经 和 反射后的干涉，相当于两个虚光源 和 的干涉。这两束球面波的干涉在光场叠加区的任何位置都能观察到，因此称为非定域干涉。 根据两反射镜的空间取向，非定域干涉可观察到等倾干涉和等厚干涉。 当两反射镜严格垂直，且到分光板反射膜的距离差为d 时，从观察屏方向看,M2的像与M1组成一个厚度为d的空气膜，相当于一个空气薄膜的干涉。 2、等倾干涉 可以证明，入射光线在膜上下表面反射时的光程差为 d S d S 相干加强（明条纹）的条件为： 等倾干涉的特点： 相同的光线入射到膜表面上应该在同一圆锥面上，而反射光经透镜会聚后分别相交于焦平面上的同一个圆环上。因而形成一组明暗相间的同心圆环。中心干涉级次最高 θ 0° ； 移动M1，使d增大，可观察到不断有条纹从中心吐出；相反，减小d则条纹不断从中心吞进。吞进或吐出的条纹数目N与M1移动的距离Δd 满足： 2、等厚干涉（不做） 当 不垂直于 时，可形成劈尖型等厚干涉条纹. 反射镜 反射镜 单色光源 M1 M2’ M1 M2’ M2’ M1 M2’ M1 M1 M2’ （1）、将激光源放置在干涉仪的左端，调整光源，使激光束射向分束镜中央 （2）、转动粗调鼓轮，移动可动反射镜，使两个反射镜与分束镜之间的距离粗略相等。 四、实验内容及要求 （3）、移去观察屏，用眼睛垂直观察分束镜，看到由两个平面镜反射产生的两排光点，调节微调螺丝，使两排光点中最亮的两点重合。重新装上观察屏，可以看到干涉条纹——同心圆环。 1、迈克尔逊干涉仪的调整： 调节M1、M2互相垂直，即M1与M2的像平行。找到同心圆环的干涉条纹。 2、测He-Ne激光器的波长：调节微动手轮，每吞进或吐出30个条纹，从主尺、读数窗口和微动手轮上读出M1的初末位置，吞吐各测3组数据。 调节测微尺的零点（校零）：先将微调鼓轮沿某一方向旋转至零，然后以同方向转动粗调鼓轮对齐读数窗口的任一整刻度。注意：微调与粗调必须同一方向调节！避免引入空程。在调整好零点后，应使微动鼓轮按原方向转几圈，直到干涉条纹开始移动以后，才可开始读数测量。 主尺 读数窗口 微动手轮 最后读数为：33.52246mm 对吞进和吐出条纹的情形分别计算：吞进（吐出）30个条纹，M1移动距离Δd的平均值，计算波长，波长的定值误差。激光波长的标准值为632.8nm。 五、数据处理 等倾干涉 M1初位置 M1末置 ?d N λ 吐环 30 30 30 呑环 30 30 30 激光波长实验值： 波长测量的百分差E： 光栅衍射 衍射光栅是由大量相互平行、等宽、等间距的狭缝或刻痕所组成。利用多缝衍射原理使光发生色散的光学元件，由于光栅具有较大的色散率和较高的分辨本领，它已被广泛地装配在各种光谱仪器中。 一、实验目的 1、观察光栅衍射现象，掌握测定光栅常数、光波波长、角色散率的方法。 3、进一步熟习分光计的调整和使用方法。 二、实验仪器 分光计、平行平面反射镜、汞灯、透射光栅 三、实验原理 d a+b称为光栅常数。 波长为λ的平行光垂直入射光栅，衍射角θ满足如下光栅方程时，得到衍射主极大明纹。 本实验用汞灯作为复合光源，通过分光计的准直管产生平行光垂直照射在光栅上，其衍射图样又通过望远镜的物镜聚焦到分划板上。由上式可得，K级衍射明纹随波长变化，亮纹的衍射角θ也随之变化，从而产生如下的衍射光谱。 -2 -1 0 +1 +2 绿+1级 绿 -1级 黄1 +1 级 黄2 +1 级 黄2 -1 级 黄1 -1 级 本实验已知绿光波长λ 546.1nm，通过测量绿光的衍射角可计算出光栅常数d，再通过测量双黄线的衍射角，可计算出两