[2017年整理]实验十五 迈克尔逊干涉仪的调节及使用.docVIP

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。 图1 迈克尔逊干涉仪光路图1.干涉仪的光学结构 图1 迈克尔逊干涉仪光路图 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10-5mm。M1、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（ 1— 1—? 微调手轮； 2—? 粗调手轮； 3—? 刻度盘； 4—? 丝杆啮合螺母； 5—? 毫米刻度尺； 6—? 丝杆； 7—? 导轨； 8—? 丝杆顶进螺帽； 9—? 调平螺丝； 10—锁紧螺丝； 11—可动镜M2； 12—观察屏； 13—倾度粗调； 14—固定镜M1； 15—倾度微调； 16—倾度微调； 17—G1、G2 图2 迈克尔逊干涉仪结构图 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 （1） 式中为S2′射到P″点的光线与M2法线之间的夹角。当时，为明纹；当时，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。 图4 电光源产生的等倾干涉条纹 图4 电光源产生的等倾干涉条纹 图3 点光源干涉光路图 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 （2） 式中分别为M2移动前后的位置读数。实验中只要读出和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 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。 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