10131215_迈克尔逊干涉实验研究性报告doxc.docx

迈克尔逊干涉院系交通科学与工程学院班级 101361姓名王俊哲李僚学号 10131222摘要：迈克尔逊干涉仪是利用分振幅法产生双光束以实现干涉的精密光学仪器。它可以精密地测定光波波长及光源的相干长度。 通过本次迈克尔逊干涉的实验，我们小组熟悉了迈克尔逊干涉仪的结构并掌握了其调整方法，对原理有了较深刻的认识，同时在实验过程中也发现了一些问题。在以下的报告中，我们将系统地阐述实验原理及步骤，对实验数据进行详尽的处理，作进一步的分析，并针对该实验提出自己的看法和改进建议。实验目的：熟悉迈克尔逊干涉仪的结构，掌握其调整方法通过实验观察，认识点光源非定域干涉条纹的形成与特点利用干涉条纹变化的特点测定光源的波长实验原理： (1)迈克尔逊干涉仪的光路图1.1 迈克尔孙干涉光路迈克尔逊干涉仪的光路图如图1.1所示。从光源S发出的一束光射在分束板G1上，将光束分为两部分：一部分从G1半反射膜处反射，射向平面镜M2；另一部分从G1透射，射向平面镜M1。因G1和全反射平面镜M1、M2均成45°角，所以两束光均垂直射到M1、M2上。从M2反射回来的光，透过半反射膜；从M2反射回来的光，为半反射膜反射。二者汇集成一束光，在E处即可观察到干涉条纹。光路中另一平行平板G2与G1平行，其材料厚度与G1完全相同，以补偿两束光的光程差，称为补偿板。图1.2 等厚干涉时的条纹计算在光路中，M1’是M1被G1半反射膜反射所形成的虚像，两束相干光相当于从M1’和M2反射而来，迈克尔逊干涉仪产生的干涉条纹如同M2和M1’之间的空气膜所产生的干涉条纹一样。（2）单色电光源的非定域干涉条纹图1.2 等厚干涉时的光程差计算如图1.2所示，M2平行M1’且相距为d，S发出的光对M2来说，如S’发出的光，而对于E处的观察者来说，S’如位于S2’一样。又由于半反射膜G的作用，M1如同处于S1’的位置，所以E处观察到的干涉条纹，犹如S1’、S2’发出的球面波，它们在空间处处相干，把观察屏放在E空间不同位置，都可以看到干涉花纹，因此这一干涉为非定域干涉。如果把观察屏放在垂直于S1’、S2’的位置上，则可以看到一组同心圆，而圆心就是S1’,、S2’的连线与屏的交点E。设E处（ES2’=L）的观察屏上，离中心E点远处某一点P，EP的距离为R，则两束光的光程差为Ld时，展开上式并略去d2/L2，则有式中φ是圆形干涉条纹的倾角。所以亮纹条件为图1.3点光源非定域干涉2dcosφ=kλ (k=0,1,2,…)①由①式可知，当k、λ一定时，如果d逐渐减小，则cosφ将增大，即φ角逐渐减小。也就是说，同一k级条纹，当d减小时，该圆环半径减小，看到的现象是干涉圆环内缩；如果d逐渐增大，同理看到的现象是干涉条纹外扩。对于中央条纹，若内缩或外扩N次，则光程差变化为2Δd=Nλ.式中，Δd为d的变化量，所以有λ=2Δd/N ②通过②式则能通过变化的条纹数目求出光源的波长。实验仪器：迈克尔逊干涉仪、氦氖激光器、小孔、扩束透镜、毛玻璃。实验步骤：迈克尔逊干涉仪的调整调节激光器，使激光束水平地射到M1、M2反射镜中部并垂直于仪器导轨。方法：首先将M1、M2背面的3个螺钉及2个微调拉簧均拧成半松，然后上下移动、左右旋转激光器并调节激光管俯仰，使激光器入射到M1、M2反射镜的中心，并使M1、M2放射回来的光点回到激光束输出镜面中心点附近。调节M1、M2互相垂直方法：在光源前放置一小孔，让激光束通过小孔入射到M1、M2上，根据放射光点的位置对激光束方位做进一步细调，在此基础上调整M1、M2背面的3个方位螺钉，使两镜的反射光斑均与小孔重合，这时M1与M2基本垂直。点光源非定域干涉条纹的观察和测量将激光器用扩束镜扩束，以获得点光源。这时毛玻璃观察屏上应出现条纹。调节M1镜下方微调拉簧，使之产生圆环非定域干涉条纹，这时M1与M2的垂直程度进一步提高。将另外一块毛玻璃放到扩束镜与干涉仪之间，以便获得面光源。放下毛玻璃观察屏，用眼睛直接观察干涉环，同时仔细调节M1的两个微调拉簧，直至眼睛上下左右晃动时，各干涉环大小不变，即干涉环中心没有被吞吐，只是圆环整体随眼睛一起平动。此时得到面光源定域等倾干涉条纹，说明M1与M2严格垂直。移走小块毛玻璃，将毛玻璃观察屏放回原处，仍观察点光源等倾干涉条纹。改变d值，使条纹外扩或内缩，利用公式λ=2Δd/N测出激光的波长。要求圆环中心每吞吐100个条纹，即明暗变化100次记下一个d值，连续测量10个d值。注意：①测量应沿着手轮顺时针旋转方向进行②测量前必须严格消除空程误差。通常应使手轮顺时针前进之条纹出现吞吐后，在继续右旋微动轮20圈以上数据记录与处理：(原始数据记录见末页，采用一元线性回归法处理数据，进一步提高准确度)未采用改进方法测得的数据与