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实验一麦克尔逊干涉仪原理和应用
实验一 麦克尔逊干涉仪原理和应用
一、实验目的
1、了解麦克尔逊干涉仪的结构和基本原理。
2、掌握麦克尔逊干涉仪的调节和使用方法。
二、实验内容
1、用氦氖激光器的632.8谱线校正干涉仪的刻度尺。
2、用麦克尔逊干涉仪测量氦氖激光或纳光的波长。
3、用麦克尔逊干涉仪测定纳光双线的波长差。
三、实验仪器
1、麦克尔逊干涉仪 2、氦氖激光器 3、纳光灯及电源变压器
4、扩束透镜 5、细针或叉丝 6、毛玻璃屏 7、读数小灯
四、实验原理
干涉仪是凭借光的干涉原理以测量长度或长度变化的精密光学仪器。干涉仪有多种构造形式,实验室中常用的是麦克尔逊干涉仪,其构造简图如图一所示。和是在相互垂直的两臂上放置的两个平面反射镜,其背面各有三个调节螺丝,用来调节镜面的方位。是固定的,由精密丝杆控制可沿臂前后移动,其移动距离由转盘读出。在两臂相交处,有一与两臂轴各成45的平行平面玻璃板,且在的第二平面上涂以半透(半反射)膜,以便将入射光分成振幅近乎相等的反射光1和投射光2,故又称为分光板。也是一平行平面玻璃板,与平行放置,厚度和折射率均与相同。由于它补偿了光束1和光束2之间附加的光程差,故称为补偿板。
从扩展光源S射来的光,到达分光板后被分为两部分。反射光1在处反射后向着前进,投射光2透过后向着前进。这两列光波分别在上反射后逆着各自的入射方向返回,最后都到达处。既然这两列波来自光源上同一点,因而是相干光,在处的观察者能看到干涉图样。
由于光在分光板的第二面上反射,使在附近形成一平行于的虚像,因而光在麦克尔逊干涉仪中自和的反射,相当于自和的反射。由此可见,在麦克尔逊干涉仪中所产生的干涉,与厚度为的空气膜所才产生的干涉是等效的。
当和平行时(也就是和恰好垂直),将观察到圆形条纹(等倾条纹);当和交成很小角度时,将观察到直线形的干涉条纹(等厚条纹)。在实际应用中,主要是利用圆形和直线形干涉条纹。图二是氦氖激光在麦克尔逊干涉仪中产生的圆形干涉图样。
图一 图二
五、实验步骤
1、用氦氖激光器的谱线校正干涉仪的刻度尺。
将氦氖激光器置于图一S处,并置发散透镜于其前方,调节干涉仪使两镜面距板大致等距。再以一细针置于光源与板之间,则在处的屏幕上可看到细针的两个清晰像。调节与的方位,之两像很好的重合,这时与就近乎平行,即可出现干涉条纹。但有时还需微调和,使两细针的像相对上下左右略有移动而使其更好地重合。
干涉仪调好后即可见到一系列同心圆形的干涉条纹。再细调使干涉条纹的圆心成在屏幕的中心,转动测微旋钮使标准线指在刻度尺上某一起始位置,然后缓慢转动微调鼓轮,使刻度尺上的标线向数值增大的方向移动。同时观察屏幕上的中心圆环是否有变化(益出或陷入)。当出现变化时,记下该刻度尺的读数,而后继续缓慢转动微调鼓轮,同时屏幕上的圆环变化的数目,每当变化了100个时,记下刻度尺相应的读数。如此往下,继续读出刻度尺的一段读数。由式计算得到对应的值。
自己设计一个表格,记录刻度尺的读数及计算得到的对应的值,并记录刻度尺的误差。
2、麦克尔逊干涉仪测定氦氖激光或钠光的波长。
当与相互平行时,所得干涉条纹为等倾干涉,干涉条纹的形状决定于具有相同入射角的光分布的轨迹。
图三
如图三所示,对于点光源 S经和反射后所产生的干涉现象,等效于沿轴向分布的两个点光源和所产生的非定位干涉,当观察屏垂直于轴放置时,屏上亦呈现同心的圆条纹。干涉条纹的位置取决于光程差,只要光程差有 微小的变化,就可明显地看出条纹的移动。自和反射的两光波光程差应为:
(1)
其中为反射光1在平面镜上的入射角。若光束1和2在分光板镀膜面上反射时无位相突变,则对于第级亮条纹有:
(2)
当和的间距逐渐增大时,对于任一级干涉条纹,例如第级,必定以减少其的值来满足,故该干涉条纹向变大(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”;且每当间距增大时就有一个条纹涌出。反之,当间距由大逐渐边小时,最靠近中心的条纹将一个一个地“陷入”中心,且陷入一个条纹,间距的改变亦为。
因此,只要读出涌出或陷入的条纹数,即可得到平面镜以波长为单位而移动的距离。显然,若有个条纹从中心涌出时,则表明相对于移远了
(3)
反之,若有个条纹陷入时,则表明向移近了同样的距离。如果精确测出移动的距离,则可由(3)式计算入射光波的波长。
(1)实验要求:
仔细阅读麦克尔逊干涉仪的使用说明书,了解仪器的实际结构,使用方法和注意事项。在调节和测量过程中,一定要仔细和耐
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