清华大学物理实验报告-迈克尔孙干涉仪.docxVIP

4.7迈克耳孙干涉仪的调整和使用（由于现场仪器数量所限，本次实验并未做此部分，故只展示实验原理步骤，无实验数据）一.实验目的1. 了解迈克耳孙干涉仪的特点，学会调整和使用它；2. 学习用迈克耳孙干涉仪测量单色光波长及薄玻璃片厚度的方法；二.实验仪器迈克耳孙干涉仪虽有多种多样的形式，但其基本光路如图4.7.1所示。图中S为光源，A、B为平行平面玻璃板，A称为分束镜，在它的一个表面镀有半反射金属膜M，B称为补偿板。C、D为互相垂直的平面镜，A、B与C、D均成45°角。从面光源S发出的一束光，在平行平面玻璃板A的半反射面M上被分成反射光束1和透射光束2。两束光的光强近似相等。光束1射出A后投向C镜，反射回来再穿过A，光束2经过B投向D镜，反射回来再通过B，在膜面M上反射。于是，这两束相干光在空间相遇并产生干涉，通过望远镜或人眼可以观察到干涉条纹。补偿板B的作用是补偿第一束光线因在A板中往返两次所多走的光程，使干涉仪对不同波长的光可同时满足等光程的要求。因此A、B两板的折射率和厚度都应相同，而且两者应互相平行。迈克耳孙干涉仪的结构如图4.7.2所示。一个机械台面4固定在较重的铸铁底座2上，底座上有三个调节螺钉1，用来调节台面的水平。在台面上装有螺距为1mm的精密丝杠3，丝杠的一端与齿轮系统12相连接，转动手轮13或微动鼓轮15都可使丝杠转动，从而使骑在丝杠上的C反射镜6沿导轨5移动。C镜的位置及移动的距离可从装在台面4一侧的毫米标尺、读数窗11及微动鼓轮15上读出。手轮13分为100分格，它每转过1分格，C镜就平移。微动鼓轮15每转一周，手轮随之转过1分格。鼓轮又分为100分格，因此鼓轮转过一格，C镜平移，这样，最小读数可估计到。D镜是固定在镜台上的。C、D两镜的后面各有三个螺钉7，可调节镜面的倾斜度。D镜台下面还有一个水平方向的拉簧螺丝14和一个垂直方向的拉簧螺丝16，其松紧使D镜台产生一极小的变形，从而可以对D镜倾斜度作更精细的调节。9和10分别为分束镜A和补偿板B。C、D两镜面都镀银，A的内表面为半反射面，也镀银。各镜面必须保持清洁。读数测量时应注意以下两点：（1）转动微动鼓轮时，手轮随之转动，但是手轮转动时，鼓轮并不随之转动。因此在读数前应先调整零点，方法如下：将鼓轮15沿某一方向转至零点，然后以同方向转动手轮13使之对齐某一刻度。这以后，在测量时只能仍以同方向转动鼓轮使C镜移动，这样才能使手轮与鼓轮二者读数相对配合。（2）为了使测量结果正确，必须避免引入空程，也就是说，在调整好零点后，应将鼓轮按原方向转几圈，直到干涉条纹开始移动，才可开始读数测量。三．实验原理等倾干涉花样的调整与单色光波长的测量1.产生干涉的等效光路如图4.7.3所示，观察者自O点向C镜看去，除直接看到C镜外，还可以看到D镜经A的膜面反射的像D’。这样，在观察者看来，两相干光束好像是同一束光分别经C和D’反射而来的。因此从光学上讲，迈克耳孙干涉仪所产生的干涉花样与C、D’间的空气层所产生的干涉是一样的，在讨论干涉条纹的形成时，只要考虑C、D’两个面和它们之间的空气层。2.等倾干涉花样的形成与单色光波长的测量当D镜垂直于C镜时，D’与C互相平行，相距为。若光束以同一倾角入射在D’和C上，反射后形成1和2’两束相互平行的相干光，如图4.7.4所示。过P作PO垂直于光线2’，因C和D’之间为空气层，，则两光束的光程差为固定时，在倾角相等方向上两相干光束的光程差均相等。具有相等的的各方向光束形成以圆锥面，因此在无穷远处形成的等倾干涉条纹呈圆环形，这是眼镜对无穷远调焦就可以看到一系列的同心圆。越小，干涉圆环的直径越小，它的级次越高。在圆心处，的值最大，这时所以圆心处的级次最高。当移动C镜使d增加时，圆心的干涉级次越来越高，我们就看到圆环一个一个从中心“冒”出来；反之，当减小时，圆环一个个向中心“缩”进去。由式可知，每当d增加或减少，就会冒出或缩进一个圆环。因此，若已知移动的距离和冒出（缩进）的圆环数，就可以求出波长反之，若已知和冒出的圆环数，就可以求出C镜移动的距离，这就是测量长度的原理。四．实验任务及步骤1.熟悉仪器对照仪器仔细阅读仪器简介一节，掌握本仪器调节及使用的注意事项。充分理解各部分的作用，以便正确、顺利地进行操作。2.调解仪器因为式是根据等倾干涉花样推导出来的，想要利用它来测定，就必须使C、D’互相平行。因此通过调节要求到达有较强而均匀的入射光，同时C、D两镜面互相垂直，调节方法及步骤如下：（1）光源的调节。为了得到较强的均匀入射光，在钠光灯和干涉仪之间加以凸透镜，透镜应靠近干涉仪。使钠光灯窗口的中心、透镜中心、分束镜A的中心及D镜的中心大致等高，且前三者的连线大致垂直于D镜。此时，从O点能看到分别由C、D镜干涉的两个圆形均匀亮光斑。（2）转动手轮，尽量使