大学物理实验报告之迈克尔逊干涉仪的调节与使用.docx

迈克尔逊干涉仪的调节与使用

实验目的

了解迈克尔逊干涉仪的结构原理并掌握调节方法。

观察等厚干涉、等倾干涉以及白光干涉。

测量钠双线的波长差。

仪器用品

迈克尔逊干涉仪，He-Ne多光束光纤激光器。

实验原理

迈克尔逊干涉仪：

迈克耳孙干涉仪是一个分振幅法的双光束干涉仪，其光路如图所示，它由反射镜M1、M2、分束镜P1和补偿板P2组成。其中M1是一个固定反射镜，反射镜M2可以沿光轴前后移动，它们分别放置在两个相互垂直臂中；分束镜和补偿板与两个反射镜均成45°,且相互平行；分束镜P1的一个面镀有半透半反膜，它能将入射光等强度地分为两束；补偿板是一个与分束镜厚度和折射率完全相同的玻璃板。

迈克耳孙干涉仪的结构如图所示。镜M1、M2的背面各有三个螺丝，调节M1、M2镜面的倾斜度，M1的下端还附有两个互相垂直的微动拉簧螺丝，用以精确地调整M1的倾斜度。M2镜所在的导轨拖板由精密丝杠带动，可沿导轨前后移动。M2镜的位置由三个读数尺所读出的数值的和来确定：主尺、粗调手轮和微调手轮。

如图所示，多光束激光器提供的每条光纤的输出端是一个短焦距凸透镜，经其会聚后的激光束，可以认为是一个很好的点光源S发出的球面光波。S1’为S经M1及G1反射后所成的像，S2’为S经G1及M2反射后所成的像。S2’和S1’为两相干光源，发出的球面波在其相遇的空间处处相干，为非定域干涉，在相遇处都能产生干涉条纹。空间任一点P的干涉明暗由S2’和S1’到该点的光程差Δ=r2-r1决定，其中r2和r1分别为S2’和S1到P点的光程。P点的光强分布的极大和极小的条件是

Δ=kλ（k=0,1,2,…)亮条纹

Δ=(2k+1)λ（k=1,2,…)暗条纹

He-Ne激光波长的测定：

当M1与M2平行时，将观察屏放在与S2’S1’连线相垂直的位置上，可看到一组同心干涉圆条纹，如图所示。

设M1与M2间距离为d,则S2’和S1’距离为2d,S2’和S1’在屏上任一点P的光程差为Δ=2dcosψ，ψ为S2’射到P点的光线与M2法线的夹角。

当改变d,光程差也相应发生改变,这时在干涉条纹中心会出现“冒出”和“缩进”的现象。当d增加入/2,相应的光程差增加入,在中心的条纹干涉级次由k变为k+1,这样就会“冒出”一个条纹;当d减少λ/2,相应的的光程差减少λ,在中心的条纹干涉级次由k变为k-1,这样就会“缩进”一个条纹。因此,根据“冒出”或“缩进”条纹的个数可以确定d的改变量，它可以用来进行长度测量，其精度是光波长量级。当“冒出”或“缩进”了N个条纹，d的改变量δd为δd=Nλ

实验内容

调节干涉仪，观察非定域干涉

（1)水平调节。调节干涉仪底脚螺丝，使仪器导轨平面水平，然后用锁紧圈锁住。

（2)等臂调节。调节粗调手轮移动M2镜，让M1、M2镜与分光板G1大致等距离。

（3)最亮点重合。打开激光开关，检查激光输出嘴的位置和方向，让光束垂直射向M1的中心部位。将观察屏转向一侧并固定，戴上墨镜，直接观察M2镜，视野中呈现两排分别由M1、M2反射回来的亮点，找准每排亮点中最亮的那个点，分别调节M1和M2两个反射镜背后的调节螺丝（先调M1,再调M2),使两排亮点中最亮的光点严格重合，此时说明M1已垂直于M2。注意调节时调节螺丝的松紧要均衡，防止损坏调节螺丝。

（4)条纹移到屏中央。将观察屏转回原位置，若上一步中的最亮点已经严格重合，则观察屏上可以观察到圆形干涉条纹，若没有条纹，可能是亮点没严格重合，或者条纹在屏幕边缘。调节粗调手轮使条纹大小、粗细适中，再轻微调节M1镜上的水平或竖直拉簧螺丝，使圆形条纹的中心位于屏中央。

（5)观察非定域干涉。前后左右移动屏的位置和角度，发现干涉条纹的大小或形状发生变化，证明非定义域干涉是空间处处相干的。

（6)条纹特征与d的关系。调节粗调手轮前后移动M2,观察条纹的“冒出”或“缩进”现象，判断M1’与M2’之间的距离d是变大还是变小，并观察条纹的粗细、疏密和d之间的关系。

测量激光波长

（1)仪器调零。因为旋转微调手轮时，粗调手轮随之变化，而旋转粗调手轮时微调手轮并不随之变化，所以测量前必须调零。方法如下：沿某方向（例如顺时针）将微调手轮调到零并记住旋转方向（为避免空程差，后面的测量都要沿此方向），沿同一方向旋转粗调手轮使之对准某一刻度，注意此后粗调手轮不要再动。测量过程中若需要反方向旋转微调手轮，则一定要重新调零。

（2)测量并计算波长。沿刚才的方向旋转微调手轮，条纹每冒出或缩进50个记录相应的M2的位置，连续记录6次以上，数据记录在表中，用最小二乘法计算激光的波长。

数据处理

平均值为15λ

故本次实验测得氦氖激光的波长为677.56nm

标准偏差sx=i=1

不确定度为μAx=σx=t(p,k)sx=s

考查题

根据迈克耳孙干涉仪的光路,说明各光