迈克尔孙干涉仪的调整和使用.ppt

迈克尔逊干涉仪的调节和使用,实验目的 实验仪器 实验原理 实验步骤 数据记录与处理 注意事项,山 东 交 通 学 院 大 学 物 理 实 验 中 心,实验目的,了解迈克尔逊干涉仪的干涉原理和迈克尔逊干涉仪的结构。 掌握迈克尔逊干涉仪的调整和使用方法。 观察非定域干涉条纹、定域干涉条纹，测量单色光（氦氖激光）的波长。 测量钠光灯的双线波长差。,实验仪器,迈克尔逊干涉仪，氦氖激光器，钠光灯，白炽灯，毛玻璃屏，扩束镜等。,实验原理,光源S发出的光经过分束板（半反镜）G1以后就分成强度相同两束光1和2，光束1经过补偿板G2以后由固定反射镜M1反射回来再一次经过补偿板G2和半反镜G1射向观测屏P;同时光束2经过平面反射镜M2反射，穿过补偿板G1也射向观测屏；由于两束光是相干光，所以就可以在观测屏观察到干涉现象。用迈克尔逊干涉仪可观察非定域干涉和定域干涉，定域干涉又分为等倾干涉和等厚干涉。,迈克耳逊干涉仪光路图,由氦氖激光经扩束镜汇聚形成的点光源S发出的光经平面镜M1和M2反射后，相当于两虚光源S1和S2发出的相干光束。 S1与S2间的距离为M1和M2的距离d的两倍。虚光源S1和S2发出的球面波在其相遇的空间处相干，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，这种干涉叫非定域干涉。 虚光源S1、S2到屏上任一点A的光程差,1 点光源产生的非定域干涉花样,（1） 时的光程差最大，观察屏上圆心处对应干涉条纹的级别最高。d增大时，若级别k一定，增大，条纹从中心用出向外扩张；d减小时，若k一定，减小，条纹向中心收缩，最后“淹没”在中心。每“涌出”或“淹没”一个明圆环，S1S2的光程差改变一个波长。设M1移动距离d时，“涌出”或“淹没”的条纹数为N，则 (1) 这样在迈克耳逊干涉仪上读出 ，数出条纹变化N，就可以求出光波波长。 （2）d较大时，干涉条纹级别较高，且又细又密； d较小时，干涉条纹级别较低，且又粗又疏。 （3）若将作为标准值，测出“涌出”或“淹没”N个圆环的 （M1移动的距离），与(1)式算出的理论值比较，可以校正仪器传动系统的误差。 （4）若将传动系统作为基准，则由N和 可测定单色光源的波长。,2 等倾干涉 薄膜等倾干涉是分振幅干涉。 设薄膜上下表面平行。如图 a1与a2的光程差为 即入射角相同的点的光程差 相同，故称等倾干涉。干涉 图样为同心圆 。条纹方程 干涉图象中，随着d 的增大 或减小，条纹从中心“冒出” 或向中心“缩入” 。设M1移动d时，K的变化量为N则 数出N个条纹对应的d，即可求出波长。,等倾干涉光路图,3 等厚干涉,若上下底面不平行，光线经上下表面反射后得到的一对相干光a1与a2，将不再平行，如图。设某处膜的厚度为d,如果入射角以及的夹角都很小时，两束相干光的光程差为,干涉条纹沿等厚线分布，故称为等厚干涉。很小时，=2d，干涉图样是等距离分布的明暗相间的直条纹；离中央条纹较远处， 影响较大，条纹弯曲凸向中央条纹，离交线越远，条纹越弯曲。,等厚干涉原理,4 钠黄光双线波长差的测量,钠光源的两条临近强谱线的波长1和2，移动M1，当光程差满足 时， 2光形成的明条纹处1光形成暗条纹。这时条纹的对比度最小。 当M1镜继续移动时，两个条纹继续错开，条纹的对比度又逐渐增加，条纹逐渐清晰。当 时，条纹的对比度再次减小。由上述两式，可得钠双线的波长差 （2）,实验步骤,1 迈克耳逊干涉仪的调节和观察激光非定域干涉条纹 （1） 调节干涉仪式导轨大致水平，调节粗调手轮，使活动镜大致移至导轨30mm刻度处，使M1、M2镜与分束镜上反射膜的距离大致相等。调节倾度微调螺丝，使其拉簧松劲适中，使氦氖激光器大致垂直于M2。 （2）调节M1和M2相互垂直。 （3） 在氦氖激光器的实际光路中加入扩束镜，使扩束光照在分束镜上，此时屏上一般会出现干涉条纹，细调M2镜水平微调螺丝和竖直微调螺丝，直到眼睛晃动观察时无条纹移动，说明M1和M2完全垂直。观察屏上出现环状非定域干涉条纹。如果没有出现干涉条纹，应该移走扩束镜，从头再调。 （4） 观察条纹变化，熟悉仪器的使用。转动干涉仪的微调手轮，观察条纹“涌出”和“淹没”，判别M1与M2间的距离d的变化，观察条纹粗细、疏密情况，判断d的变化，且与图 进行比较，待操作熟练后，将条纹调好，准备测量。,2 测量激光波长 （1）读数系统的调整。在整个测量过程中只能以同方向转动微调手轮使M1镜移动，开始测量前应将微调手轮转动若干周，直到干涉条纹稳定移动后方可开始计数测量。 （2）用非定域干涉条纹测激光波长。缓慢转动微调手轮，让调好的非定域干涉条纹“涌出”（或“淹没”）。记下当条纹中心最亮和当干涉条纹“涌出”（“淹没”）的条纹数N=100时M1镜位置读数d0、d100，将数据填入表格，重复测量6次。 （3）根据（1）式计算出波长。计算不确定度，并与标准值比较，求出相对误差。,3 等倾条纹和等厚条纹的调节与观察（选做） 非定域干涉条纹测激光波长做完后，调节毛玻璃屏上的同心圆条环最大，且圆心在亮斑中心。在扩束镜和分光板之间放一毛玻璃，使激光束经透镜发出的球面波漫射成为扩展的面光源。观察M1镜方向的等倾条纹。进一步调节M2镜微调螺钉，使上下移动眼睛时个圆环的大小不变，而仅仅是圆心随眼睛移动而移动，并且干涉条纹反差大，此时M1镜与M2镜完全平行，就可以看到严格的等倾条纹。 微微转动M2镜的微调螺钉，此时M1镜与M2镜不再平行，转动粗调手轮，使M1镜前后移动，观察干涉条纹的变化规律，并与图 比较。,4 测量钠光双线波长差 （1）以钠光为光源，使其照射到毛玻璃屏并形成均匀的扩束光源以便于增强条纹的亮度。在毛玻璃屏与分光镜P之间放一叉线并进行观察。这时可出现干涉条纹，仔细慢慢调节M2镜下的水平微调螺丝和竖直微调螺丝，使条纹呈圆形。 （2）缓慢移动M1镜，使视场中心的可见度最小，记下M1镜的位置d1，再沿原来方向移动M1镜，直到可见度最小，记下M1镜的位置d2，即得到d。 （3）重复上述步骤3次，求得 代入（2）式，计算出钠光的双线波长差,数据记录与处理,1.数据记录,2.数据处理,（1）计算激光波长 和不确定度 。 （2）写出测量结果,注意事项,1 切勿用手触摸光学仪器表面。 2 调节螺钉和转动手轮时，一定要轻、慢，不能强扭硬扳。反射镜背后的微调螺钉不可旋得太紧，防止镜面变形。调整反射镜背后微调螺钉时，先要把微调螺钉调在中间位置，以便能在两个方向上微调。仪器上所有锁紧螺钉、锁紧螺母不能拧得过紧。 3 测量中，转动手轮只能缓慢的沿着一个方向移动，否则会引起较大空回误差。 4 激光器电源应平稳放置，避免触及其输出电极。 5 不要用眼睛直接看激光。,等 倾 干 涉 图 样,等 厚 干 涉 图 样,微调手轮,粗调手轮,刻度盘,分光板,反光镜,倾度微调,导轨,竖直微调螺丝,观察屏,水平调节螺丝,调平螺丝,锁紧螺丝,迈克尔逊干涉仪结构图（一）,分光板,固定镜M2,可动镜M1,粗调手轮,导轨,迈克尔逊干涉仪结构图（二）,毫米刻度尺,丝杆,迈克尔逊干涉仪等倾干涉条纹,迈克尔逊干涉仪等厚干涉条纹,