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            迈克尔逊干涉仪的调节与使用


            光学实验

            迈克尔逊干涉仪 系列实验
            苏州大学物理实验教学中心

            光学实验

            一、实验目的及要求

            迈克尔逊干涉仪

            迈克尔逊干涉仪的结构、调整和使 用方法; 加深干涉原理的理解; 测量钠光波长及钠黄光波长差; 利用白光干涉测量薄膜折射率; 空气折射率的测定。
            苏州大学物理实验教学中心

            光学实验

            二、实验仪器
            迈克耳逊干涉仪的历史背景

            迈克尔逊干涉仪

            迈克耳逊(Albert Abrham Michelson ,1852 -1931),著 名的实验物理学家。因其在光学精密仪器、光谱学与计量 学研究所作的贡献于1907年获诺贝尔物理学奖。 1883年美国物理学家迈克耳逊和莫雷合作,为研究 “以太”漂移实验而设计制造出来的精密光学仪器。实验 结果否定了以太的存在,解决了当时关于“以太”的争论, 并为爱因斯坦发现相对论提供了实验依据。 苏州大学物理实验教学中心

            光学实验

            二、实验仪器
            观察孔

            迈克尔逊干涉仪

            迈 克 尔 逊 干 涉 仪


            分光板

            光源 反射镜M 反射镜 1

            反射镜M 反射镜 2

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            光学实验

            三、实验测量原理
            等倾干涉原理 (n2 >n1,薄膜上下表面平 行) 2与3的光程差为: S λ ? = n2 ( AB + BC ) ? n1 AD + 1 2 i D n1 λ i = 2en2 cos γ + A 2 γ n2 λ 2 2 2 = 2e n2 ? n1 ? sin i + n1 2 B
            ? λ ?2k 2 ? ?=? ? 2( k + 1 ) λ ? 2 ? ( k = 1 ,2 , ......)

            迈克尔逊干涉仪

            P 2 3 C e L

            加强 明纹

            ( k = 0 ,1 ,2 , ......) 减弱 暗纹 苏州大学物理实验教学中心

            光学实验

            三、实验测量原理
            2 干涉条纹的级次k仅与倾角i 有

            迈克尔逊干涉仪

            ? = 2e n ? n ? sin i +
            2 2 2 1 2

            λ

            关,点光源S发出的光线中,具有 同一倾角的反射光线会聚干涉,形 成同一级次圆环形干涉条纹,称为 等倾干涉条纹。 条纹中心处,入射角i=0 λ ? = 2 en2 + 2 对应条纹级次最高。
            S
            i i i a' a b b'

            P L

            n1 n

            M

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            光学实验

            三、实验测量原理
            在迈克尔逊干涉仪中产生的 干涉相当于厚度为d 的空气薄膜所 产生的干涉,当M1与M2垂直时, 即M1与M2′平行时,可以观察到等 倾干涉条纹。中心处两束相干光 的光程差为:
            1 S 1' G G' 2 2' 2' 1' d M'2(M2的像) M1

            M2

            δ = 2d

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            光学实验

            三、实验测量原理
            若中心处为明条纹,则

            迈克尔逊干涉仪

            δ 1 = 2d = k 2 λ 若改变反射镜的位置,使 中心仍为明条纹,则 δ 2 = 2( d + ?d ) = k 2 λ
            1 ?d = ( δ 2 ? δ 1 ) 2 1 1 = ( k 2 ? k1 )λ = ?kλ 2 2 2 ?d λ= ?k

            只要测出干涉仪中M1移动的距 离?d,并数出相应的“吞吐”环 数?k,就可求出λ.

            苏州大学物理实验教学中心

            光学实验

            四、实验数据要求
            每间隔50条条纹记录数据
            d1

            迈克尔逊干涉仪

            d2

            ?d

            ?d

            1 2 3 4 5 6 7
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            2 ?d λ= ?k

            ?k = 50

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            四、实验数据要求
            简单求解不确定度
            先计算?d的不确定度?

            迈克尔逊干涉仪

            ( ?d 1 ? ? d )2 + ( ? d 2 ? ? d )2 + ? + ( ? d 7 ? ? d )2 mm ?A = 7 × (7 ? 1 )

            ?B =

            0.0001 mm , 3

            ? = ?A 2 + ?B 2

            再计算λ的不确定度?λ
            2 ?λ = ? ?k

            ?k = 50
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            五、实验注意事项
            必须了解仪器的操作和使用方法后方才可开始实验。

            迈克尔逊干涉仪

            为了使测量结果正确,必须避免引入空程,应将手轮按原方向转几圈, 直到干涉条纹开始均匀移动后,才可测量。 在调节和测量过程中,一定要非常细心和耐心,转动手轮时要缓慢、 均匀,切忌用力过猛。 轻拿轻放,避免使光学仪器或元件受到冲击或震动、摔落。 切忌用手触摸元件的光学表面,应拿取磨砂面或边缘。 不能对着光学元件说话、咳嗽、打喷嚏。 绝对不许用手触摸各光学元件,光学表面有灰尘或污痕,可用镜头纸、 丙酮进行处理,切忌用手、衣服等。 实验完毕,数据经检查后方可拆除光路,整理仪器,一切复位。

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            光学实验

            问题 1

            迈克尔逊干涉仪

            动镜移动时,条纹变化有何规律?
            光程差减小,条纹陷入; 光程差增大,条纹冒出。

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            光学实验

            问题 2

            迈克尔逊干涉仪

            动镜移动时,条纹清晰度变化有何规 律?
            光程差减小,清晰度提高; 光程差增大,清晰度减小。

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            光学实验

            问题 3 条纹清晰度变化产生原因?

            迈克尔逊干涉仪

            钠黄光存在两种波长成分。

            根据条纹清晰度近周期变化 测量钠黄光波长差

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            光学实验





            迈克尔逊干涉仪

            迈克尔逊干涉仪还有没有其它的用 途?
            迈克耳逊干涉仪的两臂中便于插放待测样 品,由条纹的变化测量有关参数,精度高。 两臂中放入空气柱,根据气压与空气密度 的关系,根据条纹的移动,测量空气密度与 空气折射率的关系。
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            迈克尔逊干涉仪

            迈克尔逊干涉仪还有没有其它的 用途?
            调出白光干涉条纹 (产生条件?如何调节?) 在光路中加入透明薄膜,移动动镜,重新 调出干涉条纹,根据动镜移动距离,推算 出薄膜折射率。 在光路中加入空气柱 ,将空气柱逐渐抽 真空, 根据干涉条纹的吞吐个数,推算 出空气折射率。

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