迈克尔逊干涉仪ppt课件.ppt

实验目的实验目的 实验仪器实验仪器 实验原理实验原理 实验步骤实验步骤 数据记录与处理数据记录与处理 注意事项注意事项 了解迈克尔逊干涉仪的干涉原理和迈克尔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。逊干涉仪的结构。 掌握迈克尔逊干涉仪的调整和使用方法。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，测观察非定域干涉条纹、定域干涉条纹，测量单色光（量单色光（氦氖激光氦氖激光）的波长。）的波长。 测量钠光灯的双线波长差。测量钠光灯的双线波长差。 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪，氦氖激光器，钠光，氦氖激光器，钠光灯，白炽灯，毛玻璃屏，扩束镜等。灯，白炽灯，毛玻璃屏，扩束镜等。 实验原理实验原理 光源光源S发出的光经过发出的光经过分束分束板（板（半反镜半反镜）G1以后就分成以后就分成强度相同两束光强度相同两束光1和和2，光束，光束1经过补偿板经过补偿板G2以后由以后由固定反固定反射镜射镜M1反射回来再一次经过反射回来再一次经过补偿板补偿板G2和半反镜和半反镜G1射向观射向观测屏测屏P; ;同时光束同时光束2经过平面经过平面反射镜反射镜M2反射，穿过补偿板反射，穿过补偿板G1也射向观测屏；由于两束也射向观测屏；由于两束光是相干光，所以就可以在光是相干光，所以就可以在观测屏观察到干涉现象。用观测屏观察到干涉现象。用迈克尔逊干涉仪可观察非定迈克尔逊干涉仪可观察非定域干涉和定域干涉，定域干域干涉和定域干涉，定域干涉又分为等倾干涉和等厚干涉又分为等倾干涉和等厚干涉。涉。迈克耳逊干涉仪光路图迈克耳逊干涉仪光路图由氦氖激光经扩束镜汇聚形成的由氦氖激光经扩束镜汇聚形成的点光源点光源S发出的光经平面镜发出的光经平面镜M1和和M2反射后，相当于两虚光源反射后，相当于两虚光源S1和和S2发出的相干光束。发出的相干光束。 S1与与S2间的间的距离为距离为M1和和M2的距离的距离d的两倍。的两倍。虚光源虚光源S1和和S2发出的球面波在其发出的球面波在其相遇的空间处相干，只要观察屏相遇的空间处相干，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，这种域内，都能看到干涉现象，这种干涉叫非定域干涉。干涉叫非定域干涉。虚光源虚光源S1、S2到屏上任一点到屏上任一点A的的光程差光程差1 （暗纹）（明纹）2/) 12(cos2kkd（1） 时的光程差最大，观察屏上圆心处对应干涉条纹的时的光程差最大，观察屏上圆心处对应干涉条纹的级别最高。级别最高。d增大时，若级别增大时，若级别k一定，一定，增大，条纹从中心用增大，条纹从中心用出向外扩张；出向外扩张；d减小时，若减小时，若k一定，一定，减小，条纹向中心收缩，减小，条纹向中心收缩，最后最后“淹没淹没”在中心。每在中心。每“涌出涌出”或或“淹没淹没”一个明圆环，一个明圆环，S1S2的光程差改变一个波长的光程差改变一个波长。设。设M1移动距离移动距离d时，时，“涌涌出出”或或“淹没淹没”的条纹数为的条纹数为N，则，则 (1)(1) 这样在迈克耳逊干涉仪上读出这样在迈克耳逊干涉仪上读出 ，数出条纹变化，数出条纹变化N，就可，就可以求出光波波长以求出光波波长。（2）d较大时，干涉条纹级别较高，且又细又密；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。较小时，干涉条纹级别较低，且又粗又疏。（3）若将）若将作为标准值，测出作为标准值，测出“涌出涌出”或或“淹没淹没”N个圆环的个圆环的（M1移动的距离），与移动的距离），与(1)式算出的理论值比较，可以校正仪式算出的理论值比较，可以校正仪器传动系统的误差。器传动系统的误差。（4）若将传动系统作为基准，则由）若将传动系统作为基准，则由N和和 可测定单色光源可测定单色光源的波长的波长。0Nd /2d实d实d薄膜等倾干涉是分振幅干涉。薄膜等倾干涉是分振幅干涉。设薄膜上下表面平行。如图设薄膜上下表面平行。如图a1与与a2的光程差为的光程差为即入射角相同的点的光程差即入射角相同的点的光程差 相同，故称等倾干涉。干涉相同，故称等倾干涉。干涉图样为同心圆图样为同心圆 。条纹方程条纹方程干涉图象中，随着干涉图象中，随着d 的增大的增大或减小，条纹从中心或减小，条纹从中心“冒出冒出”或向中心或向中心“缩入缩入” 。设。设M1移动移动 d时，时，K的变化量为的变化量为N则则 数出数出N个条纹对应的个条纹对应的 d，即可求出波长，即可求出波长 。cos2d（暗环）明环2) 12()(cos2KKd2Nd 等倾干涉光路图等倾干涉光路图 若上下底面不平行，光线若上下底面不平行，光线经上下表面反射后得到的经上下表面反射后得到的一对相干光一对相干光a1与与a2，将不，将不再平行，如图。设某处膜再平行，如图。设某处膜的厚度为的厚度为d,如果入射角如果入射角以以及的夹角及的夹角都很小时，两都很小时，两束相干光的光程差束相干光的光程差 为为2d22dd干涉条纹沿等厚线分布，故称干涉条纹沿等厚线分布，故称为等厚干涉。为等厚干涉。很小时，很小时， =2=2d d，干涉图样是等距离分布的明暗干涉图样是等距离分布的明暗相间的直条纹；离中央条纹较相间的直条纹；离中央条纹较远处，远处， 影响较大，条纹弯影响较大，条纹弯曲凸向中央条纹，离交线越远，曲凸向中央条纹，离交线越远，条纹越弯曲。条纹越弯曲。等厚干涉原理等厚干涉原理 钠光源的两条临近强谱线的波长钠光源的两条临近强谱线的波长 1和和 2，移动，移动M1，当光程，当光程差满足差满足 时，时， 2光形成的明条纹处光形成的明条纹处 1光形成暗条纹。这时条纹的对比光形成暗条纹。这时条纹的对比度最小。度最小。 当当M1镜继续移动时，两个条纹继续错开，条纹的对比度又逐镜继续移动时，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长差 （2）1221)21(2KKdL122121) 1()(2KKKKdLd2212 实验步骤实验步骤 （1） 调节干涉仪式导轨大致水平，调节粗调手轮，使活动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镜大致移至导轨30mm刻度处，使刻度处，使M1、M2镜与分束镜上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松劲适中，使氦氖激光器大致垂直于M2。（2）调节）调节M1和和M2相互垂直。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，细调在分束镜上，此时屏上一般会出现干涉条纹，细调M2镜镜水平微调螺丝和竖直微调螺丝，直到眼睛晃动观察时无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，说明条纹移动，说明M1和和M2完全垂直。观察屏上出现环状非完全垂直。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。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，观察条纹手轮，观察条纹“涌出涌出”和和“淹没淹没”，判别，判别M1与与M2间的间的距离距离d的变化，观察条纹粗细、疏密情况，判断的变化，观察条纹粗细、疏密情况，判断d的变化，的变化，且与图且与图 进行比较，待操作熟练后，将条纹调好，准备测进行比较，待操作熟练后，将条纹调好，准备测量。量。（1）读数系统的调整。在整个测量过程中只能以同方向转动）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微调手轮使M1镜移动，开始测量前应将微调手轮转动若干镜移动，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。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）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调好的非定域干涉条纹“涌出涌出”（或（或“淹没淹没”）。记下当）。记下当条纹中心最亮和当干涉条纹条纹中心最亮和当干涉条纹“涌出涌出”（“淹没淹没”）的条纹）的条纹数数N=100时时M1镜位置读数镜位置读数d0、d100，将数据填入表格，重复，将数据填入表格，重复测量测量6次。次。（3）根据（）根据（1）式计算出波长）式计算出波长。计算不确定度，并与标准。计算不确定度，并与标准值比较，求出相对误差。值比较，求出相对误差。 非定域干涉条纹测激光波长做完后，调节毛玻璃屏上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。观察射成为扩展的面光源。观察M1镜方向的等倾条纹。进一镜方向的等倾条纹。进一步调节步调节M2镜微调螺钉，使上下移动眼睛时个圆环的大小镜微调螺钉，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，此时反差大，此时M1镜与镜与M2镜完全平行，就可以看到严格的镜完全平行，就可以看到严格的等倾条纹。等倾条纹。 微微转动微微转动M2镜的微调螺钉，此时镜的微调螺钉，此时M1镜与镜与M2镜不再平镜不再平行，转动粗调手轮，使行，转动粗调手轮，使M1镜前后移动，观察干涉条纹的镜前后移动，观察干涉条纹的变化规律，并与图变化规律，并与图 比较。比较。（1）以钠光为光源，使其照射到毛玻璃屏并形成均匀的）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。在毛玻璃屏与分光扩束光源以便于增强条纹的亮度。在毛玻璃屏与分光镜镜P之间放一叉线并进行观察。这时可出现干涉条纹，之间放一叉线并进行观察。这时可出现干涉条纹，仔细慢慢调节仔细慢慢调节M2镜下的水平微调螺丝和竖直微调螺丝，镜下的水平微调螺丝和竖直微调螺丝，使条纹呈圆形。使条纹呈圆形。（2）缓慢移动）缓慢移动M1镜，使视场中心的可见度最小，记下镜，使视场中心的可见度最小，记下M1镜的位置镜的位置d1，再沿原来方向移动，再沿原来方向移动M1镜，直到可见度镜，直到可见度最小，记下最小，记下M1镜的位置镜的位置d2，即得到，即得到d d。（3 3）重复上述步骤）重复上述步骤3 3次，求得次，求得 代入（代入（2 2）式，计算出）式，计算出钠光的双线波长差钠光的双线波长差d 数据记录与处理数据记录与处理 次数次数Nd0/mmd100/mmd/mm123456nm81.632标准1.数据记录数据记录2.数据处理数据处理（1）计算激光波长）计算激光波长 和不确定度和不确定度 。（2）写出测量结果）写出测量结果U%100标标EU 注意事项注意事项 1 切勿用手触摸光学仪器表面。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，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、锁紧螺母不能拧上微调。仪器上所有锁紧螺钉、锁紧螺母不能拧得过紧。得过紧。3 测量中，转动手轮只能缓慢的沿着一个方向移动，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。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。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。不要用眼睛直接看激光。2M1M1M2M与与重重 合合1M2M1M2M1M2M等等 倾倾 干干 涉涉 图图 样样1M2M1M2M1M2M1M2M1M2M等等 厚厚 干干 涉涉 图图 样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）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）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倾干涉条纹迈克尔逊干涉仪等厚干涉条纹迈克尔逊干涉仪等厚干涉条纹