2023年[迈克尔逊干涉仪改进创新实验]迈克尔逊干涉仪的改进有哪些.docx

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1、2023年迈克尔逊干涉仪改进创新实验迈克尔逊干涉仪的改进有哪些 迈克尔逊干涉仪改进 迈克尔逊干涉仪,由美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作，为探讨“以太”漂 移而设计制造出来的精密光学仪器。它是利用分振幅法产生双光束以实现干涉。通过调整该干涉仪，可以产生等厚干涉条纹，也可以产生等倾干涉条纹。利用该 仪器的原理，研制出多种专用干涉仪。 迈克尔逊干涉仪的好处： 1 由于干涉仪所产生的干涉条纹由平面M1和M2之间的空气薄膜所产 生的干涉条纹是完全一样的。M1和M2之间所夹的空气层可以随意调 节。假如M1和M2平行、不平行、相交甚至重合。 2 迈克尔逊干涉仪光路中把两束相干光相互分别很远，这样就可以在任 一

2、光路里放进被探讨的东西。通过干涉图像改变可以探讨物质的某些 物理特性。如气体折射|测透亮度的厚度等。 问题探讨：由试验中须要调整M1和M2相互垂直M1和M2相互平行时， 是在没有干涉条纹出现的状况下，利用视场中两个光点的位置来操作的，但实际 会发觉这样的光点一般都有许多。这些光点的出现是源于入射光束在被分光镜分 为两束以及它们在传输过程中所经验的多个玻璃的折射、反射。由下图所示的主 光路传输路径总结一套快速选对对应观测光点的方法。 由图可见，入射光束在分光镜的第一表面和分束面都会有部分光向M1方 向反射，经M1再次反射后，从视察屏上看到右边光点是由分束面反射，即我们 所需的对应光点。透过分光镜

3、的光经M2镜反射后，在补偿镜的两个形成两个向 视察方向反射的光点，右边第三个光点才是由分束面反射。即我们要找的对应光 点。 一、 迈克尔逊干涉仪的原理 干涉条纹是等光程差点的轨迹，因此，要分析某种干涉产生的图 样，必求出相干光的光程差位置分布的函数。 若干涉条纹发生移动，肯定是场点对应的光程差发生了改变，引 起光程差改变的缘由，可能是光线长度L发生改变，或是光路中某段 介质的折射率n发生了改变，或是薄膜的厚度e发生了改变。 （一） 图示迈克尔逊干涉仪原理 1. 图中M1和M2是在相互垂直的两臂上放置的两个平面反射镜，其中 M1是固定的；M2由精密丝杆限制，可沿臂轴前、后移动，移动的距离由刻 度

4、转盘(由粗读和细读2组刻度盘组合而成)读出。在两臂轴线相交处，有一 与两轴成45角的平行平面玻璃板G1，它的其次个平面上镀有半透（半反 射）的银膜，以便将入射光分成振幅接近相等的反射光和透射光，故 G1又称为分光板。G2也是平行平面玻璃板，与G1平行放置，厚度和折射率 均与G1相同。由于它补偿了光线和因穿越G1次数不同而产生的光程差， 故称为补偿板 2. 透过G1向着M1前进，这两束光分别在M2、M1上反射后逆着各自的 入射方向返回，最终都达到E处。因为这两束光是相干光，因而在E处的观 察者就能够看到干涉条纹。 由M1反射回来的光波在分光板G1的其次面上反射时，犹如平面镜反射 一样，使M1在M

5、2旁边形成M1的虚像M1，因而光在迈克尔逊干涉仪中自 M2和M1的反射相当于自M2和M1的反射。由此可见，在迈克尔逊干涉仪 中所产生的干涉与空气薄膜所产生的干涉是等效的。 当M2和M1平行时(此时M1和M2严格相互垂直)，将视察到环形的等倾干 涉条纹。一般状况下，M1和M2形成一空气劈尖，因此将视察到近似平行的 干涉条纹(等厚干涉条纹)。 （二） 公式说明迈克尔逊干涉仪原理 1单色光波长的测定 用波长为的单色光照明时，迈克尔逊干涉仪所产生的环形等倾干涉圆条 纹的位置取决于相干光束间的光程差，而由M2和M1反射的两列相干光波的 光程差为 2dcos i (1) 其中i为反射光在平面镜M2上的入射

6、角。对于第k条纹，则有 2dcos ikk (2) 当M2和M1的间距d渐渐增大时，对任一级干涉条纹，例如k级，必定是以削减cosik的值来满意式(2)的，故该干涉条纹间距向ik变大(cos ik值变小)的方向移动，即向外扩展。这时，视察者将看到条纹似乎从中心向外“涌出”，且每当间距d增加/2时，就有一个条纹涌出。反之，当间距由大渐渐变小时，最靠近中心的条纹将一个一个地“陷入”中心，且每陷入一个条纹，间距的变更亦为/2。 因此，当M2镜移动时，若有N个条纹陷入中心，则表明M2相对于M1移近了 dN (3) 反之，若有N个条纹从中心涌出来时，则表明M2相对于M1移远了同样的距离。 假如精确地测出

7、M2移动的距离d，则可由式(3)计算出入射光波的波长。 2 测量钠光的双线波长差 钠光2条强谱线的波长分别为1589.0 nm和2589.6 nm，移动M2，当光程差满意两列光波和的光程差恰为1的整数倍，而同时又为2的半整数倍，即 k11(k2)2 这时1光波生成亮环的地方，恰好是2光波生成暗环的地方。假如两列光波的强度相等，则在此处干涉条纹的视见度应为零(即条纹消逝)。那么干涉场中相邻的2次视见度为零时，光程差的改变应为 Lk1(k1)2 (k为一较大整数) 由此得 12 于是 =12 式中为1、2的平均波长。 对于视场中心来说，设M2镜在相继2次视见度为零时移动距离为d，则光程差的改变L应

8、等于2d，所以 (4) 二、 迈克尔逊干涉仪的操作步骤 （一） 视察扩展光源的等倾干涉条纹并测波长 1. 点燃钠光灯，使之与分光板G1等高并且位于沿分光板和M1镜的中心线上，转动粗调手轮，使M1镜距分光板G1的中心与M1镜距分光板G1的中心大致相等(拖板上的标记线在主尺32 cm 位置)。 2. 在光源与分光板G1之间插入针孔板，用眼睛透过G1直视M2镜，可看到2组针孔像。细心调整M1镜后面的 3 个调整螺钉，使 2 组针孔像重合，假如难以重合，可略微调整一下M2镜后的3个螺钉。当2组针孔像完全重合时，就可去掉针孔板，换上毛玻璃，将看到有明暗相间的干涉圆环，若干涉环模糊，可轻轻转动粗调手轮，使

9、M2镜移动一下位置，干涉环就会出现。 3. 再细致调整M1镜的2个拉簧螺丝，直到把干涉环中心调到视场中心，并且使干涉环中心随视察者的眼睛左右、上下移动而移动，但干涉环不发生“涌出”或“陷入”现象，这时视察到的干涉条纹才是严格的等倾干涉。 4. 测钠光D双线的平均波长。先调仪器零点，方法是：将微调手轮沿某一方向(如顺时针方向)旋至零，同时留意视察读数窗刻度轮旋转方向；保持 刻度轮旋向不变，转动粗调手轮，让读数窗口基准线对准某一刻度，使读数窗中的刻度轮与微调手轮的刻度轮相互协作。 5. 始终沿原调零方向，细心转动微调手轮，视察并记录每“涌出”或“陷入”50个干涉环时，M1镜位置，连续记录6次。 6

10、. 依据式(5-8)，用逐差法求出钠光D双线的平均波长，并与标准值进行比较。 （二） 视察等厚干涉和白光干涉条纹 在等倾干涉基础上，移动M2镜，使干涉环由细密变粗疏，直到整个视 场条纹变成等轴双曲线形态时，说明M2与M1接近重合。细心调整水平式垂直拉簧螺丝，使M2与M1有一很小夹角，视场中便出现等厚干涉条纹，视察和记录条纹的形态、特点。 2.用白炽灯照明毛玻璃(钠光灯不熄灭)，细心缓慢地旋转微动手轮，M2与M1达到“零程”时，在M2与M1的交线旁边就会出现彩色条纹。此时可拦住钠光，再微小心地旋转微调手轮找到中心条纹，记录视察到的条纹形态和颜色分布。 （三） 测定钠光D双线的波长差 1.以钠光为

11、光源调出等倾干涉条纹。 2.移动M2镜，使视场中心的视见度最小，记录M2镜的位置；沿原方向接着移动M2镜，使视场中心的视见度由最小到最大直至又为最小，再记录M2镜位置，连续测出6个视见度最小时M2镜位置。 3.用逐差法求d的平均值，计算D双线的波长差。 三、 迈克尔逊干涉仪的应用 （一）精密测量长度或光波波长 在实际测量中，通过调整迈克尔逊干涉仪两臂上M1和M2之间的空气 层的距离d，来变更在光屏上的干涉条纹的移动数目N。依据公式： 我们可以很简单算出光波的波长。 同样，假如已知光波波长，我们也可以很简单测量精密的距离。 （二）迈克尔逊莫雷试验 在弄清光波的电磁本质之前，就已经提出光的波动理论并得到完善，以 太存在的假设是很自然和必要的。所谓以太就是光波借以传播的弹性介质，就象声波是借助空 气而传播一样。以太观念提出后，很自然想到或许就是牛顿体系中的肯定空间。因此，一度有很多试验企图去发觉地球相对于以太的速度，从而规定出肯定空间，如 迈克尔逊莫雷试验。 试验分析 ： 从系来看，光线从所需的时间为 光线从所需的时间为 两束光到达望远镜的时间差约为 于是两光束的光程差为 条。 仪器旋转90过程中，望远镜视场中应看到干涉条纹移动