“迈克尔逊干涉仪”实验报告

“迈克尔逊干涉仪”实验报告
【引言】
迈克尔逊干涉仪是美国物理学家迈克尔逊（A.A。

Michelson）发明的。

1887年迈克尔逊和莫雷(Morley）否定了“以太”的存在，为爱因斯坦的狭义相对论提供了实验依据.迈克尔逊用镉红光波长作为干涉仪光源来测量标准米尺的长度,建立了以光波长为基准的绝对长度标准，即1m=1 553 164．13个镉红线的波长。

在光谱学方面,迈克尔逊发现了氢光谱的精细结构以及水银和铊光谱的超精细结构，这一发现在现代原子理论中起了重大作用。

迈克尔逊还用该干涉仪测量出太阳系以外星球的大小。

因创造精密的光学仪器，和用以进行光谱学和度量学的研究,并精密测出光速,迈克尔逊于1907年获得了诺贝尔物理学奖.
【实验目的】
(1）了解迈克尔逊干涉仪的原理和调整方法.
（2）测量光波的波长和钠双线波长差.
【实验仪器】
迈克尔逊干涉仪、He—Ne激光器、钠光灯、扩束镜
【实验原理】
1。

迈克尔逊干涉仪结构原理
图1是迈克尔逊干涉仪光路图，点光源
S发出的光射在分光镜G1，G1右表面镀有半
透半反射膜，使入射光分成强度相等的两束。

反射光和透射光分别垂直入射到全反射镜M1
和M2，它们经反射后再回到G1的半透半反射
膜处,再分别经过透射和反射后，来到观察区
域E。

如到达E处的两束光满足相干条件，可
发生干涉现象。

G2为补偿扳,它与G1为相同材料，有相
同的厚度,且平行安装，目的是要使参加干涉
的两光束经过玻璃板的次数相等,波阵面不会发生横向平移。

M1为可动全反射镜,背部有三个粗调螺丝。

M2为固定全反射镜，背部有三个粗调螺丝，侧面和下面有两个微调螺丝.
2.可动全反镜移动及读数
可动全反镜在导轨上可由粗动手轮和微动手轮的转动而前后移动。

可动全反镜位置的读数为:
××.□□△△△ (mm)
(1）××在mm刻度尺上读出。

（2）粗动手轮：每转一圈可动全反镜移动1mm,读数窗口内刻度盘转动一圈共100个小格，每小格为0.01mm ，□□由读数窗口内刻度盘读出。

（3)微动手轮:每转一圈读数窗口内刻度盘转动一格,即可动全反镜移动0.01mm ，微动手轮有100格，每格0。

0001mm ，还可估读下一位。

△△△由微动手轮上刻度读出。

注意螺距差的影响。

3.He —Ne 激光器激光波长测试原理及方法
光程差为： 2cos d δθ=
(2cos (21) ()2
k d k λδθλ
==+⎧⎪
⎨⎪⎩明纹)暗纹 当θ=0时的光程差δ最大，即圆心所对应的干涉级别最高.转动手轮移动M 1，当d 增加时，相当于增大了和k 相应的θ角（或圆锥角)，可以看到圆
环一个个从中心“冒出" ；若d 减小时，圆环逐渐缩小，最后“淹没"在中心处。

每“冒"出或“缩"进一个干涉环，相应的光程差改变了一个波长，也就是M 1与M 2'之间距离变化
了半个波长.
若将M 1与M 2
'之间距离改变了△d 时，观察到N 个干涉环变化，则
2
d N λ
∆=⋅
或
2d
N
λ∆=
由此可测单色光的波长。

4。

钠双线波长差的测量原理和测量方法
从条纹最清晰到条纹消失由于M 1移动所附加的光程差：1212()m L k k λλ==+ 钠双线波长差：2
2m
L λλ∆=
L m 是视场中的条纹连续出现两次反衬度最低时M 1所移动的距离。

【实验内容】
1.测He-Ne 激光的波长
（1)激光直接照射到分光板中部，调整调节螺丝使观察屏上的最大最亮的2个反射点严格重合。

（2)放入扩束镜，使光斑均匀地射到分光板上，调节拉簧螺丝，使屏上出现的圆环的圆心移动到观察屏中央。

(3）调节微调鼓轮向一个方向转动几圈，当看到观察屏上有条纹吞吐了，记录M1的初试位置d1。

（4)继续转动微调鼓轮,每吞吐50个条纹记录一次M1的位置, 连续记录8组数据。

2。

测钠光的双线波长差
(1）点亮钠光灯，使光源与分光板等高并且位于分光板和M 2镜的中心连线的延长线上.转动粗调手轮，使M 1和M 2至G 1的距离大致相等。

（2）取下并轻轻放置好观察屏，直接用眼睛观察。

仔细调节M2后面或下方的调节螺丝，应能看到钠光的等倾条纹。

（3）转动粗调手轮，找到条纹变模糊位置,调好标尺零点。

用微调手轮继续缓缓移动M1，同时仔细观察至条纹反衬度最低时记下M1的位置。

随着光程差的不断变化,按顺序记录六次条纹反衬度最低时M1的位置读数。

相邻两次读数差等于L m 的值.
1。

测He —Ne 激光的波长
(A)
6328A λ公＝ ，
656363281001006328
E λλλ=
⨯⨯≈公公
－－％＝
％ 3.7％ 。

2。

测钠光的双线波长差
5893A λ＝ ,
-3-36123A
0.86860+0.87229+0.92157
=10m =0.2958010m=2.9580103333
m m m m L L L L =
∆+∆+∆⨯⨯⨯⨯⨯2
2
6
5893A 5.87A 22 2.958010
m L λλ∆==≈⨯⨯ . 0 5.97A λ∆= ，
5.87 5.971001005.97
E λλλ∆∆=
⨯⨯≈∆0
－－％＝
％ 1.7％ 。

1、迈克尔逊干涉仪是精密仪器，在旋转调整螺丝和手轮时手要轻，动作要稳。

切勿用手触摸镜片。

2、调测微尺零点方法:先将微调鼓轮沿某一方向（按读数的增或减）旋转至零线，然后以同方向转动粗调鼓轮对齐读数窗口中某一刻度，以后测量时使用微调鼓轮须向同一方向旋转。

3、微调鼓轮有方向空程，实验中如果中途反向转动，则须重新调整零点。

4、用激光束调节仪器时，应防止激光束射入眼睛，使视网膜受伤。

【预习思考题】
（1）说明迈克尔逊干涉仪各光学元件的作用,并简要叙述调出等倾干涉条纹的方法及注意事项.
答：在迈克尔逊干涉仪光路图中，分光板G1将光线分成反射与透射两束；补偿板G2 使两束光通过玻璃板的光程相等；定镜M２和动镜M１分别反射透射光束和反射光束；凸透镜将激光汇聚扩束。

要获得等倾干涉条纹花样，就必须使M１和M2/（M2的虚像）相互平行，即M１和M2相互垂直.另外还要有较强而均匀的入射光。

调节的主要程序是：
①用水准器调节迈氏仪水平；目测调节激光管(本实验室采用激光光源）中心轴线,凸透镜中心及分束镜中心三者的连线大致垂直于定镜M２。

②开启激光电源，用纸片挡住M１，调节M２背面的三个螺钉，使反射光点中最亮的一点返回发射孔；再用同样的方法,使M１反射的最亮光点返回发射孔，此时M１和M2/基本互相平行。

③微调M２的互相垂直的两个拉簧，改变M２的取向，直到出现圆形干涉条纹,此时可以认为M１与M２/已经平行了。

同方向旋动大、小鼓轮,就可以观察到非定域的等倾干涉环纹的“冒"或“缩”.
注意事项：
①迈克尔逊干涉仪是精密仪器，在旋转调整螺丝和手轮时手要轻，动作要稳.切勿用手触摸镜片。

②调测微尺零点方法:先将微调鼓轮沿某一方向（按读数的增或减)旋转至零线，然后以同方向转动粗调鼓轮对齐读数窗口中某一刻度，以后测量时使用微调鼓轮须向同一方向旋转.
③微调鼓轮有方向空程，实验中如果中途反向转动，则须重新调整零点。

④用激光束调节仪器时，应防止激光束射入眼睛，使视网膜受伤。

（2)如何利用干涉条纹的“冒出”和“缩进"现象，测定单色光的波长？
答：每“冒出”或“缩进”一个干涉环，相应的光程差改变了一个波长，也就是M
1与M
2
'
之间距离变化了半个波长.若将M
1与M
2
’之间距离改变了△d时,观察到N个干涉环变化，
则
2
d N λ
∆=⋅
或
2d
N
λ∆=
由此可测单色光的波长。

【讨论思考题】
（1）在观察等倾干涉条纹时,使M1和M2'逐渐接近直至零光程，试描述条纹疏密变化情况。

答：光程差逐渐减小，干涉条纹不断“缩进"，条纹由密变稀。

当光程差减小到零时，条纹在视场中变模糊，视场变成一片亮场。

（2）在测定钠双线波长差的实验中,你是如何理解条纹反衬度随光程差的变化规律的?
答: 1λ与2λ的干涉图样同时加强,条纹最清晰,条纹反衬度V=1，此时移动M1以改变光程差，当一个光波的明条纹与另一光波的暗条纹恰好重叠时，干涉条纹消失，条纹反衬度V=0。

这时由于M1移动为Lm 。

从条纹最清晰（条纹反衬度V=1）到下次条纹最清晰（条纹反衬度V=1），由于M1移动所附加的光程差为2Lm.干涉条纹反衬度随光程差作周期变化.。