“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％ 。