迈克耳逊干涉仪的使用(教学指导书)

迈克耳逊干涉仪的使用（教学指导）

迈克耳逊干涉仪是根据光的干涉原理制成的一种精密光学仪器，它是一种分振幅双光束干涉仪。迈克耳逊和他的合作者曾用这种干涉仪进行了三项著名的实验：迈克耳逊－莫雷实验，为爱因斯坦创立相对论提供了实验依据；镉红线的发现实现了长度单位的标准化；由干涉条纹视见度随光程变化的规律，可推断光谱线的精细结构。

迈克耳逊干涉仪用途很广：观察干涉现象，研究许多物理因素（如温度、压强、电场、磁场等）对光传播的影响，测波长、测折射率等。

一、教学目的

1、学习调节使用迈克耳逊干涉仪。

2、用迈氏干涉仪测He－Ne激光的波长。

3、观察钠光、白光的等倾和等厚干涉现象。

二、教学要求

1、实验三小时完成。

2、了解迈克耳逊干涉仪的结构、原理，学会它的调节和使用方法。

3、观察、认识、区别等倾干涉和等厚干涉。

4、测量干涉纹移动的数目（每50环）所对应的动镜的坐标位置。

5、计算出He－Ne激光的波长，并对实验结果进行评价，写出合格的实验报告。

三、教学重点和难点

1、重点：掌握迈氏干涉的干涉原理。

2、难点：干涉环的调节。

四、讲授内容（约20分钟）

（采用问答、讨论方式进行） 1、实验原理？

（见黑板上原理图示、右图2）从面光源S 发出的光束射向分光板G 1，被G 1分成振幅大致相等的反射光1和透射光2，光束１被动镜M 1再次反射回并穿过G 1；光束2穿过补偿片G 2后

被定镜M 2反射回，二次穿过G 2达到G 1，并被膜反射；最后两束光是频率相同、振动方向相同、光程差恒定即位相差恒定的相干光，它们在相遇空间产生干涉条纹（非定

域干涉）。 2、分光板G 1的作用？在哪个表面上分光？补偿板G 2的作用？对它有什

么要求？ G 1的作用使分出来的两束光的振幅大致相等。在G 1板的镀银面上分光。G 2

补偿光程，使

两束光不产生光程差。G 2与G 1用同种材料做成，厚度相同，平行放置。

3、单色点光源等倾干涉条纹是怎样形成的？

（用投影仪投示或见黑板示非定域干涉光路图---如上图2示）用短焦矩透镜会聚后发散，可视为点光源S ，点光源S 经M 1、M 2反射后相当于由两个虚光源S 1′、S 2′发出的相干光束，但S 1′和S 2′间的间距为M 1到M 2的虚像M 2′的距离d 的两倍，即S 1′S 2′＝2d ，虚光源S 1′、S 2′发出的球面波在它们相遇的空间（非定域）处处相干。考虑到θ较小，通过计算可得出两相干光束的光程差为δ＝2dcos θ，由干涉明纹条件：δ＝2dcos θ=k λ,

d 、 λ一定时，θ相同则k 同，即同一级次的干涉条纹为分布在锥角为θ的圆锥底面上的同心圆环……等倾干涉条纹。

且在环心处：θ=0，光程差最大，δ＝2d =k λ, 干涉级次最高。

图2点光源非定域干涉

θ

M

2 G 1

G 2

M 2

4、迈氏干涉仪的结构主要由哪几部分构成？

由动镜、定镜、分光镜、补偿镜四个精制的光学镜片组成的干涉系统，一套精密的传动装置组成的观测系统和安放在稳定度大的底座所组成。观测系统可使测读数达7位有效数字。

5、实验主要步骤？

（1）目测粗调使凸透镜中心，激光管中心轴线，分光镜中心大致等高并垂直定镜M

2

，并打开激光光源。

（2）（暂时拿走凸透镜）调激光光束垂直定镜。（标准：定镜反射回的光束，返回激光发射孔。）

（3）调M

1与M

2

垂直。（标准：屏中亮点完全重合。）

（4）在光路中加进凸透镜并调整之，使屏上出现干涉环。

（5）调零。因转动微调鼓轮时，粗调鼓轮随之转动；而转动粗调鼓轮时，微调鼓轮则不动，所以测读数据前，要调整零点。方法：将微调鼓轮顺时针（或逆时针）转至零点，然后以同样的方向转动粗调鼓轮，对齐任意一刻度线。

（6）测量。测干涉圆环从环心“冒出”或向环心“缩入”的环数Δk和对应的动镜移动距离Δd。

6、等倾干涉环里边的级次高还是低？d变化时干涉环如何变化？为什么？

答：干涉环里边级次高，外边级次低。

由干涉明纹条件2dcosθ

k

＝kλ知：在中心处，θ=0，有δ=2d=kλ,光程差最大，因而对应的干涉级次k也最大，即环心级次最高，从圆心向外级次逐渐降低。

当k、λ一定时，若d增大，θ随之增大，则条纹的半径也增大。可以看到，圆环一个个从中心“涌出”后向外扩张，干涉圆环的间隔变小，条纹变细变密；反之，若d减小时，θ随之减小，圆环逐渐缩小，最后“缩入”在中心处，干涉条纹变粗变疏。

五、实验注意事项

1、迈克尔逊干涉仪系精密光学仪器，使用时应注意防尘、防震；不要对着仪器说话、咳

嗽等；测量时动作要轻、要缓，尽量使身体部位离开实验台面，以防震动；保护光学元件的光学表面，不得触摸光学元件的光学表面。

2、激光管两端的高压引线头是裸露的，且激光电源空载输出电压高达数千伏，要警惕误触。

3、测量过程中要防止回程误差，测量时，微调鼓轮只能始终沿一个方向转。

4、激光束光强极高，切勿用眼睛对视，防止视网膜遭永久性损伤。

六、指导要点

1、M

2（或M

1

）镜后的调节螺丝不要旋得过紧，以防镜片受压变形和损坏螺丝，M

2

的两个

拉簧调节螺丝要旋至放松状态，即仪器不用时不要把拉簧拉长。

2、激光工作电流不要超过7mA。

3、正确读取动镜的位置：主要表现为两个副尺读数的配合有错或对两副尺逆着刻度方向读数。

4、调不出干涉环：主要是激光束不垂直定镜或M

2与M

1

不垂直所致。

5、在做选做内容时，长时间调不出白光干涉彩色条纹。

主要原因是不细心、无耐心，微调鼓轮转动一会儿不见彩色条纹就反转。本仪器一般回程差较大（微调鼓轮70～100多次）,反转很费时；

其次可能是转动微调鼓轮时触动了M

2的拉簧螺纹，使M

2

改变了方位。

6、激光管为冷阴极直流激光管，电极分正负极，正极为单极钨杆，负极铝质圆筒用钨杆引出，使用时正负极不能接反，若正负极接反，则正极端将迅速变黑，激光输出显著减少，并严重影响激光管的寿命。