迈克尔逊干涉仪 (完整版).doc
迈克尔逊干涉仪
迈克尔逊⼲涉仪3.1.1 迈克尔孙⼲涉仪（本⽂内容选⾃⾼等教育出版社《⼤学物理实验》）1881年美国物理学家迈克尔孙（A.A.Michelson）为测量光速，依据分振幅产⽣双光束实现⼲涉的原理精⼼设计了这种⼲涉测量装置。
迈克尔孙和莫雷（Morey）⽤此⼀起完成了在相对论研究中有重要意义的“以太”漂移实验。
迈克尔孙⼲涉仪设计精巧、应⽤⼴泛，许多现代⼲涉仪都是由它衍⽣发展出来的。
本实验的⽬的是了解迈克尔孙⼲涉仪的原理、结构和调节⽅法，观察⾮定域⼲涉条纹，测量氦氖激光的波长，并增强对条纹可见度和时间相⼲性的认识。
实验原理1．迈克尔孙⼲涉仪的结构和原理迈克尔孙⼲涉仪的原理图如图3.1.1-1所⽰，A和B为材料、厚度完全相同的平⾏板，A的⼀⾯镀上半反射膜，M1、M2为平⾯反射镜，M2是固定的，M1和精密丝杆相连，使其可前后移动，最⼩读数为10-4mm，可估计到10-5mm，M1和M2后各有⼏个⼩螺丝可调节其⽅位。
光源S发出的光射向A板⽽分成（1）、（2）两束光，这两束光⼜经M1和M2反射，分别通过A的两表⾯射向观察处O，相遇⽽发⽣⼲涉，B作为补偿板的作⽤是使（1）、（2）两束光的光程差仅由M1、M2与A板的距离决定。
由此可见，这种装置使相⼲的两束光在相遇之前⾛过的路程相当长，⽽且其路径是互相垂直的，分的很开，这正是它的主要优点之⼀。
从O处向A处观察，除看到M1镜外，还可通过A的半反射膜看到M2的虚像M’2，M1与M2镜所引起的⼲涉，显然与M1、M’2引起的⼲涉等效，M1和M’2形成了空⽓“薄膜”，因M’2不是实物，故可⽅便地改变薄膜的厚度（即M1和M’2的距离），甚⾄可以使M1和M’2重叠和相交，在某⼀镜⾯前还可根据需要放置其他被研究的物体，这些都为其⼴泛的应⽤提供了⽅便。
2．点光源产⽣的⾮定域⼲涉⼀个点光源S发出的光束经⼲涉仪的等效薄膜表⾯M1和M’2反射后，相当于由两个虚光源S1、S 2发出的相⼲光束（图3.1.1-2）。
光纤Michelson干涉仪
3、测量折射率 在图3中，把信号臂一侧的反射端面固定，信号臂光纤端面与反射端 面距离为l0，待测物体长lx，折射率为nx，待测物体置于信号臂光 纤端面与反射端面之间后，式变形为
待测物体长lx；可以测量出来，在式中待测物体折射率nx改变了干涉 光的光强，由光强的变化测量物体的折射率nx．
4、测量微应变、应力
1中虚线方框所示。当激光器发出的光 经3dB耦合器后分成光强相等的两束光， 分别进入干涉仪的信号臂 和参考臂。 由于构成两个光路的光纤都是单模光纤， 但是长度不同，信号臂与参考臂的长度 差即为传感头长度。为了增强干涉效果， 在信号臂和参考臂光纤末端端面镀有高 反射膜。当光在两臂中传输到末端时会 发生发射，两反射光反向传输，再经 3dB 耦合器后被光电探测器接收，转化 为电信号。由于两反射光具有相同的频 率、偏振方向，相位差恒定，故满足干 涉条件。
8、声波探测
声波探测技术具有：声波衰 减小，能够绕山传播，侦 察隔山目标与丛林中的日 标，非其他探测技术所及； 完全采用被动式工作原理， 不易被敌方电子侦察设备 发现、摧毁，也不易受到 电子干扰信号的影响，隐 蔽性强；对于一些低宅目 标或者地面目标，属于雷 达等电子探测的盲区，更 有独特作用．
利用迈克尔逊干涉仪测量隐失场
6、测量压力 图3中，把压力膜片表面镀上一层反射膜作为信号臂 光纤的反射端面，压力膜片距离信号臂光纤端面l0， 当待测压力P作用在膜片上时，P改变式(21)中l0的 来改变Δφ，同时也改变式(11)中的反射率Rf，进而 改变干涉光的光强，来达到测量目的，这种测量 方法精度高，测量压力的范围大且能实现非接触 式测量。 7、检测超声波 一种基于Michelson干涉仪原理构成的非接触式光纤 超声传感系统，用来检测超声波．该传感系统可 以通过固体的表面来探测固体结构中伴随着微裂 纹发生及各种原因造成的振动而产生的声发射．
迈克耳孙干涉仪
第十一章 光学
5
物理学
第五版
M'2
M1
G1
11-5 迈克耳孙干涉仪
d
2(n 1)t k
干涉条纹移动数目
n M2
G2
t
介质片厚度
t k
n 1 2
第十一章 光学
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未加 2(r2 r1) k
M1
加入 2(r2 d nd r1) (k 1)
2(n 1)d
2024/6/12
r1
d
M2
r2
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物理学
第五版
11-5 迈克耳孙干涉仪
例 在迈克耳孙干涉仪的两臂中，分别
插入l 10.0 cm长的玻璃管，其中一个抽成 真空， 另一个则储有压强为 1.013105 Pa 的空气 , 用以测量空气的折射率 n . 设所用 光波波长为546 nm，实验时，向真空玻璃管 中逐渐充入空气，直至压强达到1.013105 Pa 为止 . 在此过程中 ，观察到107.2条干涉条 纹的移动，试求空气的折射率 n .
2
物理学
第五版
11-5 迈克耳孙干ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ仪
二 迈克耳孙干涉仪的主要特性
(1)两相干光束完全分开；
(2)两光束的光程差可调.
M'2 M1
d
d
移动反射镜
d k
2
M1
移
干涉
G1
G2
M2
动 距 离
条纹 移动 数目
第十一章 光学
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11-5 迈克耳孙干涉仪
➢ 干涉条纹的移动
当 M1与 M2 之
间距离变大时 ，圆形
物理学
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(完整版)迈克尔逊干涉研究性实验报告
研究性实验报告迈克逊干涉迈克尔逊干涉摘要：迈克尔逊干涉仪是一个设计非常巧妙的分振幅双光束干涉装置，有光源发出的光，经过分光束镜分成相互垂直的两束光；它们反射回来又经分光束镜相遇发生干涉，其光路实际上是在M1、M2’之间形成了一个空气薄膜，并且这个薄膜的厚度和形状可以根据需要而变化，光源，物光，参考光和观察屏四者在布局上彼此完全分开，每一路都有充分的空间，可以安插其他器件进行调整测量，测量上有很大的灵活性，加上精密的机械传动和读数测量系统，迈克尔逊干涉仪构成了现代各种干涉仪的基础，迈克逊干涉仪既可以使用点光源，也可以使用扩展光源，既可以观察非定域干涉条纹，也可以研究定域干涉条纹，既可以实现等倾干涉，也可以获得等厚干涉条纹。
本实验利用迈克尔逊干涉仪来测量氦氖激光波长。
一、实验目的1.了解迈克尔逊干涉仪的结构和调整方法；2.观察等倾干涉现象；3.测量氦氖激光波长。
二、实验仪器迈克尔逊干涉仪，氦氖激光器，小孔，扩束镜，毛玻璃三、实验原理1.仪器光路原理1G1和G2是两块平行放置的平行平面玻璃板，它们的折射率和厚度都完全相同。
G1的背面镀有半反射膜，称作分光板。
G2称作补偿板。
M1和M2是两块平面反射镜，它们装在与G1成45º角的彼此互相垂直的两臂上。
M2固定不动，M1可沿臂轴方向前后平移。
由扩展光源S发出的光束，经分光板分成两部分，它们分别近于垂直地入射在平面反射镜M1和M2上。
经M1反射的光回到分光板后一部分透过分光板沿E的方向传播，而经M2反射的光回到分光板后则是一部分被反射在E方向。
由于两者是相干的，在E处可观察到相干条纹。
光束自M1和M2上的反射相当于自距离为d的M1和M2ˊ上的反射，其中M2ˊ是平面镜M2为分光板所成的虚像。
因此，迈克尔逊干涉仪所产生的干涉与厚度为d、没有多次反射的空气平行平面板所产生的干涉完全一样。
经M1反射的光三次穿过分光板，而经M2反射的光只通过分光板一次，补偿板就是为消除这种不对称性而设置的。
迈克尔孙干涉仪.
以一个大气压空气的过程中观察到107.2 条条纹移 动，所用波长为546nm。求空气的折射率？
M1
A M2
S
B
M1
解：设空气的折射率为 n
2nl 2l 2l(n 1) S
A M2
B
相邻条纹或说条纹移动一条时，对
应光程差的变化为一个波长，当观
12-6 迈克耳逊干涉仪
一、迈克耳逊干涉仪
光束2′和1′发生干涉 若M1、M2平行
等倾条纹
若M1、M2有小夹角 等厚条纹
若条纹为等厚条纹，M1平移d 时，干涉条移过N条，则有：
应用：
M2 M1
2
G1 G2 M1
S
1
半透半反膜 2 1
d N
2
微小位移测量
测折射率
例.在迈克耳逊干涉仪的两臂中分别引入 10 厘米长
察到107.2 条移过时，光程差的改变
量满足：
2l(n 1) 107.2 迈克耳.0002927 由条纹的变化测量有关
2l
参数。精度高。
迈克尔逊干涉仪
解：根据题意：
2d k 2d (k 10)
2d cos (k 10) 2dcos (k 10 5)
解得： k 20
迈克尔逊
（A.A.Michelson）
美籍德国人 因创造精密光学仪器，用 以进行光谱学和度量学的 研究，并精确测出光速， 获1907年诺贝尔物理奖。
迈克耳孙干涉仪至今仍是许多光学仪器的核心。
反射镜M2
扩束镜
反射镜M1
激光器
分光板 观察屏
补偿 板
二、迈克尔逊干涉仪的原理
M1的虚像位于 M1 ，M1~M2 可 以看成一空气膜
N 2(n 1)d / 0
M2
(2) (2)
d
M1
O
十字 叉线
(1) (1)
C
条纹移
过N条
等厚条纹
三、迈克尔逊干涉仪的应用
想一想
如何测量气体的折射率？ 装入气体 抽真空
L
气体室
n 1 N0 2L
M2
(2) (2)
M1
(1)
(1)
O
C
等厚条纹
三、迈克尔逊干涉仪的应用
测量气体 的折射率
n N0 1
(1) 当M1与M2垂直， 会产生等倾条纹。
M2
(2) (2) M1
M1
(1) (1)
O
C
二、迈克尔逊干涉仪的原理
二、迈克尔逊干涉仪的原理
二、迈克尔逊干涉仪的原理
M1的虚像位于 M1 ，M1~M2 可 以看成一空气膜
(1) 当M1与M2垂直， 会产生等倾条纹。
(2) 当M1与M2不垂直， 会产生等厚条纹。
M1 A M2
B
测量结果： n 107.2 0 1 1.0002927
迈克尔逊干涉仪的原理与应用（doc）
迈克尔逊干涉仪的原理与应用在大学物理实验中，使用的是传统迈克尔逊干涉仪，其常见的实验内容是：观察等倾干涉条纹，观察等厚干涉条纹，测量激光或钠光的波长，测量钠光的双线波长差，测量玻璃的厚度或折射率等。
由于迈克尔逊干涉仪的调节具有一定的难度，人工计数又比较枯燥，所以为了激发学生的实验兴趣，增加学生的科学知识，开阔其思路，建议在课时允许的条件下，向学生多介绍一些迈克尔逊干涉仪的应用知识。
这也是绝大多数学生的要求。
下面就向大家介绍一些利用迈克尔逊干涉仪及其原理进行的测量。
一、传统迈克尔逊干涉仪的测量应用1. 微小位移量和微振动的测量[11-14]；采用迈克尔逊干涉技术,通过测量ＫＤＰ晶体生长的法向速率和台阶斜率来研究其台阶生长的动力学系数、台阶自由能、溶质在边界层内的扩散特征以及激发晶体生长台阶的位错活性。
He-Ne激光器的激光通过扩束和准直后射向分束镜,参考光和物光分别由反射镜和晶体表面反射,两束光在重叠区的干涉条纹通过物镜成像,该像用摄像机和录像机进行观察和记录.滤膜用于平衡参考光和物光的强度.纳米量级位移的测量：将迈克尔逊型激光干涉测量技术应用于环规的测量中。
采用633nm稳频的He-Ne激光波长作为测量基准，采用干涉条纹计数，用静态光电显微镜作为环规端面瞄准装置，对环规进行非接触、绝对测量，配以高精度的数字细分电路，使仪器分辨力达到5nm；静态光电显微镜作为传统的瞄准定位技术在该装置中得以充分利用，使其瞄准不确定度达到30nm；精密定位技术在该装置中也得到了很好的应用，利用压电陶瓷微小变动原理，配以高精度的控制系统，使其驱动步距达到5nm。
测振结构的设计原理用半导体激光器干涉仪对微振动进行测量时,用一弹性体与被测量（力或加速度)相互作用,使之产生微位移。
将这一变化引到动镜上来,就可以在屏上得到变化的干涉条纹,对等倾干涉来讲,也就是不断产生的条纹或不断消失的条纹。
由光敏元件将条纹变化转变为光电流的变化,经过电路处理可得到微振动的振幅和频率。
迈克尔逊干涉仪的调节和使用。doc
1、仪器的准备：迈克尔逊干涉仪，钠光灯，扩束透镜2、迈克尔逊干涉仪的调节：A．打开钠光灯电源开关，使钠光照射在毛玻璃屏上，形成均匀的扩展光源。
B．调节等高共轴：将钠光灯和扩束透镜放于干涉仪的左侧（扩束透镜在中间），使得钠光灯，扩束透镜与干涉仪上的分光板和补偿板在同一水平高度上，并在同一直线上。
仔细调节扩束透镜与钠光灯的位置，使得观察者可以看到整个M1视野使亮的。
C．调节M1和M2之间的距离：旋转粗动手轮，使得M1和M2至P1镀膜面的距离大致相等D．调出干涉条纹：将笔尖（或者其他易于辨别的物体）至于钠光灯与扩束透镜之间，观察到镜中又三个笔尖的影子（其中2个对应与动镜M1的反射像，另外一个对应于M2的反射像），仔细调节M1和M2背面的三个螺丝，以改变M1和M2的相对方位，直至看到笔尖由三影变成双影。
重复调节，直至观察到干涉条纹。
E．调节干涉条纹：慢慢的细致的调节三个螺丝，直至干涉条纹呈现圆形且涉条纹的中心在视野中央。
仔细调节M2下方的两个微调拉簧螺丝，直至干涉条纹的中心仅随观察者眼睛的上下左右的移动而移动，但不发生条纹的“涌出”或者“陷入”现象。
F．若干涉条纹不明显，慢慢旋转粗动手轮，改变M1和M2之间的距离，使得视野范围内的干涉条纹较为清晰明显。
3、钠光波长的测定：A、慢慢的转动微动首轮，直至视场中出现清晰的，对比度较好的干涉圆环。
B、记录下此时M1镜的位置d1，继续转动微动手轮，说道条纹向内陷入（或者向外涌出）50个条纹时，停止转动微动手轮，再记录下此时M1镜的位置。
重复实验，共测450个条纹的移动。
C、若在实验过程中出现还未测完450个，干涉条纹变得不明显，则说明在调节过程中，M1和M2之间的距离处于临界状态，因此要重新寻找另外一个明显的干涉条纹进行测量。
D、。
实验8--迈克尔逊干涉仪测量He-Ne激光波长(306).doc
图3点光源非定域干涉2θM 2实验8 迈克尔逊干涉仪测量He-Ne 激光波长（306）一、实验目的：1、了解迈克尔逊干涉仪的结构、原理和调节使用方法；2、了解光的干涉现象；观察、认识、区别等倾干涉3、掌握用迈克尔逊干涉仪测He －Ne 激光的波长的方法。
二、实验仪器迈克耳逊干涉仪；He －Ne 激光器三、实验原理如图2示，从光源S 发出的光束射向分光板G 1，被G 1底面的半透半反膜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 2再次反射回并穿过G 1到达E ；光束2穿过补偿片G 2后被定镜M 1反射回，二次穿过G 2到达G 1 并被底层膜反射到达E ；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E 产生干涉条纹。
由M １反射回来的光波在分光板G １的第二面上反射时，如同平面镜反射一样，使M １在M ２附近形成M １的虚像M １′，因而光在迈克尔逊干涉仪中自M ２和M １的反射相当于自M ２和M １′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（M ２和M １′之间所夹）所产生的干涉是等效的。
当M ２和M １′平行时(此时M １和M ２严格互相垂直)，将观察到环形的等倾干涉条纹。
一般情况下，M ２和M １′形成一空气劈尖，因此将观察到近似平行的等厚干涉条纹。
1、 单色光的等倾干涉激光器发出的光波长为λ，经凸透镜L 后会聚S 点。
S 点可看做一点光源，经G １、M １、M ２′的反射，也等效于沿轴向分布的2个虚光源S １′、S ２′所产生的干涉。
因S １′、S ２′发出的球面波在相遇空间处处相干，所以 观察屏E 放在不同位置上，均可看到干涉条纹， 故称为非定域干涉。
当E 垂直于轴线时(见图2)， 调整M １和M ２的方位使相互严格垂直，则可观察到 等倾干涉圆条纹。
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M ２和M １反射的两列相干光波的光程差为δ＝2dcos θ …… （1） 其中θ为反射光⑴在平面镜M ２上的入射角。
大学物理下-迈克尔逊干涉仪实验报告【全文】
精选全文完整版可编辑修改大学物理实验报告3. 实验原理（请用自己的语言简明扼要地叙述，注意原理图需要画出，测试公式需要写明）(1)迈克耳孙干涉仪的结构与光路如图5.3. 1所示为迈克耳孙干涉仪的侧视图图与俯视图，导轨7固定在一只稳定的底座上，底座由三颗调平螺丝9及其锁紧螺丝10来调平。
丝杠6螺距为1mm，转动粗调手轮2，经一对齿轮带动丝杠转动，进而带动移动镜M在导轨上滑动。
移动距离可在毫米刻度尺5上读到1 mm,在窗口3中的刻度盘上读到0.01 mm。
转动微调手轮1,经1:100的蜗轮传动，可实现微动。
微动手轮上的最小刻度为0.0001 mm，可估读到0.00001 mm 。
分光板G1和补偿板G2固定在基座上，不得强扳，且不能用手接触其光学表面。
固定参考镜(定镜)13和移动镜(动镜)11后各有三颗螺丝,用于粗调两者相互垂直，不能拧得太紧或太松，以免使其变形或松动。
固定参考镜13的一侧和下部各有一颗微调螺丝 14和15,可用来微调13的左右偏转和俯视，微调螺丝也不能拧得太松或太紧。
丝杠的顶进力由丝杠顶进螺帽8来调整。
迈克尔逊干涉仪的实验原理如图5.3.2所示。
由光源S发出一束光，射到分光板G1的半透半反膜L上，L使反射光和反射的光强基本相同，所以称G1为分光板。
透过膜层L的光束(1)经G2到达参考镜M1后，被反射回来；被反射的光束(2) 到达移动镜M2后,也被反射回来。
由于(1)、(2)两束光满足光的相干条件，各自反射回来在膜层L所在表面相遇后，就发生干涉,在E处即可观察到干涉条纹。
G2是补偿板，它使光束(1)和(2)经过玻璃的次数相同，当使用白光作为光源时,G2还可以补偿G1的色散。
M1’是在G1中看到的M1的虚像。
(2) 单色点光源等倾干涉条纹的观察及波长的测量如图5.3.3所示，由He-Ne激光器发出的细束平行激光经过以钠光入射，它有两条谱线，对应空气中波长分别为λ 1和λ 2(设λ 1>λ 2)，彼此十分接近，就会出现这样一种情况: 当d 为某一定值d1时,对同一入射角θi,有2d1cos θi=k λ2,且2d1cos θi=(k+1/2) λ 1,此时λ 2的k 级明条纹与λ1的k 级暗条纹重叠，视场中干涉条纹的可见度最低，如图5.3.5所示。
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姓名学号班级
桌号同组人教室基-1303
实验时间 2 015年月日时段指导教师
四、实验内容
1．迈克尔逊干涉仪调节（阅读教材，填写箭头指向部件的名称）
图2 迈克尔逊干涉仪
1）放松M1、M2镜背后的调节螺钉；调节粗调手轮使M1镜移至50mm附近；
调节两个拉簧螺丝至中间位置，即保证上下（或左右）都能拧；
调整光路，让光纤水平，出射激光光束应水平、与分束板成45o角入射；
2）取下观察屏，穿过分束板向M1镜方向看过去。
细心调整M1、M2镜后的调节螺钉，改变反射镜的倾度，使两列像点中最亮的两个点在M1中心附近完全重合。
（会看到光点闪耀，伴有不清晰的干涉条纹）。
3）安上观察屏，仔细观察可看到干涉条纹，即点光源的非定域干涉条纹。
缓慢调节M2镜下端的两个拉簧螺丝，使干涉条纹呈圆形且圆心大致在视场中心（请特别注意拉簧螺丝的使用）。
若找不到干涉条纹，或无法将圆环调到观察屏中心，则需调整上一步M1中最亮点的位置。
4）轻而缓慢地旋转粗调手轮，移动M1镜，观察干涉条纹的变化。
由干涉条纹的“涌出”、“陷入”判断M1、M2ˊ间距离d的变化情况。
5）调节粗调手轮减小间距d，使衍射环放到到合适测量的大小，准备测量。