迈克尔逊干涉仪

迈克尔逊干涉仪是利用干涉条纹精确测定长度或长度改变的仪器.它是迈克尔逊在1881年设计成功的。迈克尔逊和莫雷应用该仪器进行了测定以太风的著名实验.后人根据此种干涉仪研制出各种具有实用价值的干涉仪。

预备知识

⏹光程：光波实际传播的路径与折射率的乘积，

光程差：，在杨氏干涉的例子里，它的光程差就可以表示

⏹

⏹光程差与相位差的变换关系为：

⏹相干条件：两束光满足频率相同，振动方向相同，相位差恒定时即可成

为相干光源，这时的光强应表达为：

令；对应的位相差为

⏹获得相干光光源的两种常见方法

1.分波阵面法：从同一波阵面上获取对等的两部分作为子光源成

为相干光源；如杨氏实验等。

2.分振幅法：当一束光投射到两种介质的分界面时，它的所有的

反射光线或所有的透射光线会聚在一起时即可发生相干；如薄膜

干涉等。

⏹迈克尔逊干涉仪的结构和工作原理

G2是一面镀上半透半反膜，M1、M2为平面反射镜，M1是固定的，M2和精密丝相连，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。当M2和M1’严格平行时，M2移动,表现为等倾干涉的圆环形条纹不断从中心“吐出”或向中心“消失”。两平面镜之间的“空气间隙”距离增大时，中心就会“吐出”一个个条纹；反之则“吞进”一个个条纹。M2和M1’不严格平行时，则表现为等厚干涉条纹，M2移动时，条纹不断移过视场中某一标记位置，M2平移距离d 与条纹移动数N 的关系满足。

迈克尔逊干涉仪示意

经M2反射的光三次穿过分光板，而经M1反射的光只通过分光板一次.补偿板就是为了消除这种不对称而设置的.在使用单色光源时，补偿板并非必要，可以利用空气光程来补偿；但在复色光源时，因玻璃和空气的色散不同，补偿板则是不可缺少的。

若要观察白光的干涉条纹，两相干光的光程差要非常小，即两臂基本上完全对称，此时可以看到彩色条纹；若M1或M2稍作倾斜，则可以得到等厚的交线处（d=0）的干涉条纹为中心对称彩色直条纹，中央条纹由于半波损失为暗条纹。

实验内容

⏹观察非定域干涉条纹，干涉条纹的形状、疏密及中心“吞”、“吐”条纹

随光程差的改变而变化情况；

⏹测量He-Ne激光的波长，利用公式计算，用适当的数据处理

方法求出值；

⏹测钠黄光波长及钠黄光双线的波长差，观察条纹的可见度的变化；

⏹测量钠黄光的相干长度，观察氦氖激光的相干情况；

⏹调节观察白光干涉条纹，测定透明薄片的折射率.

实验重点

⏹迈克尔逊干涉仪的干涉原理；

⏹非定域干涉和时间相干性；

⏹测量激光波长和介质的折射率.

实验难点

⏹等臂情况下的白光干涉条纹的调节；

⏹有测量介质条件下的白光干涉条纹的调节.

自测题

1.迈氏干涉仪的读数精度是

(1) 0.0001 mm

(2) 0.00001mm

2.迈氏干涉仪的两臂的光程基本相等时，对应的干涉条纹是

(1).圆形条纹

(2).直条纹

3.条纹的“涌出”，说明形成干涉的空气“薄膜”是

(1).变薄

(2).变厚.

4.白光条纹是

(1).定域条纹

(2).非定域条纹.

5.激光条纹是

(1).定域条纹

(2).非定域条纹.

6.观察定域条纹的方法是

(1).用眼睛直接观察.

(2).用毛玻璃接收.

思考题

1.在单色光干涉的条件下，去掉补偿镜是否影响实验的正常进行？

2.测He-Ne激光波长时，要求n尽可能大，为什么？测量数据的处理方法

是什么？

3.如果去掉干涉仪中的补偿板，对哪些测量有影响？哪些测量无影响？

4.白光干涉条纹的出现必须在两臂基本相等的条件下，为什么？

参考书目：

1.《大学物理实验》第二册，谢行恕康世秀霍剑青主编，高等教育出版社

2.《中国大百科全书》I,II 中国大百科全书出版社

3.《光学教程》姚启钧高等教育出版社

4.《光谱仪器设计》