迈克耳孙干涉仪的调节和使用实验报告word精品

实验十四迈克耳孙干涉仪的调节和使用迈克耳孙干涉仪在近代物理学的发展中起过重要作用。19世纪末，迈克耳孙

(A.A.Michelson )与其合作者曾用此仪器进行了“以太漂移”实验、标定米尺及推断光谱精细结构等三项著名的实验。第一项实验解决了当时关于“以太”的争论，并为爱因斯坦创立相对论提供了实验依据；第二项工作实现了长度单位的标准化。迈克耳孙发现镉红线

(波长Q643.84696nm )是一种理想的单色光源。可用它的波长作为米尺标准化的基准。他定义

1m=1553164.13镉红线波长，精度达到10-9,这项工作对近代计量技术的发展作出了重要贡献；迈克耳孙研究了干涉条纹视见度随光程差变化的规律，并以此推断光谱线的精细结构。

今天，迈克耳孙干涉仪已被更完善的现代干涉仪取代，但迈克耳孙干涉仪的基本结构仍然是许多现代干涉仪的基础。

【实验目的与要求】

1•学习迈克耳孙干涉仪的原理和调节方法。

2•观察等倾干涉和等厚干涉图样。

3•用迈克耳孙干涉仪测定He - Ne激光束的波长和钠光双线波长差。

【实验仪器】

迈克耳孙干涉仪，He- Ne激光束，钠光灯，扩束镜，毛玻璃

迈克耳孙干涉仪是应用光的干涉原理，测量长度或长度变化的精密的光学仪器，其光路图如图7-1所示。

S-激光束；L-扩束镜；G1-分光板；G2-补偿板；M1、

M2-反射镜；E-观察屏。

图7-1迈克耳孙干涉仪光路图

从氦氖激光器发出的单色光s,经扩束镜L将光束扩束成一个理想的发散光束，该光

束射到与光束成45?倾斜的分光板G1 上, G1的后表面镀有铝或银的半反射膜，光束被半反

射膜分成强度大致相同的反射光(1)和(2)。这两束光沿着不同的方向射到两个平面镜M1和M2上，经两平面镜反射至G1后汇合在一起。仔细调节M1和M2，就可以在E处观察到干涉条

纹。G2为补偿板，其材料和厚度与G相同，用以补偿光束（2）的光程，使光束⑵与光束⑴在玻璃中走过的光程大致相等。

F —反肘愤Mt； 2—反财镜12—

碣備面调节螞丝；4一补偿板* 5 —分光扳0：

屏辛7—粗调手轮：8—紧固S?丝；9-

to.】1 一反射镜M2的獄调装爲・

M7-2迈克耳孙干涉仪的结构图

迈克耳孙干涉仪的结构图如图7-2所示。两平面镜M j和M2放置在相互垂直的两臂上。

其中平面镜M2是固定的，平面镜M i可在精密的导轨上前后移动，以便改变两光束的光程差，移动范围在0~100nm内。平面镜M i、M2的背后各有三个微调螺丝（图中的3、12），用以改变平面镜M i、M2的角度。在平面镜M2的下端还附有两个相互垂直的拉簧螺丝

10、

11,可以细调平面镜M2的倾斜度。

移动平面镜M1有两种方式：一是旋转粗调手轮7可以较快地移动M1：二是旋转微调

鼓轮9可以微量移动M1（如果迈克耳孙干涉仪有紧固螺丝8，则在转动微调鼓轮前，先要

拧紧紧固螺丝8,转动粗调手轮前必须松开紧固螺丝8,否则会损坏精密丝杆。若没有紧

固螺丝，直接旋转微调鼓轮9则可微量移动M”。平面镜M1的位置读数由三部分组成：从导轨上读出毫米以上的值；从仪器窗口的刻度盘上读到0.01mm ;在微动手轮上最小刻度

值为0.0001mm，还可估读到0.0001mm的1/10。

【实验原理】

一、等倾干涉条纹

等倾干涉条纹是迈克耳孙干涉仪所能产生的一种重要的干涉图样。如图7-1和图7-3所示,

图7-3光程差计算用

当M i和M2垂直时，像M2是M2对半反射膜的虚象，其位置在M i附近。当所用光源

为单色扩展光源时，我们在E处观察到的干涉条纹可以看作实反射镜M i和虚反射镜M2

所反射的光叠加而成的。

设d为M「M2间的距离，B为入射光束的入射角，6为折射角，由于M「M2间是空气层，折射率n=1, 6 6。当一束光入射到M i、M2镜面而分别反射出（1）、（2）两条光束时，由于（1）、（2）来自同一光束，是相干的，两光束的光程差3为

、•二AC BC -AD 二-2d sinrtg v - 2d COST

COS6

当d 一定时，光程差3随着入射角6的变化而改变，同一倾角的各对应点的两反射光线都具有相同的光程差，这样的干涉，其光强分布由各光束的倾角决定，称为等倾干涉条纹。当用单色光入射时，我们在毛玻璃屏上观察到的是一组明暗相间的同心圆条纹，而干涉条纹的级次以圆心为最大（因3= 2dcon 6=m入当d 一定时，6越小，con 6越大，m的级数也就越大）。

当d减小（即M i向M2靠近）时，若我们跟踪观察某一圈条纹，将看到该干涉环变小，向中心收缩（因d变小，对某一圈条纹2dcon 6保持恒定，此时6就要变小）。每当d减小”2, 干涉条纹就向中心消失一个。当M i与M；接近时，条纹变粗变疏。当M i与M2完全重合（即

d=0）时，视场亮度均匀。

、测量光波的波长

在等倾干涉条件下，设 M i 移动距离？d ，相应冒出（或消失）的圆条纹数N ,则

1

.：d N-

（1）

2

由上式可见，我们从仪器上读出 ？d ,同时数出相应冒出（或消失）的圆条纹数N ，就可

以计算出光波的波长 "

*三、等厚干涉条纹

若M i 不垂直M 2,即M i 与M ‘2不平行而有一微小的夹角， 且在M i 与M ‘2相交处附近，

两者形成劈形空气膜层。此时将观察到等厚干涉条纹，凡劈上厚度相同的各点具有相同的 光程差，

由于劈形空气层的等厚点的轨迹是平行于劈棱

（即M i 与M 2的交线）的直线，所以

等厚干涉条纹也是平行于 Mi 与M ；的交线的明暗相间的直条纹。

当M i 与M 2相距较远时，甚至看不到条纹。若移动 M i 使M i 与M 2的距离变小时，开始出 现清晰地条纹，条纹又细又密，且这些条纹不是直条纹，一般是弯曲的条纹，弯向厚度大 的一侧，即条纹的中央凸向劈棱。在

M i 接近M 2的过程中，条纹背离交线移动，并且逐渐

变疏变粗，当M i 与M 2相交时，出现明暗相间粗而疏的条纹。其中间几条为直条纹，两侧 条纹随着

离中央条纹变远，而微显弯曲。

|匸:

讣IX 擁丈，

汁}詞较小.

U 孑"仇

条皱粗而更 克度均匀

2）凶牧小・

（,} 较大、

燥蚊粗闻疏 董就期丽密

图7-4等倾干涉条纹

当M i 继续沿原方向前进时, d 逐渐由零增加，将看到干涉条纹一个一个地从中心冒出

来，每当d 增加"2，就从中间冒出一个，随着 表

示d 变化时对于干涉条纹的影响。 d 的增加，条纹重叠成模糊一片，图

7-4