迈克尔逊干涉仪的调节和使用

实验报告
班级姓名学号日期
室温25.7℃气压102.51KPa成绩教师
实验名称迈克尔逊干涉仪的调节和使用
【实验目的】
1、了解迈克尔逊干涉仪的工作原理，掌握其调节和使用的方法；
2、应用迈克逊干涉仪，测量He-Ne激光器、扩束镜。

【实验仪器】
迈克尔逊干涉仪、He-Ne激光器、扩束镜。

【实验原理】
迈克尔逊干涉仪的光路和结构如图所示。

M1、M2是一对精密磨
光的平面反射镜，M1的位置是固定的，M2可沿导轨前后移动。

G1、
G2是厚度和折射率都完全相同的一对平行玻璃板，与M1、M2均成
45°角。

G1的一个表面镀有半反射、半透射膜A，使射到其上的光
线分为光强度差不多相等的反射光和透射光；G1称为分光板。

当光
照到G1上时，在半透膜上分成相互垂直的两束光，透射光（1）射
到M1，经M1反射后，透过G2，在G1的半透膜上反射后射向E；反
射光（2）射到M2，经M2反射后，透过G1射向E。

由于光线（2）
前后共通过G1三次，而光线（1）只通过G1一次，有了G2，它们在
玻璃中的光程便相等了，于是计算这两束光的光程差时，只需计算
两束光在空气中的光程差就可以了，所以G2称为补偿板。

当观察者
从E处向G1看去时，除直接看到M2外还看到M1的像M1ˊ。

于是（1）、（2）两束光如同从M2与M1ˊ反射来的，因此迈克尔逊干涉仪中所产生的干涉和M1´～M2间“形成”的空气薄膜的干涉等效。

当M1 和M2ˊ严格平行时，所得的干涉为等倾干涉。

所有倾角为i的入射光束，由M1
和M2ˊ反射光线的光程差△均为
△=2dcosi
M2平行M1’且相距为d，S发出的光对M2来说，如S’
发出的光，而对于E处的观察者来说，S’如位于S2’
一样。

又由于半反射膜G的作用，M1如同处于S1’的
位置，所以E处观察到的干涉条纹，犹如S1’、S2’发
出的球面波，它们在空间处处相干，把观察屏放在E空
间不同位置，都可以看到干涉花纹，因此这一干涉为非
定域干涉。

如果把观察屏放在垂直于S1’、S2’的位置上，则可以看到一组同心圆，而圆心就是S1’,、S2’的连线与屏的交点E 。

设E 处（ES2’=L ）的观察屏上，离中心E 点远处某一点P ，EP 的距离为R ，则两束光的光程差为
2
222)2(R L R d L L +-++=∆
L>>d 时，展开上式并略去d ²/L ²，则有
ϕcos 2/222d R L Ld L =+=∆
式中φ是圆形干涉条纹的倾角。

所以亮纹条件为
2dcos φ=k λ (k=0,1,2,…)
由此式可知，当k 一定时，如果d 逐渐减小，则cos φ将增大，即φ角逐渐减小。

也就是说，同一k 级条纹，当d 减小时，该圆环半径减小，看到的现象是干涉圆环内缩；如果d 逐渐增大，同理看到的现象是干涉条纹外扩。

对于中央条纹，若内缩或外扩N 次，则光程差变化为2Δd=N λ.式中，Δd 为d 的变化量，所以有
λ=2Δd/N
通过此式则能有变化的条纹数目求出光源的波长。

【实验步骤】
1.迈克耳逊干涉仪的基本调节
(1) 点燃氦氖激光器，调节其高度和方向，使激光束大致照到两平面镜M 1、M 2及屏E 的中部，并使从两平面镜反射来的两束光能尽量原路返回，即尽可能回到激光器的出光口。

(2) 上可以看到两排光点，都以最亮者居中。

调节M 1、M 2后面的三个螺丝，使两个最亮点重合（此时M 1、M 2相互垂直）。

此时检查回到激光器的两束光是否仍照在出光口或附近。

2.测量激光光波波长
读数基准线的调整。

调整微调鼓轮旋钮，使0刻度线对准基线，以方便读数。

转动微动旋钮，可以清晰地看到条纹一个一个地“涌出”或“淹没”。

待操作熟练后开始测量，记下刻度鼓轮上的读数d,每次“涌出”或“淹没”N=50个圈时读下d ，连续测量10次，记下10个值d.每测一次算出相应的△d,并及时核对检查N 是否数错。

【实验数据记录及处理】
250N = =632.8nm λ公认50.00015102mm -∆==⨯仪
d ∆=2λ
=∆___
d 0.08278mm
d S ∆ 1.07605*10＾-3mm
()d ∆∆==1.07721*10＾-3mm λ=662.236nm
=∆∆=∆)(2d N λ88.61768nm
最后将实验测得的波长表为 =∆±=λλλ632.8±8.62nm
并与公认值比较，计算其相对误差
100%E λλλ-=⨯=公认
公认|662.236-632.8|/632.8×100％=3.29%
【实验注意事项】
（1）实验中，请勿正视激光光源，以免损伤眼睛。

（2）仪器上的光学元件精度极高，不要用手抚摩或让赃物沾上，切勿正对着光学表面讲话。

（3）一起传动机构相当精密，使用时要轻缓小心，在实验过程中，保持安静，动作要轻，不可有大，重动作，不能随意走动和对着防震台说话。

否则，会引起震动，影响实验，调好光路后，应静止1分钟，让防震台静止下来。

（4）测量过程中，由于仪器存在空程误差，一定要条纹的变化稳定后才能开始测量。

而且,测量一旦开始，微调鼓轮的转动方向就不能中途改变
（5）实验前和实验结束后,所有调节螺丝钉均应处于放松状态,调节时应先使之处于中间状态,以便有双向调节的余地,调节动作均应缓慢。

【实验小结与讨论】
这个实验十分考验一个人的眼力，在数那些“消失”和“涌现”的环的时候，需要数的数目非常的多，达到了450次，要是在中途出现失误或者测得数据，那么工作量会变得巨大。

这个实验也考验人的耐性，因为该实验精度要求十分高，所以所对应的对实验环境的要求也非常严苛。

同学要轻轻的进行实验，不能敲桌子，不能随意走动，不能大声说话，以防止震动影响到实验仪器，导致实验精度降低甚至实验失败。

同时，还考验一个人的细腻，小幅度的转动旋钮，不得回转旋钮，以防出现空程误差。

不得粗暴，以防影响仪器测量精度。