“迈克尔逊干涉仪”实验报告.docx

“迈克尔逊干涉仪”实验报告【引言】迈克尔逊干涉仪是美国物理学家迈克尔逊(A.A.Michelson)发明的。1887年迈克尔逊和莫雷(Morley)否定了“以太”的存在，为爱因斯坦的狭义相对论提供了实验依据。迈克尔逊用镉红光波长作为干涉仪光源来测量标准米尺的长度，建立了以光波长为基准的绝对长度标准，即1m=1 553 16413个镉红线的波长。在光谱学方面，迈克尔逊发现了氢光谱的精细结构以及水银和铊光谱的超精细结构，这一发现在现代原子理论中起了重大作用。迈克尔逊还用该干涉仪测量出太阳系以外星球的大小。因创造精密的光学仪器，和用以进行光谱学和度量学的研究，并精密测出光速，迈克尔逊于1907年获得了诺贝尔物理学奖。【实验目的】（1）了解迈克尔逊干涉仪的原理和调整方法。（2）测量光波的波长和钠双线波长差。【实验仪器】迈克尔逊干涉仪、He-Ne激光器、钠光灯、扩束镜【实验原理】1.迈克尔逊干涉仪结构原理图1是迈克尔逊干涉仪光路图，点光源S发出的光射在分光镜G1，G1右表面镀有半透半反射膜，使入射光分成强度相等的两束。反射光和透射光分别垂直入射到全反射镜M1和M2，它们经反射后再回到G1的半透半反射膜处，再分别经过透射和反射后，来到观察区域E。如到达E处的两束光满足相干条件，可发生干涉现象。G2为补偿扳，它与G1为相同材料，有相同的厚度，且平行安装，目的是要使参加干涉的两光束经过玻璃板的次数相等，波阵面不会发生横向平移。M1为可动全反射镜，背部有三个粗调螺丝。M2为固定全反射镜，背部有三个粗调螺丝，侧面和下面有两个微调螺丝。 2.可动全反镜移动及读数 可动全反镜在导轨上可由粗动手轮和微动手轮的转动而前后移动。可动全反镜位置的读数为：. (mm)（1）在mm刻度尺上读出。（2）粗动手轮：每转一圈可动全反镜移动1mm，读数窗口内刻度盘转动一圈共100个小格，每小格为0.01mm，由读数窗口内刻度盘读出。（3）微动手轮：每转一圈读数窗口内刻度盘转动一格，即可动全反镜移动0.01mm，微动手轮有100格，每格0.0001mm，还可估读下一位。由微动手轮上刻度读出。注意螺距差的影响。3.He-Ne激光器激光波长测试原理及方法光程差为： 当=0时的光程差最大，即圆心所对应的干涉级别最高。转动手轮移动M1，当d增加时，相当于增大了和k相应的角（或圆锥角），可以看到圆环一个个从中心“冒出” ；若d减小时，圆环逐渐缩小，最后“淹没”在中心处。 每“冒”出或“缩”进一个干涉环，相应的光程差改变了一个波长，也就是M1与M2之间距离变化了半个波长。若将M1与M2之间距离改变了d时，观察到N个干涉环变化，则 或由此可测单色光的波长。4.钠双线波长差的测量原理和测量方法从条纹最清晰到条纹消失由于M1移动所附加的光程差：钠双线波长差:Lm是视场中的条纹连续出现两次反衬度最低时M1所移动的距离。 【实验内容】1.测He-Ne激光的波长(1)激光直接照射到分光板中部，调整调节螺丝使观察屏上的最大最亮的2个反射点严格重合。(2)放入扩束镜,使光斑均匀地射到分光板上，调节拉簧螺丝，使屏上出现的圆环的圆心移动到观察屏中央。(3)调节微调鼓轮向一个方向转动几圈，当看到观察屏上有条纹吞吐了,记录M1的初试位置d1。(4)继续转动微调鼓轮，每吞吐50个条纹记录一次M1的位置, 连续记录8组数据。2.测钠光的双线波长差(1)点亮钠光灯，使光源与分光板等高并且位于分光板和M2镜的中心连线的延长线上。转动粗调手轮，使M1和M2至G1的距离大致相等。 (2)取下并轻轻放置好观察屏，直接用眼睛观察。仔细调节M2后面或下方的调节螺丝，应能看到钠光的等倾条纹。(3)转动粗调手轮，找到条纹变模糊位置，调好标尺零点。用微调手轮继续缓缓移动M1，同时仔细观察至条纹反衬度最低时记下M1的位置。随着光程差的不断变化，按顺序记录六次条纹反衬度最低时M1的位置读数。相邻两次读数差等于Lm的值。【数据处理】1.测He-Ne激光的波长条纹变化数N1050100150M1的位置d1(mm)33.4029533.4198733.4361933.45258条纹变化数N2200250300350M1的位置d2(mm)33.4691933.4854133.5016833.51782N=N2-N12002002002000.066240.065540.065490.065246.62410-46.55410-46.54910-46.52410-46563 ， 。2.测钠光的双线波长差条纹模糊数k12345633.0642133.3510833.6411533.9328134.2233734.562720.868600.872290.921570.29580 ， 。 ， 。【注意事项】1、迈克尔逊干涉仪是精密仪器，在旋转调整螺丝和手轮时手要轻，动作要稳。切勿用手触摸镜片。2、调测微尺零点方法：先将微调鼓轮沿某一方向（按读数的增或减）旋转至零线，然后以同方向转动粗调鼓轮对齐读数窗口中某一刻度，以后测量时使用微调鼓轮须向同一方向旋转。3、微调鼓轮有方向空程，实验中如果中途反向转动，则须重新调整零点。4、用激光束调节仪器时，应防止激光束射入眼睛，使视网膜受伤。【预习思考题】（1）说明迈克尔逊干涉仪各光学元件的作用，并简要叙述调出等倾干涉条纹的方法及注意事项。答：在迈克尔逊干涉仪光路图中，分光板G1将光线分成反射与透射两束；补偿板G2 使两束光通过玻璃板的光程相等；定镜M和动镜M分别反射透射光束和反射光束；凸透镜将激光汇聚扩束。 要获得等倾干涉条纹花样，就必须使M和M2 /（M2 的虚像）相互平行，即M 和M2 相互垂直。另外还要有较强而均匀的入射光。调节的主要程序是： 用水准器调节迈氏仪水平；目测调节激光管（本实验室采用激光光源）中心轴线，凸透镜中心及分束镜中心三者的连线大致垂直于定镜M 。 开启激光电源，用纸片挡住M ，调节M背面的三个螺钉，使反射光点中最亮的一点返回发射孔；再用同样的方法，使M 反射的最亮光点返回发射孔，此时M 和M2 / 基本互相平行。 微调M 的互相垂直的两个拉簧，改变M 的取向，直到出现圆形干涉条纹，此时可以认为M 与M/ 已经平行了。同方向旋动大、小鼓轮，就可以观察到非定域的等倾干涉环纹的“冒”或“缩”。注意事项：迈克尔逊干涉仪是精密仪器，在旋转调整螺丝和手轮时手要轻，动作要稳。切勿用手触摸镜片。调测微尺零点方法：先将微调鼓轮沿某一方向（按读数的增或减）旋转至零线，然后以同方向转动粗调鼓轮对齐读数窗口中某一刻度，以后测量时使用微调鼓轮须向同一方向旋转。微调鼓轮有方向空程，实验中如果中途反向转动，则须重新调整零点。用激光束调节仪器时，应防止激光束射入眼睛，使视网膜受伤。（2）如何利用干涉条纹的“冒出”和“缩进”现象，测定单色光的波长？答：每“冒出”或“缩进”一个干涉环，相应的光程差改变了一个波长，也就是M1与M2之间距离变化了半个波长。若将M1与M2之间距离改变了d时，观察到N个干涉环变化，则 或由此可测单色光的波长。【讨论思考题】（1）在观察等倾干涉条纹时，使M1和M2逐渐接近直至零光程，试描述条纹疏密变化情况。答：光程差逐渐减小，干涉条纹不断“缩进”，条纹由密变稀。当光程差减小到零时，条纹在视场中变模糊，视场变成一片亮场。（2）在测定钠双线波长差的实验中，你是如何理解条纹反衬度随光程差的变化规律的？答： 与的干涉图样同时加强，条纹最清晰，条纹反衬度V=1，此时移动M1以改变光程差，当一个光波的明条纹与另一光波的暗条纹恰好重叠时，干涉条纹消失，条纹反衬度V=0。这时由于M1移动为Lm。从条纹最清晰（条纹反衬度V=1）到下次条纹最清晰（条纹反衬度V=1），由于M1移动所附加的光程差为2Lm。干涉条纹反衬度随光程差作周期变化。6