资源描述
迈克尔逊干涉仪的调整和使用
一、教学目的
(1) 了解迈克尔逊干涉仪的原理结构,学习调节和使用方法。
(2) 观察等倾,等厚干涉现象。
(3) 测量He-Ne激光波长。
二、教学重点
(1) 迈克尔逊干涉仪的原理和结构
(2) 迈克尔逊干涉仪的调节和使用方法
(3) 迈克尔逊干涉仪的应用
三、课堂提问
(1) 什么是非定域干涉?
(2) 迈克尔逊干涉仪是怎样实现非定域干涉的?
(3) 非定域干涉条纹和牛顿环的相同和不同之处是什么?
四、实验仪器
补偿板
微调手轮
He-Ne激光器
迈克尔逊干涉仪
分光板
固定反射镜
移动反射镜
光阑孔
观察屏
粗调手轮
读数窗
五、实验原理
图1是迈克尔逊干涉仪的光路原理图。光源上一点发出的光线射到半透明层K上被分为两部分光线“1”和“2”。光线“2”射到M2上被反射回来后,透过G1到达E处;光线“1”透过G2射到M1,被M1反射回来后再透过G2射到K上,反射到达E处。这两条光线是由一条光线分出来的,故它们是相干光。光线“1”也可看作是从M1在半透明层中的虚像M1ˊ反射来的。在研究干涉时,M1ˊ与M1是等效的。调整迈克尔逊干涉仪,使之产生的干涉现象可以等效为M1ˊ与M2之间的空气薄膜产生的薄膜干涉。
用凸透镜会聚的激光束是一个很好的点光源,它向空间发射球面波,从反射后可看成由两个光源发出的(见图2),至屏的距离分别为点光源S从 反射至屏的光程,21 MM和21SS和′)(21SS或)(1211GMMG和或和21SS和′的距离为M1ˊ和M2之间距离的二倍, d
2 G1
k
1
即2d。虚光源发出的球面波在它们相遇的空间处处相干,这种干涉是非定域干涉。如果把屏垂直于21SS和′21SS和′的连线放置,则我们可以看到一组同心圆,圆心就是连线与屏的交点。如图2,由到屏上的任一点A,两光线的程差21SS和′21SS′L可得:
δcos2dL= (1)
由式(1)可知:
(1)当0=δ 时程差最大,即圆心E点所对应的干涉级别最高。
当移动的距离增大时,圆心干涉级数越来越高,我们就可以看到圆条纹一个21MMdM1 M2 '1M 激光E 图2 非定域干涉
一个从中心“冒”出来,反之当d减小时,圆条纹一个一个地向中心“缩”进去。每当“冒”出或“缩”进一条条纹时,就增加或减小d2λ,所以测出“冒出”或“缩进”的条纹数目,由已知波长NΔλ就可求得移动的距离,这就是利用干涉测长法;反之,若已知移动的距离,则就可求得波长,它们的关系为: 1M1M
2λNdΔ=Δ (2)
即NdΔΔ=2λ (3)
(2)增大时,程差dL每改变一个波长λ所需的δ的变化值减小,即两亮环(或两暗环)之间的间隔变小。看上去条纹变细变密。反之减小,条纹变粗变稀。 d
六、实验步骤
1. 仪器的调节
(1)使He-Ne激光束大致垂直于M1,即调节He-Ne激光器高低左右位置,使反射回来的光束按原路返回。
(2)装上观察屏E,可看到分别由M1和M2反射至屏的两排光点,每排四个光点,中间两个比较亮,旁边两个比较暗。调节M1和M2背面的三个螺钉,使两排光点一一重合,这时M1与M2大致互相垂直。
(3)用He-Ne激光器照在G1上,此时一般在屏上会出现干涉条纹,再调节细调拉簧微动螺钉,使能看到位置适中、清晰的圆环状非定域干涉条纹。观察条纹变化。转动粗调手轮,可看到条纹的“冒出”或“缩进”。判别M1ˊM2之间的距离d是变大还是变小。
2. 测量He-Ne激光波长
仔细转动微调鼓轮,使条纹的变化处于“缩进”,当圆形条纹中间的一条缩为一暗点时,记录读数d;再向同一方向转动微调鼓轮,同时读取条纹变化的数目,每次数到50记录一次读数,共测量10组数据。每次测量时,也都使中间的一条暗纹刚好缩为一暗点时,再记录读数。应用逐差法加以处理,求出每冒出Δk条条纹时所对应的Δd的值,代入式(3)计算λ,写出结果表达式。
七、数据记录
nm50=仪Δ i
圈数 N
位置id
iiiddd−=Δ+5
,2NdiiΔΔ=λ)250(=ΔN
1
0
2
50
3
100
4
150
5
200
6
250
=
7
300
8
350
9
400
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