对迈克尔逊干涉仪实验中几个问题的讨论.docVIP

对迈克尔逊干涉仪实验中几个问题的讨论 2008.12.17 对迈克尔逊干涉仪实验中几个问题 的讨论 摘要：采用光路分析等方法对迈克尔逊干涉仪的原理、干涉条纹图样等问题进行了讨论。两反射面的距离和方位是解决问题的两个主要方面。并对迈克尔逊干涉仪调节过程中出现的几种特殊现象进行解释。 关键词：迈克尔逊干涉仪；干涉条纹；分光板；位置 迈克尔逊干涉仪是物理实验中观察和研究光的干涉现象、测定光的波长等实验常用的精密仪器。迈克尔逊干涉仪设计精巧、光路直观。但调节过程中由于干涉条件的变化，常常会出现一些不是实验所要求的多变的图象，如干涉圆环不完整、圆心偏移等。在实验教学中，现行一些教材对这些问题的讲述一般都较少，或者分析不够直观、明了。因此在调节过程中实验者往往会遇到一些问题而且处理起来有一定的难度。本文针对实验教学中存在的这些问题从光路分析和数据分析的角度入手进行了不同角度的分析。 1、迈克尔逊干涉仪原理简述 迈克尔逊干涉仪的原理见图l。光源S发出的光束射到分光板G1上，光束在G1上反射和透射，被分成光强接近相等、并相互垂直的两束光。这两束光分别射向两平面镜M1 和M2 ，经它们反射后又返回到分光板G1 ，再由G1出射到光屏E处，从而得到清晰的干涉条纹。 2、干涉图样不清楚 实验中有时会发现干涉图样看起来会不清晰，这主要存在以下两方面的原因： (1)M1 与M2 相距较远，超过光源光波长的相干长度。 由上述迈克尔逊干涉仪光路图可知，光线1与光线2为同一光源产生的两相干光，经过反射后在E处产生干涉。但是，若光源光波长的相干长度大于2d，由于光波是由一系列的波列组成，此时的两束光已经不再属于同一波列，不能满足相干光的条件，故不会产生干涉。 当M1 与M2’ 相距较远时，圆环会变密变细。如果光源为钠光光源，继续调动转轮，使得M1 与M2’ 的距离不断增大，且当距离增大到一定程度时，就会发现干涉图形变得模糊起来，进一步增大两板间的距离，则会使干涉图样消失，这是由于此时两板距离已经超过了光的相干长度。因此，如果在实验中发现干涉图形变得模糊、条纹变细、图形逐渐消失，则说明有可能是M1 与M2’ 的距离过大。 （2）光源不是理想的单色光 如果光源不是理想的单色光，由于光源中包含波长不同的光束，不同波长的光所产生的干涉条纹有时互相重叠，所以有时会出现条纹的模糊现象甚至条纹的可见度为零。 3、迈克尔逊干涉仪的故障处理 （1）分光镜反转180°放置 调节迈克尔逊干涉仪，通常要在钠光灯前放置一个小孔光栏（注：本实验中未要求）。调节固定反射镜上的粗调螺丝，使分光镜中显示的两排光点重合，从最亮的光孔像中看过去，光孔中有了干涉条纹，撤去小孔光栏，再调节就比较容易了。当出现分光镜反转180°放置的情况，按照前面叙述的操作要领，也可从光孔中看到干涉条纹，但撤去小孔光栏后，却得不到清晰的圆形干涉条纹，而出现椭圆或双曲线条纹。这种故障现象有个明显的特征，即观测到的一排光孔像中，正常情况下，最亮的光孔像在一排光孔像的右侧，分光镜反转l80°放置后，最亮的光孔像在一排光孔像的左侧。根据这个现象，就可以判断迈克尔逊干涉仪出现的故障，进而给予排除。 （2）分光镜与补偿镜变换了位置 分光镜与补偿镜位置颠倒，就无法或很难调出干涉条纹。补偿镜与分光镜位置颠倒，使可移动平面镜反射光所经过的光程与固定平面镜反射光所经过的光程相对于分光镜反射面相差过大，因此无法产生干涉现象。此时，加入小孔光栏，虽然可观察到两排光孔像，但调节固定反射镜上的粗调螺丝，两排光孔像是无法重合的。据此可以判断故障的类型。 （3）固定反射镜镜面反转180°放置 正常情况下，每台迈克尔逊干涉仪的固定反射镜与可移动反射镜相对于分光镜反射面距离相等的位置是固定不变的。调节过程参考的实验条件都是基于这些给定的数据，根据这些条件可以很容易得到我们需要的实验现象。而固定反射镜镜面反转180°放置后，给定的实验条件变化，若还按照原有的操作过程调节，就很难得到干涉条纹。在增加了可移动平面镜相对于分光镜的一定距离后，也可得到很清晰的干涉条纹。由于固定反射镜镜面位置改变，这一路的光所走过的光程发生变化，两路光相对于分光镜反射面距离所对应的位置也发生变化。所以，可移动反射镜在导轨上对应的刻度尺位置的变化是其特征，据此即可以判断出这种故障的成因。 4、结束语 由于在实验中常常会出现迈克尔逊干涉仪的两反射面存在夹角、距离不合适以及仪器本身的一些问题等，导致出现一些不合乎实验教学中所要求的图像。从以上讨论情况看，虽然图象的出现多种多样，好似很复杂，但只要能正确进行分析，细心进行调节，就不难调出正确的图象。以上的分析有利于实验者在实验中理情思路，尽快找出原因，从而避免了盲目性，也有利于加深对实验原理及有关光的干涉问题的进一步理