迈克耳孙干涉仪的调整和使用.docVIP

实验4.7 迈克耳逊干涉仪的调整和使用 迈克耳逊干涉仪在近代物理和计量技术中有着广泛的应用。例如，可用它测量光波的波长、微小长度、光源的相干长度，用相干性较好的光源可对较大的长度作精密测量，以及可用它来研究温度、压力对光传播的影响等等。 4.7.1实验目的 1．了解迈克耳逊干涉仪的特点，学会调整和使用它； 2．学习用迈克耳逊干涉仪测量单色光波长及薄玻璃片厚度的方法。 4.7.2仪器简介 随着应用的需要，迈克耳逊干涉仪有多种多样的形式，其基本光路如图4.7.1所示。图中S为光源，A、B为平行平面玻璃板，A称为分束镜，在它的一个表面镀有半反射金属膜M，B称为补偿板。C、D为互相垂直的平面镜。A、B与C、D均成45(角。 图4.7.1 迈克耳逊干涉仪光路示意图 图4.7.2 迈克耳逊干涉仪的结构图 从面光源S发出的一束光，在平行平面玻璃板A的半反射面M上被分成反射光束1和透射光束2。两束光的光强近似相等。光束1射出A后投向C镜，反射回来再穿过A，光束2经过B投向D镜，反射回来再通过B，在膜面M上反射。于是，这两束相干光在空间相遇并产生干涉，通过望远镜或人眼可以观察到干涉条纹。 补偿板B的作用是补偿第一束光线因在A板中往返两次所多走的光程，使干涉仪对不同波长的光可同时满足等光程的要求。因此A、B两板的折射率和厚度都应相同，而且二者应相互平行。为了确保它们的厚度和折射率完全相同，在制作时将同一块平行平面玻璃板分割为两块，一块作分束镜，一块作补偿板。 迈克耳逊干涉仪的结构如图4.7.2所示。一个机械台面4固定在较重的铸铁底座2上，底座上有三个调节螺钉1，用来调节台面的水平。在台面上装有螺距为1毫米的精密丝杠3，丝杠的一端与齿轮系统12相连接，转动手轮13或微动鼓轮15都可使丝杠转动，从而使骑在丝杠上的C反射镜6沿着导轨5移动。C镜的位置及移动的距离可从装在台面3一侧的毫米标尺（图中未画出）、读数窗11及微动鼓轮15上读出。手轮13分为100分格，它每转过1分格，C镜就平移1／100毫米（由读数窗读出）。微动鼓轮15每转一周，手轮随之转过1分格。鼓轮又分为100格，因此鼓轮转过1格，C镜平移10?4毫米，这样，最小读数可估计到10?5毫米。D镜8是固定在镜台上的。C、D二镜的后面各有三个螺钉7，可调节镜面的倾斜度。D镜台下面还有一个水平方向的拉簧螺丝14和一个垂直方向的拉簧螺丝16，其松紧使D镜台产生一极小的形变，从而可以对D镜的倾斜度作更精细的调节。9和10分别为分束镜A和补偿板B。C、D两镜面都镀了银，A的内表面为半反射面，也镀有银。各镜面必须保持清洁，切忌用手触摸，镜面一经沾污，仪器将受损而不能使用，因此，使用时要格外小心。精密丝杠及导轨的精度也是很高的，如它们受损，同样会使仪器精度下降，甚至使仪器不能使用。因此，操作时动作要轻要慢，严禁粗鲁、急躁。 在读数与测量时要注意以下两点： 1．转动微动鼓轮时，手轮随着转动，但转动手轮时，鼓轮并不随着转动。因此在读数前应先调整零点，方法如下；将鼓轮15沿某一方向（例如顺时针方向）旋转至零，然后以同方向转动手轮13使之对齐某一刻度。这以后，在测量时只能仍以同方向转动鼓轮使C镜移动，这样才能使手轮与鼓轮二者读数相互配合。 2．为了使测量结果正确，必须避免引入空程，也就是说，在调整好零点以后，应将鼓轮按原方向转几圈，直到干涉条纹开始移动以后，才可开始读数测量。 4.7.3实验原理 4.7.3.1 等倾干涉花样的调整与单色光波长的测量 1．产生干涉的等效光路 如图4.7.3所示（图中未画补偿板B），观察者自O点向C镜看去，除直接看到C镜外，还可以看到D镜经A的膜面反射的像D。这样，在观察者看来，两相干光束好像是同一束光分别经C和D反射而来的。因此从光学上讲，迈克耳逊干涉仪所产生的干涉花样与C、 D 间的空气层所产生的干涉是一样的，在讨论干涉条纹的形成时，只要考虑 C、D两个面和它们之间的空气层。 图4.7.3 迈克耳逊干涉仪的等效光路 图4.7.4 两相干光的光程差的计算参考图 2．等倾干涉花样的形成与单色光波长的测量 当D镜垂直于C镜时，D与C相互平行，相距为d。若光束以同一倾角 ( 入射在D和C上，反射后形成1和2两束相互平行的相干光，如图4.7.4所示。过P作PO垂直于光线2。因C和D之间为空气层，n ( 1，则两光束的光程差 ( 为 所以 ( = 2dcos( （4.7.1） d固定时，由（4.7.1）式可以看出在倾角 ( 相等的方向上两相干光束的光程差 ( 均相等。具有相等的 ( 的各方向光束形成一圆锥面，