普通物理实验3+光学六个实验讲义..docVIP

实验5 迈克耳孙干涉仪的调节和使用 【实验目的】 1.了解迈克尔逊干涉仪的结构和干涉花样的形成原理。 2.学会迈克尔逊干涉仪的调整和使用方法。观察等倾干涉条纹，测量待测光源的波长。 3.观察等厚干涉条纹，测量钠光的双线波长差。 【仪器和用具】 迈克尔逊干涉仪（WSM-100型），氦氖激光，毛玻璃屏。 【实验原理】 1.迈克尔逊干涉仪的介绍 19世纪末，迈克尔逊为了确定当时虚构的光传播介质—“以太”的性质，设计和制造了该种干涉仪，并在1881年与莫雷合作在该干涉仪上进行了历史上有名的迈克尔逊—莫雷测“以太”风实验，实验得到了否定的结果，为爱因斯坦1905年创立相对论提供了实验基础.迈克尔逊也因此获得1907年诺贝尔物理学奖。 迈克尔逊干涉仪原理简明，构思巧妙，堪称精密光学仪器的典范。其原理是用分振幅的方法产生双光束以实现干涉的仪器。它的主要特点是两相干光束完全分开，这就很容易通过改变一光束的光程来改变两相干光束的光程差，而光程差可以以光波的波长为单位来度量，随着对仪器的不断改进，还能用于光谱线精细结构的研究和利用光波标定标准米尺等实验。因此，根据迈克尔逊干涉仪的基本原理，研制的各种精密仪器已被广泛应用于长度精密计量、光学平面的质量检验和傅里叶光谱技术等方面，迈克尔逊干涉仪是许多近代干涉仪的原型。 WSM-100型迈克尔逊干涉仪的实物图如图29-1所示。 （1）反光镜1和反光镜2：这是两个互相垂直放置的平面镜，镜面镀有金属膜，具有很高的反射率。 （2）分光镜和补偿片：分光镜又称为分光板，是一块平行平面玻璃板，其第二平面上镀有一层半透（反射）膜，可以将以450入射的一列光分成两列振幅近乎相等的反射光和透射光。补偿片也称补偿板，它的厚度和折射率都与分光板相同，且与分光板平行放置，用以补偿通过分光镜的透射光与反射光之间附加的光程差。 （3）传动部分和读数系统：转动大转轮和微调鼓轮，都可使导轨上的转轴转动，从而带动反光镜1沿导轨移动。反光镜1的位置或移动的距离可由机体侧面的毫米刻尺、读数窗口内刻度和微调鼓轮的读数确定。 粗调手轮旋转一周，拖板移动1毫米,即反光镜1移动1毫米，同时，读数窗口内的鼓轮也转动一周，鼓轮的一圈被等分为100格，每格为10-2毫米，读数由窗口上的基准线指示。 微调鼓轮每转过一周，拖板移动0.01毫米，可从读数窗口中可看到读数刻度移动一格，而微调鼓轮的周线被等分为100格，则每格表示为10-4毫米。 如图29-2所示的读数为33.52246mm。 2. 用迈克尔逊干涉仪测量光波波长 迈克尔逊干涉仪的工作原理如图29-3所示，光束S以450角入射到分光板P1，通过半透膜的分光作用，分为反射光1和透射光2，反射光1到达反光镜1后再次反射沿原路返回，记为反射光，通过P1得到透射光。而透射光2经过补偿板P2，到达反光镜2后反射沿原路返回记为，经P1得到反射光。光线和线来自同一光源S因而是相干光，它们到达E处时将产生干涉。 光线是在分光板P1的第二面反射得到的，这样使M2在M1的附近（前面或后面）形成一个平行于M1的虚像M2＇M1 、M2M1、M2＇d的空气薄膜所产生的干涉。M1和M2＇ （29-1） 式中i为反射光在平面反射镜M1上的反射角，λ为入射光的波长，n2为空气薄膜的折射率,近似为1，d为薄膜厚度。它们将处于同一级干涉条纹，并定们于无穷远。如果在E处放一会聚透镜，将在其焦平面上看到一组明暗相间的同心圆纹。 两束相干光明暗条件为 （29-2） 凡i相同的光线光程差相等，并且得到的干涉条纹随M1和M2＇d而改变。当i=0时光程差最大，在E点处对应的干涉级数最高。由（29-2）式得 （29-3） 由式（29-3）可知，当M1和M2＇d增大时，对于任一K级干涉条纹，其COSI的值将减小，此干涉条纹将向i变大的方向移动，即条纹向外扩展，我们将看到条纹从中心向外“涌出”，且当距离d每增加时就有一个条纹从中心“涌出”。反之，当距离d每减少时，就会有一个条纹向中心“陷入”。由此可知，连续“涌出”或“陷入”N个条纹时，距离d的改变量满足如下关系： （29-4） 所以在实验时只要数出“涌出”或“陷入”的条纹个数N，读出d的改变量Δd就可以计算出光波波长的值 （29-5） 从迈克尔逊干涉仪装置中可以看出，S发出的凡与M1的入射角均为i的圆锥面上所有光线，经透镜L会聚在半径为的同一个圆上，实际实验时，如果调节M2与M1严格垂直，则我们用眼