简单显微镜的设计732.docVIP

组装迈克尔逊干涉仪测空气折射率 教学目的 1、进一步了解光的干涉现象及其形成原理； 2、学会自组搭建迈克尔逊干涉仪测空气折射率的光路，并能用其测量空气的折射率； 3、形成实事求是的科学态度和严谨、细致的工作作风。 重难点 重点：组装迈克尔逊干涉仪测空气折射率光路的设计和调节 难点：1）测空气折射率光路的调节；2）干涉条纹变化数的读取 教学方法 讲授、讨论、演示相结合 学时 3学时 一、实验简介 空气折射率和真空的折射率相差甚小，仅有10-4数量级这样小的折射率差别，用 几何法是不能测量的，但可用干涉法精确地测量出来。迈克尔逊干涉仪是用分振幅的方 法获得两束相干光，这两束相干光各有一段光路在空间中分开，如果在其中一支光路上 放进被研究的对象，而另一支光路的条件不变，通过观察干涉条纹的变化规律，可以测 得被研究对象的物理特性。本实验就是用这种方法来测量空气折射率的。 的光学干涉仪器进行实验，精确地测量微小 “长度”，否定了“以太”的存在，这个著 名实验为近代物理学的诞生和兴起开辟了道 路，1907年获诺贝尔奖。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。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。目前，根据迈克尔逊干涉仪的基本原理，研制的各种精密仪器已广泛地应用于 生产生活和科技领域。如观察干涉现象，研究许多物理因素（如温度、压强、电场、磁 场等）对光传播的影响，测波长、测折射率等。 二、实验目的 1、了解迈克尔逊干涉仪的原理结构，学习其调节和使用方法； 2、学会按一定的原理自行组装仪器的技能及调节光路的方法； 3、学习用干涉法测空气的折射率。 三、实验原理 在迈克尔逊干涉仪中产生的干涉等效于 膜的薄膜干涉。两束光的光程差为： （一）、扩展光源产生的干涉图（定域干涉） 1、和严格平行——等倾干涉 条纹特点： 1）明暗相间的同心圆纹，条纹定域在 无穷远（需用会聚透镜成像在光屏上）； 2）中心级次最高，； 3）增大，条纹从中心向外“涌出”， 减小，条纹向中心“陷入”，每“涌出” 或“陷入”一个条纹，间距的改变为， “涌出”和“陷入”的交接点为情况（无条纹）。 4）干涉条纹的分布是中心宽边缘窄，增大条纹变窄 （增加时条纹变窄） 2、和有一很小的夹角——等厚干涉 1）当入射角也较小时为等厚干涉，条纹定域在薄膜表面附近； 2）在两镜面交线附近处，较小，的影响可以略去，干涉条纹是一组平行于 和交线的等间隔的直线条纹； 3）在离和交线较远处，较大，的影响不可以略去，干涉条纹变成弧形， 且条纹弯曲的方向是背向两镜面的交线。 （二）、点光源照明产生的干涉图（非定域干涉） 干涉现象，等效于沿轴向分布的两个虚 光源所产生的干涉。因从和 发出的球面波在相遇的空间处处相干， 故为非定域干涉。 观察屏放在不同位置上，均可看到 干涉条纹，当垂直于轴线观察时，调整 和的方位使相互严格垂直，则可 观察到等倾干涉圆条纹。 （三）、测空气折射率的光路设计 用一片光束分离板G和两片前表面 反射镜M1、M2在光学防震平台上组成迈克尔逊干涉仪光路，在干涉仪的一臂上放一个 气室。如图所示，气室是一段玻璃管，两端磨平并用两块平行平板玻璃密封。它有两个 端口，一个接气压表，一个接打气球，打气球有一个放气阀门。 由氦氖激光器发出的光（＝632.8nm）经镜M反射至分光板G,被分为①和②两 束。这两束光分别被镜子M1和M2射后回到G处相遇，在光屏上接收到两光束会合后 1－激光器，2－单缝，3－光导轨，4－小孔屏，5－光电探头，6－一维 测量装置，7－分束器BS，8－通用底座，9－白屏H，10－干版架，11－气室AR， 12－二维调节架，13－二维平移底座，14－二维架，15－平面镜M1，16－二维平 移底座，17－二维平移底座，18－平面镜M2，19－二维架，20－升降调节座 的叠加光波。由于激光束通过扩束镜已经发散，从屏上可以观察到较大的等倾干涉圆环。 如果气室内空气的压力改变，相应折射率改变了，则上述干涉光路将增加 光程差，这一光程差变化将引起干涉条纹个环的变化（即有个干涉环从中心冒 出来或缩进去）。设气室内空气柱的长度为，则有 即 （1） 若将气室抽真空（室内