1883年，荚籍德国物理学家迈克耳孙(Albert A.docVIP

提高性与应用性实验 实验6—1 迈克耳逊干涉实验 【实验目的】 掌握迈克耳逊干涉仪的原理、结构及调节方法。 使用迈克耳逊干涉仪测量He-Ne激光的波长。 【实验原理】 迈克耳逊干涉仪主要由两个相互垂直的全反射镜和一个放置的半反射镜组成。不同的光源会形成不同的干涉情况。 当光源为单色点光源时，它发出的光被分为光强大致相同的两束光(1)和(2)，如图6-1-1所示。其中光束(1)相当于从虚像（点光源相对于半反射镜所成的虚像）发出，再经反射，成像于；光束(2)相当于从虚像发出，再经反射成像于 (是关于M所成的像)。因此，单色点光源经过迈克耳逊干涉仪中两反射镜的反射光，可看作是从和发出的两束相干光。在观察屏上，和的连线所通过点的程差为2d，而在观察屏上其他点P的程差约为 (其中是与的距离，是光线对或的入射角)。因而干涉条纹是以为圆心的一组同心圆，中心级次高，周围级次低。若与的夹角偏离，则干涉条纹的圆心可偏出观察屏以外，在屏上看到弧状条纹；若偏离更大而d又很小，和的连线几乎与观察屏平行，则相当于杨氏双孔干涉，条纹近似为直线。无论干涉条纹形状如何，只要观察屏在和发出的两束光的交叠区，都可看到干涉条纹，所以这种干涉称为“非定域干涉”。 如果改用单色面光源照明，情况就不同了，如图6-1-2所示。由于面光源上不同点所发的光是不相干的，若把面光源看成许多点光源的集合，则这些点光源所分别形成的干涉条纹位置不同，它们相互叠加而最终变成模糊一片，因而在一般情况下将看不到干涉条纹。 只有以下两种情况是例外：①与严格垂直，即与严格平行，而把观察屏放在透镜的焦平面上，此时，从面光源上任一点发出的光经与反射后形成的两束相干光是平行的，它们在观察屏上相遇的光程差均为因而可看到清晰而明亮的圆形干涉条纹。由于是恒定的，干涉条纹是倾角为常数的轨迹，故称为“等倾干涉条纹”。②与并不严格垂直，即与有一个小夹角。可以证明。此时从面光源上任一点S发出的光经与反射后形成的两束相干光相交于或的附近。因此，若把观察屏放在或对于透镜所成的像平面附近，就可以看到面光源干涉所形成的条纹。如果夹角较大而角变化不大，则条纹基本上是厚度为常数的轨迹，因而称为“等厚干涉条纹”。显然，这两种情况都只在透镜的焦平面或像平面上才能看到清晰的条纹，因而是“定域干涉”。 如果用非单色的白光为光源，情况更不相同。无论是点光源或面光源，要看到干涉条纹，必须满足光程差小于光源的相干长度的要求，即，对于具有连续光谱的白光，极小，因而仅当时，才能看到彩色的干涉条纹。这虽然为观察白光条纹带来了困难，却为正确判断的位置提供了一种很好的实验手段。 【实验仪器】 迈克耳逊干涉仪，激光发射器，扩束镜。 实际的迈克耳逊干涉仪如图6-1-3所示。反射镜装在带有一条刻度线的滑块上，滑块通过精密丝杆可在一根导轨上滑动，导轨上有0～100mm的刻度。旋转粗调手轮，可使在导轨上前后移动，手轮与一个大刻度盘连接，刻度盘的刻度可从观察窗读出。粗调手轮的右边还有一个微调轮，上有小刻度盘。大、小刻度盘上均有100个刻度，大盘的一格对应于移动0.01mm；小盘的一格对应于移动0.000lmm。 固定反射镜的前后位置不可移动。它的背面有三个滚花螺丝，用来调节它的方向（粗调）；它的下面还有两个微调螺丝，分别可在x方向或y方向进行微调。反射镜的背面虽然也有三个滚花螺丝，但已调好（与成°角，与它在精密丝杆上的运动方向垂直），实验中不要动它们。观察屏是一块毛玻璃，可前后移动，也可取下，整个干涉仪安装在底座上，有三个底座螺丝，可调节它的水平位置。 为了保证半反射镜平整而不变形，它常用较厚的玻璃板镀半反膜制成，如图中所示。这使光束(1)与光束(2)明显的不对称：光束(1)经过该玻璃板三次而光束(2)只经过一次；并且在光束(1)与光束(2)中，上下偏离中心角与左右偏离中心角的光束经过玻璃板的光程差也是不同的。这就使平行时等角光束的光程差不相等，因而看到的条纹将不是圆形的而可能是椭圆形的；更严重的是由于玻璃的色散，各种波长的光通过玻璃板所经历的光程相差甚远，因而白光的干涉条纹无法形成。为了解决这一问题，迈克耳逊在半反射镜的右侧加了一块与半反射镜玻璃板完全相同且平行放置的玻璃板，称为“补偿板”，如图6-1-3所示。它补偿了(1)、(2)两光束在玻璃板中经历的光程差，从而使半反镜玻璃板的影响得以消除。 【实验内容与步骤】 必做部分：观察与分析He-Ne激光的非定域干涉现象，测量该激光的波长 调节He-Ne激光器和迈克耳逊干涉仪的相对位置，使光束分别大致照在与的中央；调节激光器下的螺丝或干涉仪的底座螺丝（但不要调节背面的螺丝），使从反射的光点返回激光出射处，此时与它的入射光大致垂直（为什么?）。从反射的光点有三点，应使其中最亮的一点返回激光出射处（为什么?