邁克爾遜干涉儀實驗預習報告

1、物理實驗報告實驗題目：邁克爾遜干涉儀的使用院系名稱：材料學院班級：09應用物理學號：200910250115姓名：彭文佳物理實驗教學中心摘要：邁克爾遜干涉儀是一個經典邁克爾遜和莫雷設計制造出來的精密光學儀器，在近代物理和近代計量技術中都有著重要的應用。通過邁克爾遜干涉的實驗，我們可以熟悉邁克爾遜干涉儀的結構并掌握其調整方法，認識電光源非定域干涉條紋的形成與特點， 部分從并利用干涉條紋的變化測定光源的波長。一實驗目的（1）. 了解邁克耳遜干涉儀的基本構造，學習其調節(jié)和使用方法，學習按照 一定原理組裝儀器的技能，通過自行組裝邁克耳干涉儀學習光路的調 整。（2）.觀察各種干涉條紋，加深對薄膜干涉、等

2、傾干涉、等厚干涉現(xiàn)象原理 的理解，開拓學習應用的技能。（3）.學會用邁克耳遜干涉儀測量物理量，在組裝好的個邁克耳干涉儀上進行壓電晶片電致伸縮效應的觀測。粗略測出壓電晶片的壓電系數(shù)。（4）.利用邁克爾遜干涉儀測量He-Ne激光器的波長。二實驗原理1、邁克耳遜干涉儀的原理。邁克耳遜干涉儀是應用分振幅法產生雙光束以實現(xiàn)干涉的儀器，儀器的光學系統(tǒng)由兩個平面反射鏡 Mi和M2及兩塊材質相同、厚度相等的平行平面玻璃板Gi和G2所組成，如上圖所示。從光源 S發(fā)出的光，射到分光板G1上，分光板G1后表面有半反射膜，將一束光分解成兩束光；一束 為反射光（1），另一束為透射光（2），他們的強度近似相等。由于 G1

3、與Mi、M2均成45度角，所以兩束光都垂直的射到 M1和M2，并經反射 后回到G1上的半反射膜，再在觀察處 E相遇。因為光束（1 ）、（2）是 相干光，若儀器調整得當，便可在 E處觀察到干涉圖樣。G2為補償板,其物理性能和幾何形狀與 G1相同，它的作用是為了補償光束（2 ）的光程，使光束（1）和光束（2）在玻璃中的光程完全相等。2、干涉條紋的形成。由于半反射膜實質上是一塊反射鏡，它 M2在M1附M2近形成一個虛像M'2。由于是從觀察處E看到的兩束光好像是從 M1和M'2射來的，故可將M'2看成一個虛平面。因M'2不是實物，它的表面和 M1的表面所夾的空氣薄膜可以

4、 任意調節(jié)如使其平行則形成等厚的空氣薄膜，產生等傾干涉；若不平行則形成空氣劈尖，成等厚干涉。從而在實驗過程中可以觀察到不同的干涉圖樣。（1）等傾干涉使M2垂直M1 （即M1平行M'2），S 又為面光源時，這就相當于空氣 平面板所產生的等傾干涉。自 M1和M2反射后兩光束的光程差（如果光束（1 ）、（2）在半反射膜上反射時無附加光程差）為 =2dCosi，式中d為M1和M'2間的距離，即為空氣膜厚度。I為入射光M1、M'2鏡表 面的入射角。由上式可知，當d一定時，光程差只決定于入射角。面光源 上具有相同傾角I的所有光束的光程差？也相同，它們在干涉區(qū)域里將形成 同一條干涉條

5、紋，這種干涉即為等傾干涉。對應不同入射角的光束光程差 不相同，形成不同級次的干涉條紋，便得到一組明暗相間的同心圓環(huán)，條 紋定域在無窮遠處，在E處直接用眼睛就可以觀察到等傾干涉的同心圓環(huán)。(2)等厚干涉當Mi、M'2相距很近，并把M'2調成與Mi相交呈很小的角度時，就形成一空氣劈尖。在劈尖很薄的情況下，從E處便可看到等厚干涉條紋。這時，兩相干光程差仍可近似的表示為?=2dcosi ,，在Mi和M'2的交線處的直線紋稱為中央條紋。 在交線上，d=0， 光程差？為零，條紋為一條直線；在交線附近 d很小，i的變化可以忽略， 即cosi視為常數(shù)，條紋為一組近似與中央條紋平行的等間

6、距的直條紋，可 視為等厚條紋；離交線較遠處d變大，光程差？的改變，除了與膜厚度d有 關外，還受i角的影響，cosi的影響不能忽略。實際上i很小，？ =2dcosi 2d(1-i2/2)，條紋發(fā)生彎曲。三實驗背景歷史背景邁克耳遜干涉儀,是1883年美國物理學家邁克耳遜和莫雷合作，為研究“以太”漂移而設計制造出來的精密光學儀器。它是利用分振幅法產生雙光束 以實現(xiàn)干涉。通過調整該干涉儀，可以產生等厚干涉條紋，也可以產生等傾 干涉條紋。主要用于長度和折射率的測量，若觀察到干涉條紋移動一條，便是M2的動臂移動量為入/2，等效于M1與M2之間的空氣膜厚度改變入/2。在近代物理和近代計量技術中，如在光譜線精

7、細結構的研究和用光波標定標準米尺等實驗中都有著重要的應用。利用該儀器的原理，研制出多種專用干涉儀。具體應用1. 微小位移量和微振動的測量采用邁克耳遜干涉技術，通過測量KDP晶體生長的法向速率和臺階斜率來 研究其臺階生長的動力學系數(shù)、臺階自由能、溶質在邊界層內的擴散特征以 及激發(fā)晶體生長臺階的位錯活性。He-Ne激光器的激光通過擴束和準直后 射向分束鏡，參考光和物光分別由反射鏡和晶體表面反射，兩束光在重疊區(qū)的 干涉條紋通過物鏡成像，該像用攝像機和錄像機進行觀察和記錄.濾膜用于平 衡參考光和物光的強度2. 壓電材料的逆壓電效應研究壓電陶瓷材料在電場作用下會產生伸縮效應，這就是所謂壓電材料的逆 壓電

8、現(xiàn)象，其伸縮量極微小。將邁克耳遜干涉儀的動鏡粘在壓電陶瓷片上，當壓電陶瓷片受到電激勵產生機械伸縮時就帶動動鏡移動。而動鏡每移動入/2的距離，就會到導致產生或消失一個干涉環(huán)條紋， 根據干涉環(huán)條紋變化的個 數(shù)就可以計算出壓電陶瓷片伸縮的距離。3. 引力波探測（超大型邁克耳遜干涉儀）引力波存在是廣義相對論最重要的預言，對愛因斯坦引力波的探測是近 一個世紀以來最重大的基礎探索項目之一。目前還沒有直接證據來證明引力 波的存在。目前，許多科學家正致力于利用激光干涉引力波探測儀來探測引力波。該儀器的主體是一臺激光邁克耳遜干涉儀。在無引力波存在時，調整臂長使從互相垂直的兩臂返回的兩束相干光在分光鏡處相干減弱，

9、輸出端的光電二極管接收的是暗紋，無輸出信號。引力波的到來會使一個臂伸長另一臂縮短，使兩束相干光有了光程差，破壞了相干減弱的初始條件，光電二極 管有信號輸出，該信號的大小與引力波的強度成正比。20世紀90年代中期， 華盛頓州的Hanford和路易斯安娜州的Livingston開始建造引力波探測站， 并于21世紀初相繼建成臂長4000米、2000米的激光干涉儀引力波探測儀。 據估計，引力波探測極有可能在今后 10-20年內取得重大突破。四、實驗儀器：邁克爾遜干涉儀、He-Ne激光器、擴束鏡、觀察屏、小孔光闌五：實驗內容與步驟：1、邁克耳遜干涉儀的基本調節(jié)（1）點燃氦氖激光器，調節(jié)其高度和方向，使激

10、光束大致照到兩平面鏡 Ml、M2及屏E的中部，并使從兩平面鏡反射來的兩束光能盡量原路返回，即盡可能回到激光器的出光口。（2 ）屏上可以看到兩排光點，都以最亮者居中。調節(jié)M1和M2后面的三個螺絲，使兩個最亮點重合（此時M1和M2相互垂直）。此時要檢查回到激 光器的兩束光是否仍照在出光口或附近。2:測量激光光波波長（1）讀數(shù)基準線的調整。調整微調鼓輪旋鈕，使 0刻度線對準基線，以 方便讀數(shù)。（2）轉動微動旋鈕，可以清晰地看到條紋一個一個地“涌出”或“淹沒”待操作熟練后開始測量，記下刻度鼓輪上的讀數(shù) d,每次“涌出”或“淹沒”00個圈時讀下d ,連續(xù)測量19次，記下19個值d.每測一次算出相應的 d,并及時核對 檢查N是否數(shù)錯。3 :粗率測出壓電晶片的壓電系數(shù)壓電陶瓷材料在電場作用下會產生伸縮效應，這就是所謂壓電材料的逆壓電現(xiàn)象，其伸縮量極微小。將邁克耳遜干涉儀的動鏡粘在壓電陶瓷片上，當壓電陶瓷片受到電激勵產生機械伸縮時就帶動動鏡移動。而動鏡每移動入/2的距離,就會到導致產生或消失一個干涉環(huán)條紋，根據干涉環(huán)條紋變化的個數(shù)就可以計算 出壓電陶瓷片伸縮的距離。六：注意事項(1 )實驗中，請勿正視激光光源，以免損傷眼睛。(2)儀器上的光學元件精度極高，不要用手撫摩或讓贓物沾上，切勿 正對著光學表面