試驗(yàn)5組裝邁克爾遜干涉儀測(cè)量空氣折射率304

1、實(shí)驗(yàn) 5 組裝邁克爾遜干涉儀測(cè)量空氣折射率（304）、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 學(xué)習(xí)一種測(cè)量空氣折射率的方法。2. 進(jìn)一步了解光的干涉現(xiàn)象及其形成條件3. 學(xué)習(xí)調(diào)整光路的方法。、實(shí)驗(yàn)儀器1、激光器；2、二維調(diào)整架（SZ-07）； 3、擴(kuò)束鏡（f=15mm） ； 4、升降調(diào)整座（SZ-03）；5、三維平移底座（SZ-01）； 6、分束鏡（50% ； 7、通用底座（SZ-04）； 8、白屏（SZ-13）；9、二維調(diào)整架（SZ-07）； 10、空氣室；11、光源二維調(diào)節(jié)架；12、二維平移底座（SZ-02）；13、二維調(diào)整架（SZ-07）； 14、平面反射鏡（SZ-18）； 15、二維平移底座（SZ-02）；16

2、、二維平移底座（SZ-02） ； 17、平面反射鏡；18、二維調(diào)整架（SZ-07）； 19、升降調(diào)整座（SZ-03）；20、精密電子氣壓計(jì)圖 3.1-1 自組邁克耳孫干涉儀測(cè)量空氣折射率的實(shí)物示意圖三、實(shí)驗(yàn)原理邁克爾遜干涉儀光路示意圖如圖（3.1-2 ）所示。其中，BS 為平板玻璃，稱為分束 鏡，它的一個(gè)表面鍍有半反射金屬膜，使光在金屬膜處的反射光束與透射光束的光強(qiáng)基 本相等。M1、M2為互相垂直的平面反射鏡，M1、M2鏡面與分束鏡 BS 均成 45角；M1可以 移動(dòng)，M2固定。M2表示 M2對(duì) BS 金屬膜的虛像。從光源 S 發(fā)出的一束光，在分束鏡 BS 的半反射面上被分成反射光束 1 和透

3、射光束 2 光束 1 從 BS 反射出后投向 Mi鏡，反射回來(lái)再穿過(guò) BS;光束 2 投向 M2鏡，經(jīng) M2鏡反 射回來(lái)再通過(guò) BS 膜面上反射。于是，反射光束 1 與透射光束 2 在空間相遇，發(fā)生干涉。由圖（3.1-2 ）可知，邁克爾遜干涉儀中，當(dāng)光束垂直入射至M1、M2鏡時(shí)，兩束光的光程差為2（n1L1n2L2）（ 3.1-1）式中，n1和n2分別是路程L1、L2上介質(zhì)的折射率。設(shè)單色光在真空中的波長(zhǎng)為，當(dāng)K , K 0,1,2, 3,（ 3.1-2）時(shí)干涉相長(zhǎng)，相應(yīng)地在接收屏中心的總光強(qiáng)為極大。由式（3.1-1 ）知，兩束相干光的光程差不但與幾何路程有關(guān)，還與路程上介質(zhì)的折射率有關(guān)。當(dāng)

4、L1支路上介質(zhì)折射率改變m 時(shí)，因光程的相應(yīng)改變而引起的干涉條紋的變化數(shù)為 N。由（3.1-1 ）式和（3.1-2 ）式可知n1（ 3.1-3）2 L1例如：取6330nm 和L1100mm，若條紋變化 N 10,則可以測(cè)得 n 0.0003。可見(jiàn)，測(cè)出接收屏上某一處干涉條紋的變化數(shù)N，就能測(cè)出光路中折射率的微小變化。M2圖 3.1-2 邁克爾遜干涉儀光路示意圖正常狀態(tài)（t 15C,P 1.01325 105Pa）下，空氣對(duì)在真空中波長(zhǎng)為 633.0nm 的光的折射率 n 1.00027652，它與真空折射率之差為（n 1）2.765 104。用一般方法不易測(cè)出這個(gè)折射率差，而用干涉法能很方便

5、地測(cè)量，且準(zhǔn)確度高。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟（1）實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖 3.1-3 所示。用 He-Ne 激光作光源（He-Ne 激光的真空波長(zhǎng)為633.Onm），并附加小孔光欄 H 及擴(kuò)束鏡 T。擴(kuò)束鏡 T 可以使激光束擴(kuò)束。小孔光欄 H是為調(diào)節(jié)光束使之垂直入射在 M, M 鏡上時(shí)用的。另外，為了測(cè)量空氣折射率，在一 支光路中加入一個(gè)玻璃氣室，其長(zhǎng)度為 L。氣壓表用來(lái)測(cè)量氣室內(nèi)氣壓。在 O 處用毛玻 璃作接收屏，在它上面可看到干涉條紋。（2）測(cè)量方法調(diào)好光路后，先將氣室抽成真空（氣室內(nèi)壓強(qiáng)接近于零，折射率 氣室內(nèi)緩慢充氣，此時(shí)，在接收屏上看到條紋移動(dòng)。當(dāng)氣室內(nèi)壓強(qiáng)由 時(shí)，折射率由 1 變到n。若屏

6、上某一點(diǎn)（通常觀察屏的中心）條紋變化數(shù)為 N，則由式(3.1-3 )可知n 1N（ 3.1-4）2L但實(shí)際測(cè)量時(shí)，氣室內(nèi)壓強(qiáng)難以抽到真空，因此利用（3.1-4 ）式對(duì)數(shù)據(jù)作近似處 理所得結(jié)果的誤差較大。應(yīng)采用下面的方法才比較合理。與氣壓的變化量p成正比:n 1n常數(shù)n 1），然后再向0 變到大氣壓強(qiáng) p理論證明，在溫度和濕度一定的條件下,當(dāng)氣壓不太大時(shí)，氣體折射率的變化量 n圖 3.1-3 測(cè)量空氣折射率實(shí)驗(yàn)裝置示意圖PP所以(3.1-5)將（3.1-3 ）式代入該式，可得(3.1-6 )式（3.1-6 ）給出了氣壓為 p 時(shí)的空氣折射率n?？梢?jiàn)，只要測(cè)出氣室內(nèi)壓強(qiáng)由p1變化到p2時(shí)的條紋變化

7、數(shù) N，即可由式（3.1-6 ） 計(jì)算壓強(qiáng)為 p 時(shí)的空氣折射率n,氣室內(nèi)壓強(qiáng)不必從 0 開始。例如，取 p=760mmHg 改變氣壓P的大小，測(cè)定條紋變化數(shù)目 N，用（3.1-6 ）式 就可以求出一個(gè)大氣壓下的空氣折射率n的值。（3）實(shí)驗(yàn)步驟1. 按實(shí)驗(yàn)裝置示意圖把儀器放好。打開激光光源。2. 調(diào)節(jié)光路光路調(diào)節(jié)的要求是：M, M 兩鏡相互垂直；經(jīng)過(guò)擴(kuò)束和準(zhǔn)直后的光束應(yīng)垂直入射到M, M 的中心部分。（1）粗調(diào)H 和 T 先不放入光路，調(diào)節(jié)激光管支架，目測(cè)使光束基本水平并且入射在M, M 反射鏡中心部分。若不能同時(shí)入射到 M, M 的中心，可稍微改變光束方向或光源位置。注 意操作要小心，動(dòng)作要

8、輕慢，防止損壞儀器。（2）細(xì)調(diào)1放入 H,使激光束正好通過(guò)小孔 H。然后，在光源和干涉儀之間沿光束移動(dòng)小孔 H。若移動(dòng)后光束不再通過(guò)小孔而位于小孔上方或下方，說(shuō)明光束未達(dá)到水平入射，應(yīng)該緩 慢調(diào)整激光管的仰俯傾角，最后使得移動(dòng)小孔時(shí)光束總是正好通過(guò)小孔為止。此時(shí)，在 小孔屏上可以看到由 M, M 反射回來(lái)的兩列小光斑。2用小紙片擋住 M 鏡，H 屏上留下由 M 鏡反射回來(lái)的一列光斑，稍稍調(diào)節(jié)光束的方 位，使該列光斑中最亮的一個(gè)正好進(jìn)入小孔 H（其余較暗的光斑與調(diào)節(jié)無(wú)關(guān)，可不管它）。 此時(shí)，光束已垂直入射到 M 鏡上了。調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)注意盡量使光束垂直入射在 M 鏡的中心部 分。3用小紙片擋住 M 鏡

9、，看到由 M 鏡反射回來(lái)的光斑，調(diào)節(jié) M 鏡后面的三個(gè)調(diào)節(jié)螺 釘，使最亮的一個(gè)光斑正好進(jìn)入小孔 H。此時(shí)，光束已垂直入射到 M 鏡的中心部分了。 記住此時(shí)光點(diǎn)在 M 鏡上的位置。2L p4放入擴(kuò)束鏡，并調(diào)節(jié)擴(kuò)束鏡的方位，使經(jīng)過(guò)擴(kuò)束后的光斑中心仍處于原來(lái)它在鏡上的位置。調(diào)節(jié)至此，通常即可在接收屏 0 上看到非定域干涉圓條紋。若仍未見(jiàn)條紋，則應(yīng)按、步驟重新調(diào)節(jié)。條紋出現(xiàn)后，進(jìn)一步調(diào)節(jié)垂直和水平拉簧螺絲，使條紋變粗、變疏，以便于測(cè)量。3.測(cè)量測(cè)量時(shí)，利用打氣球向氣室內(nèi)打氣，讀出氣壓表指示值pi，然后再緩慢放氣，相應(yīng) 地看到有條紋“吐出”或“吞進(jìn)”（即前面所說(shuō)條紋變化）。當(dāng)“吐出”或“吞進(jìn)” N=30

10、 個(gè)條紋時(shí)，記錄氣壓表讀數(shù)P2值。然后重復(fù)前面的步驟，共取 6 組數(shù)據(jù)，求出移過(guò) N=304.計(jì)算空氣的折射率氣壓為 p 時(shí)的空氣的折射率為我們要求測(cè)量 p 為 1 個(gè)大氣壓強(qiáng)時(shí)空氣的折射率。五、注意事項(xiàng)1.點(diǎn)燃激光管需要幾千伏直流高壓，調(diào)節(jié)時(shí)不要碰到激光管上的電極，以免觸電。 強(qiáng)光還會(huì)灼傷眼睛，注意不要讓激光直接射入眼睛。2.嚴(yán)禁觸摸光學(xué)儀器表面。3.防止小氣室及氣壓表摔壞；打氣時(shí)不要超過(guò)氣壓表量程。4.實(shí)驗(yàn)中必須保持安靜，盡量避免身體觸碰光學(xué)平臺(tái)以及在實(shí)驗(yàn)臺(tái)附近走動(dòng)。5.如何利用對(duì)氣室抽空后充氣的方法測(cè)量空氣的折射率？六、數(shù)據(jù)記錄及處理室溫t15C ;大氣壓p0760mmHg ；L200mm ；632.8nm；N30。i123456p1(m