邁克爾遜干涉-李朝榮

1、北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心物理實(shí)驗(yàn)中心李朝榮李朝榮實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用背景介紹實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮徒虒W(xué)要求實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容注意事項(xiàng)問(wèn)題討論與思考輔助實(shí)驗(yàn)與選做實(shí)驗(yàn)邁克爾遜干涉儀的調(diào)整邁克爾遜干涉儀的調(diào)整和波長(zhǎng)測(cè)量和波長(zhǎng)測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用背景介紹一、實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用背景介紹1881年，美國(guó)物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷為研究“以太”漂移制成精密干涉儀邁克爾遜干涉儀最先用干涉儀以光的波長(zhǎng)測(cè)定了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)米尺的長(zhǎng)度 精密地測(cè)定光波波長(zhǎng)、微小長(zhǎng)度、光源的相干長(zhǎng)度等測(cè)量氣體、液體的折射率發(fā)展和改進(jìn)為其它許多形式的干涉儀器二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮徒虒W(xué)要求二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮徒虒W(xué)要求熟悉邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)，掌握其調(diào)整方法；通過(guò)實(shí)驗(yàn)

2、觀察，認(rèn)識(shí)點(diǎn)光源非定域干涉條紋的形成與特點(diǎn)；用干涉條紋變化的特點(diǎn)，測(cè)定光源波長(zhǎng)。三、實(shí)驗(yàn)原理三、實(shí)驗(yàn)原理1相干條件：相干條件：2邁克爾遜干涉原理邁克爾遜干涉原理 S、M1、M2和 E分布在四個(gè)不同方向，有充分的空間可以安插其它器件進(jìn)行調(diào)整處理，測(cè)量上有很大的靈活性。頻率相同，振動(dòng)方向相同，相位差恒定頻率相同，振動(dòng)方向相同，相位差恒定邁克爾遜干涉原理圖SM1G1G2M1M2E1 12 2半反半透膜半反半透膜三、實(shí)驗(yàn)原理三、實(shí)驗(yàn)原理3點(diǎn)光源干涉點(diǎn)光源干涉2dLdSSGEPRM1M2M1S1S2點(diǎn)光源非定域干涉相對(duì)： S S，M1M1相對(duì)M2： S S2 相對(duì)M1 ： S S1 即虛光源S1、S2

3、在空間處處相干，故稱非定域干涉。三、實(shí)驗(yàn)原理三、實(shí)驗(yàn)原理4單色點(diǎn)光源的非定域干涉條紋單色點(diǎn)光源的非定域干涉條紋 干涉圖樣為空間旋轉(zhuǎn)雙曲面：干涉圖樣為空間旋轉(zhuǎn)雙曲面： 1) 2/(2/222222 LdzxLyS1S2zxy 屏垂直于S1和S2連線：圓形干涉條紋 屏平行于S1和S2連線：雙曲線形干涉條紋當(dāng)屏處于其它方位時(shí)，條紋為何形狀？什么條件下能得到直條紋？三、實(shí)驗(yàn)原理三、實(shí)驗(yàn)原理5點(diǎn)光源等傾干涉條紋點(diǎn)光源等傾干涉條紋 當(dāng)屏垂直于S1和S2連線時(shí)，得等傾干涉2dcos =kl k=0,1,2, 主要特點(diǎn)：（1）d、l一定， 角相同的條紋屬同級(jí)k，故形成同心圓環(huán)（2）d、l一定， 0 處的條紋級(jí)

4、數(shù)k0最高k02d/l （3）k、l一定，d減小時(shí) 角減小，即干涉圓環(huán)內(nèi)縮；同理d增大時(shí)干涉圓環(huán)外擴(kuò)（4）d=時(shí)，干涉場(chǎng)內(nèi)無(wú)干涉條紋 四、實(shí)驗(yàn)儀器四、實(shí)驗(yàn)儀器邁克爾遜干涉儀 定鏡M1 動(dòng)鏡M2 分束板G1補(bǔ)償板G2觀察屏E水平拉簧垂直拉簧粗動(dòng)輪微動(dòng)輪讀數(shù)窗讀數(shù)輪五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）粗調(diào)： 將M1、M2和調(diào)至狀態(tài) 調(diào)方位，使反射光大致（2）細(xì)調(diào)：調(diào)節(jié)M1、M2，使（3）微調(diào)：調(diào)節(jié)，使在屏正中央得一干涉條紋（4）精調(diào)：換，調(diào)節(jié)微調(diào)拉簧至中心條紋大小不隨眼睛移動(dòng)而改變1邁克爾遜干涉儀的調(diào)整邁克爾遜干涉儀的調(diào)整 五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2點(diǎn)光源干涉測(cè)激光波長(zhǎng)點(diǎn)光源干涉測(cè)激光波長(zhǎng)等傾干涉： 2

5、dcos =kl k=0,1,2, 當(dāng)中央條紋內(nèi)縮或外擴(kuò)N 次，光程差為2dNl于是Nd 2l l 利用逐差法處理數(shù)據(jù)利用逐差法處理數(shù)據(jù)思考：思考： N 應(yīng)如何選取？六、注意事項(xiàng)六、注意事項(xiàng)1讀數(shù)機(jī)構(gòu)讀數(shù)機(jī)構(gòu) 主尺主尺1mm1mm，粗動(dòng)輪，粗動(dòng)輪0.01mm0.01mm，微動(dòng)輪，微動(dòng)輪0.0001mm0.0001mm 儀器誤差儀器誤差 0.00005mm0.00005mm 2 2零點(diǎn)誤差：零點(diǎn)誤差：粗動(dòng)輪與微動(dòng)輪零點(diǎn)不匹配讀數(shù)輪特點(diǎn)：讀數(shù)輪特點(diǎn)：“微微”帶帶“粗粗”動(dòng)，動(dòng)，“粗粗”動(dòng)動(dòng)“微微”不動(dòng)不動(dòng)消除方法：消除方法：先調(diào)先調(diào)“微微”指零，再將指零，再將“粗粗”對(duì)齊對(duì)齊刻線刻線3 3空程誤差

6、：空程誤差：螺紋間隙誤差消除方法：消除方法：始終沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)讀數(shù)輪始終沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)讀數(shù)輪4 4等光程位置判斷：等光程位置判斷：視場(chǎng)中心無(wú)干涉條紋；該位置前后條紋吞吐狀態(tài)改變?cè)撐恢们昂髼l紋吞吐狀態(tài)改變七、問(wèn)題討論與思考七、問(wèn)題討論與思考1課堂討論課堂討論（1 1）如何獲得點(diǎn)光源和面光源？）如何獲得點(diǎn)光源和面光源？ 激光束由于發(fā)散角很小，可近似看作平行光，經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后即可視為由焦點(diǎn)處發(fā)出的球面波點(diǎn)光源。 將上述球面波投射到毛玻璃上，由于毛玻璃的散射作用，其上每一點(diǎn)均可視作一點(diǎn)光源，合成結(jié)果形成面光源。七、問(wèn)題討論與思考七、問(wèn)題討論與思考1課堂討論課堂討論 圖示現(xiàn)象是條紋間距過(guò)密的表現(xiàn)，由公式

7、2dcos =kl 可知，系光程差過(guò)大所致。應(yīng)旋轉(zhuǎn)讀數(shù)輪使M2向M1靠攏，此間條紋條紋應(yīng)不斷內(nèi)縮內(nèi)縮。（2 2）實(shí)驗(yàn)中微調(diào)后，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)如圖所示）實(shí)驗(yàn)中微調(diào)后，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)如圖所示干涉環(huán)很小的現(xiàn)象，給測(cè)量帶來(lái)不便。請(qǐng)問(wèn)干涉環(huán)很小的現(xiàn)象，給測(cè)量帶來(lái)不便。請(qǐng)問(wèn)這是什么原因造成的？應(yīng)如何處理？這是什么原因造成的？應(yīng)如何處理？七、問(wèn)題討論與思考七、問(wèn)題討論與思考1課堂討論課堂討論（3 3）在換成面光源后，通常）在換成面光源后，通常中心條紋大小會(huì)中心條紋大小會(huì)隨眼睛移動(dòng)而改變隨眼睛移動(dòng)而改變。這是什么原因造成的？。這是什么原因造成的？應(yīng)怎樣進(jìn)行調(diào)整？應(yīng)怎樣進(jìn)行調(diào)整？ 這是因?yàn)镸2與M1不平行，當(dāng)眼睛左右移動(dòng)時(shí)，目光所及處的光程差發(fā)生變化，如圖示情形，眼睛右移時(shí)將看到條紋外擴(kuò)。SGEM1M2M1 應(yīng)仔細(xì)調(diào)節(jié)M1的拉簧至條紋不再變動(dòng)，則M2/M1 。七、問(wèn)題討論與思考七、問(wèn)題討論與思考2實(shí)驗(yàn)后思考題實(shí)驗(yàn)后思考題 書后1、2、3八、