邁克爾遜干涉儀的調(diào)節(jié)和使用課件

邁克爾遜干涉儀的調(diào)節(jié)和使用

實驗?zāi)康?/p>

實驗儀器

實驗原理

實驗步驟

數(shù)據(jù)記錄與處理

注意事項邁克爾遜干涉儀的調(diào)節(jié)和使用實驗?zāi)康腫實驗?zāi)康腯了解邁克爾遜干涉儀的干涉原理和邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)。掌握邁克爾遜干涉儀的調(diào)整和使用方法。觀察非定域干涉條紋、定域干涉條紋，測量單色光（氦氖激光）的波長。測量鈉光燈的雙線波長差。[實驗?zāi)康腯了解邁克爾遜干涉儀的干涉原理和邁克爾遜干涉儀的結(jié)[實驗儀器]

邁克爾遜干涉儀，氦氖激光器，鈉光燈，白熾燈，毛玻璃屏，擴(kuò)束鏡等。[實驗儀器]邁克爾遜干涉儀，氦氖激光器，鈉光燈，白熾燈，[實驗原理]

光源S發(fā)出的光經(jīng)過分束板（半反鏡）G1以后就分成強(qiáng)度相同兩束光1和2，光束1經(jīng)過補(bǔ)償板G2以后由固定反射鏡M1反射回來再一次經(jīng)過補(bǔ)償板G2和半反鏡G1射向觀測屏P;同時光束2經(jīng)過平面反射鏡M2反射，穿過補(bǔ)償板G1也射向觀測屏；由于兩束光是相干光，所以就可以在觀測屏觀察到干涉現(xiàn)象。用邁克爾遜干涉儀可觀察非定域干涉和定域干涉，定域干涉又分為等傾干涉和等厚干涉。邁克耳遜干涉儀光路圖[實驗原理]光源S發(fā)出的光經(jīng)過分束板（半反鏡）G1由氦氖激光經(jīng)擴(kuò)束鏡匯聚形成的點光源S發(fā)出的光經(jīng)平面鏡M1和M2反射后，相當(dāng)于兩虛光源S1’和S2’發(fā)出的相干光束。S1’與S2’間的距離為M1和M2的距離d的兩倍。虛光源S1’和S2’發(fā)出的球面波在其相遇的空間處相干，只要觀察屏放在兩點光源發(fā)出光波的重疊區(qū)域內(nèi)，都能看到干涉現(xiàn)象，這種干涉叫非定域干涉。虛光源S1’、S2’到屏上任一點A的光程差1點光源產(chǎn)生的非定域干涉花樣由氦氖激光經(jīng)擴(kuò)束鏡匯聚形成的點光源S發(fā)出的光經(jīng)平面鏡M1和M（1）時的光程差最大，觀察屏上圓心處對應(yīng)干涉條紋的級別最高。d增大時，若級別k一定，θ增大，條紋從中心用出向外擴(kuò)張；d減小時，若k一定，θ減小，條紋向中心收縮，最后“淹沒”在中心。每“涌出”或“淹沒”一個明圓環(huán)，S1’S2’的光程差改變一個波長λ。設(shè)M1移動距離Δd時，“涌出”或“淹沒”的條紋數(shù)為N，則

(1)

這樣在邁克耳遜干涉儀上讀出，數(shù)出條紋變化N，就可以求出光波波長λ。（2）d較大時，干涉條紋級別較高，且又細(xì)又密；

d較小時，干涉條紋級別較低，且又粗又疏。（3）若將λ作為標(biāo)準(zhǔn)值，測出“涌出”或“淹沒”N個圓環(huán)的（M1移動的距離），與(1)式算出的理論值比較，可以校正儀器傳動系統(tǒng)的誤差。（4）若將傳動系統(tǒng)作為基準(zhǔn)，則由N和可測定單色光源的波長λ。（1）時的光程差最大，觀察屏上圓心處對應(yīng)干涉2等傾干涉薄膜等傾干涉是分振幅干涉。設(shè)薄膜上下表面平行。如圖a1與a2的光程差為即入射角相同的點的光程差相同，故稱等傾干涉。干涉圖樣為同心圓。條紋方程干涉圖象中，隨著d的增大或減小，條紋從中心“冒出”或向中心“縮入”。設(shè)M1移動d時，K的變化量為N則數(shù)出N個條紋對應(yīng)的d，即可求出波長。等傾干涉光路圖2等傾干涉等傾干涉光路圖3等厚干涉

若上下底面不平行，光線經(jīng)上下表面反射后得到的一對相干光a1與a2，將不再平行，如圖。設(shè)某處膜的厚度為d,如果入射角θ以及的夾角α都很小時，兩束相干光的光程差為干涉條紋沿等厚線分布，故稱為等厚干涉。θ很小時，=2d，干涉圖樣是等距離分布的明暗相間的直條紋；離中央條紋較遠(yuǎn)處，影響較大，條紋彎曲凸向中央條紋，離交線越遠(yuǎn)，條紋越彎曲。等厚干涉原理3等厚干涉若上下底面不平行，光線經(jīng)上下表面反射后得到4鈉黃光雙線波長差的測量

鈉光源的兩條臨近強(qiáng)譜線的波長1和2，移動M1，當(dāng)光程差滿足時，2光形成的明條紋處1光形成暗條紋。這時條紋的對比度最小。當(dāng)M1鏡繼續(xù)移動時，兩個條紋繼續(xù)錯開，條紋的對比度又逐漸增加，條紋逐漸清晰。當(dāng)時，條紋的對比度再次減小。由上述兩式，可得鈉雙線的波長差（2）4鈉黃光雙線波長差的測量鈉光源的兩條臨近強(qiáng)譜線的波[實驗步驟]1邁克耳遜干涉儀的調(diào)節(jié)和觀察激光非定域干涉條紋（1）調(diào)節(jié)干涉儀式導(dǎo)軌大致水平，調(diào)節(jié)粗調(diào)手輪，使活動鏡大致移至導(dǎo)軌30mm刻度處，使M1、M2鏡與分束鏡上反射膜的距離大致相等。調(diào)節(jié)傾度微調(diào)螺絲，使其拉簧松勁適中，使氦氖激光器大致垂直于M2。（2）調(diào)節(jié)M1和M2相互垂直。（3）在氦氖激光器的實際光路中加入擴(kuò)束鏡，使擴(kuò)束光照在分束鏡上，此時屏上一般會出現(xiàn)干涉條紋，細(xì)調(diào)M2鏡水平微調(diào)螺絲和豎直微調(diào)螺絲，直到眼睛晃動觀察時無條紋移動，說明M1和M2完全垂直。觀察屏上出現(xiàn)環(huán)狀非定域干涉條紋。如果沒有出現(xiàn)干涉條紋，應(yīng)該移走擴(kuò)束鏡，從頭再調(diào)。（4）觀察條紋變化，熟悉儀器的使用。轉(zhuǎn)動干涉儀的微調(diào)手輪，觀察條紋“涌出”和“淹沒”，判別M1與M2’間的距離d的變化，觀察條紋粗細(xì)、疏密情況，判斷d的變化，且與圖進(jìn)行比較，待操作熟練后，將條紋調(diào)好，準(zhǔn)備測量。[實驗步驟]1邁克耳遜干涉儀的調(diào)節(jié)和觀察激光非定域干涉條紋2測量激光波長（1）讀數(shù)系統(tǒng)的調(diào)整。在整個測量過程中只能以同方向轉(zhuǎn)動微調(diào)手輪使M1鏡移動，開始測量前應(yīng)將微調(diào)手輪轉(zhuǎn)動若干周，直到干涉條紋穩(wěn)定移動后方可開始計數(shù)測量。（2）用非定域干涉條紋測激光波長。緩慢轉(zhuǎn)動微調(diào)手輪，讓調(diào)好的非定域干涉條紋“涌出”（或“淹沒”）。記下當(dāng)條紋中心最亮和當(dāng)干涉條紋“涌出”（“淹沒”）的條紋數(shù)N=100時M1鏡位置讀數(shù)d0、d100，將數(shù)據(jù)填入表格，重復(fù)測量6次。（3）根據(jù)（1）式計算出波長λ。計算不確定度，并與標(biāo)準(zhǔn)值比較，求出相對誤差。2測量激光波長3等傾條紋和等厚條紋的調(diào)節(jié)與觀察（選做）

非定域干涉條紋測激光波長做完后，調(diào)節(jié)毛玻璃屏上的同心圓條環(huán)最大，且圓心在亮斑中心。在擴(kuò)束鏡和分光板之間放一毛玻璃，使激光束經(jīng)透鏡發(fā)出的球面波漫射成為擴(kuò)展的面光源。觀察M1鏡方向的等傾條紋。進(jìn)一步調(diào)節(jié)M2鏡微調(diào)螺釘，使上下移動眼睛時個圓環(huán)的大小不變，而僅僅是圓心隨眼睛移動而移動，并且干涉條紋反差大，此時M1鏡與M2’鏡完全平行，就可以看到嚴(yán)格的等傾條紋。微微轉(zhuǎn)動M2鏡的微調(diào)螺釘，此時M1鏡與M2’鏡不再平行，轉(zhuǎn)動粗調(diào)手輪，使M1鏡前后移動，觀察干涉條紋的變化規(guī)律。3等傾條紋和等厚條紋的調(diào)節(jié)與觀察（選做）4測量鈉光雙線波長差（1）以鈉光為光源，使其照射到毛玻璃屏并形成均勻的擴(kuò)束光源以便于增強(qiáng)條紋的亮度。在毛玻璃屏與分光鏡P之間放一叉線并進(jìn)行觀察。這時可出現(xiàn)干涉條紋，仔細(xì)慢慢調(diào)節(jié)M2鏡下的水平微調(diào)螺絲和豎直微調(diào)螺絲，使條紋呈圓形。（2）緩慢移動M1鏡，使視場中心的可見度最小，記下M1鏡的位置d1，再沿原來方向移動M1鏡，直到可見度最小，記下M1鏡的位置d2，即得到Δd。（3）重復(fù)上述步驟3次，求得代入（2）式，計算出鈉光的雙線波長差4測量鈉光雙線波長差[數(shù)據(jù)記錄與處理]次數(shù)Nd0/mmd100/mmΔd/mm1234561.數(shù)據(jù)記錄[數(shù)據(jù)記錄與處理]次數(shù)Nd0/mmd100/mmΔd/mm12.數(shù)據(jù)處理（1）計算激光波長和不確定度。（2）寫出測量結(jié)果2.數(shù)據(jù)處理（1）計算激光波長和不確定度[注意事項]1切勿用手觸摸光學(xué)儀器表面。2調(diào)節(jié)螺釘和轉(zhuǎn)動手輪時，一定要輕、慢，不能強(qiáng)扭硬扳。反射鏡背后的微調(diào)螺釘不可旋得太緊，防止鏡面變形。調(diào)整反射鏡背后微調(diào)螺釘時，先要把微調(diào)螺釘調(diào)在中間位置，以便能在兩個方向上微調(diào)。儀器上所有鎖緊螺釘、鎖緊螺母不能擰得過緊。3測量中，轉(zhuǎn)動手輪只能緩慢的沿著一個方向移動，否則會引起較大空回誤差。4激光器電源應(yīng)平穩(wěn)放置，避免觸及其輸出電極。5不要用眼睛直接看激光。[注意事項]1切勿用手觸摸光學(xué)儀器表面。與重合等傾干涉圖樣與重合等傾干涉圖樣等厚干涉圖樣等厚干涉圖樣微調(diào)手輪粗調(diào)手輪刻度盤分光板反光鏡傾度微調(diào)導(dǎo)軌豎直微調(diào)螺絲觀察屏水平調(diào)節(jié)螺絲調(diào)平螺絲鎖緊螺絲邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)圖（一）微調(diào)手輪粗調(diào)手輪刻度盤分光板反光鏡傾度微調(diào)導(dǎo)軌豎直微調(diào)螺絲觀分光板固定鏡M2可動鏡M1粗調(diào)手輪導(dǎo)軌邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)圖（二）毫米刻度尺絲桿分光板固定鏡M2可動鏡M1粗調(diào)手輪導(dǎo)軌邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)圖（邁克爾遜干涉儀等傾干涉條紋邁克爾遜干涉儀等厚干涉條紋邁克爾遜干涉儀等傾干涉條紋邁克爾遜干涉儀等厚干涉條紋邁克爾遜干涉儀的調(diào)節(jié)和使用

實驗?zāi)康?/p>

實驗儀器

實驗原理

實驗步驟

數(shù)據(jù)記錄與處理

注意事項邁克爾遜干涉儀的調(diào)節(jié)和使用實驗?zāi)康腫實驗?zāi)康腯了解邁克爾遜干涉儀的干涉原理和邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)。掌握邁克爾遜干涉儀的調(diào)整和使用方法。觀察非定域干涉條紋、定域干涉條紋，測量單色光（氦氖激光）的波長。測量鈉光燈的雙線波長差。[實驗?zāi)康腯了解邁克爾遜干涉儀的干涉原理和邁克爾遜干涉儀的結(jié)[實驗儀器]

邁克爾遜干涉儀，氦氖激光器，鈉光燈，白熾燈，毛玻璃屏，擴(kuò)束鏡等。[實驗儀器]邁克爾遜干涉儀，氦氖激光器，鈉光燈，白熾燈，[實驗原理]

光源S發(fā)出的光經(jīng)過分束板（半反鏡）G1以后就分成強(qiáng)度相同兩束光1和2，光束1經(jīng)過補(bǔ)償板G2以后由固定反射鏡M1反射回來再一次經(jīng)過補(bǔ)償板G2和半反鏡G1射向觀測屏P;同時光束2經(jīng)過平面反射鏡M2反射，穿過補(bǔ)償板G1也射向觀測屏；由于兩束光是相干光，所以就可以在觀測屏觀察到干涉現(xiàn)象。用邁克爾遜干涉儀可觀察非定域干涉和定域干涉，定域干涉又分為等傾干涉和等厚干涉。邁克耳遜干涉儀光路圖[實驗原理]光源S發(fā)出的光經(jīng)過分束板（半反鏡）G1由氦氖激光經(jīng)擴(kuò)束鏡匯聚形成的點光源S發(fā)出的光經(jīng)平面鏡M1和M2反射后，相當(dāng)于兩虛光源S1’和S2’發(fā)出的相干光束。S1’與S2’間的距離為M1和M2的距離d的兩倍。虛光源S1’和S2’發(fā)出的球面波在其相遇的空間處相干，只要觀察屏放在兩點光源發(fā)出光波的重疊區(qū)域內(nèi)，都能看到干涉現(xiàn)象，這種干涉叫非定域干涉。虛光源S1’、S2’到屏上任一點A的光程差1點光源產(chǎn)生的非定域干涉花樣由氦氖激光經(jīng)擴(kuò)束鏡匯聚形成的點光源S發(fā)出的光經(jīng)平面鏡M1和M（1）時的光程差最大，觀察屏上圓心處對應(yīng)干涉條紋的級別最高。d增大時，若級別k一定，θ增大，條紋從中心用出向外擴(kuò)張；d減小時，若k一定，θ減小，條紋向中心收縮，最后“淹沒”在中心。每“涌出”或“淹沒”一個明圓環(huán)，S1’S2’的光程差改變一個波長λ。設(shè)M1移動距離Δd時，“涌出”或“淹沒”的條紋數(shù)為N，則

(1)

這樣在邁克耳遜干涉儀上讀出，數(shù)出條紋變化N，就可以求出光波波長λ。（2）d較大時，干涉條紋級別較高，且又細(xì)又密；

d較小時，干涉條紋級別較低，且又粗又疏。（3）若將λ作為標(biāo)準(zhǔn)值，測出“涌出”或“淹沒”N個圓環(huán)的（M1移動的距離），與(1)式算出的理論值比較，可以校正儀器傳動系統(tǒng)的誤差。（4）若將傳動系統(tǒng)作為基準(zhǔn)，則由N和可測定單色光源的波長λ。（1）時的光程差最大，觀察屏上圓心處對應(yīng)干涉2等傾干涉薄膜等傾干涉是分振幅干涉。設(shè)薄膜上下表面平行。如圖a1與a2的光程差為即入射角相同的點的光程差相同，故稱等傾干涉。干涉圖樣為同心圓。條紋方程干涉圖象中，隨著d的增大或減小，條紋從中心“冒出”或向中心“縮入”。設(shè)M1移動d時，K的變化量為N則數(shù)出N個條紋對應(yīng)的d，即可求出波長。等傾干涉光路圖2等傾干涉等傾干涉光路圖3等厚干涉

若上下底面不平行，光線經(jīng)上下表面反射后得到的一對相干光a1與a2，將不再平行，如圖。設(shè)某處膜的厚度為d,如果入射角θ以及的夾角α都很小時，兩束相干光的光程差為干涉條紋沿等厚線分布，故稱為等厚干涉。θ很小時，=2d，干涉圖樣是等距離分布的明暗相間的直條紋；離中央條紋較遠(yuǎn)處，影響較大，條紋彎曲凸向中央條紋，離交線越遠(yuǎn)，條紋越彎曲。等厚干涉原理3等厚干涉若上下底面不平行，光線經(jīng)上下表面反射后得到4鈉黃光雙線波長差的測量

鈉光源的兩條臨近強(qiáng)譜線的波長1和2，移動M1，當(dāng)光程差滿足時，2光形成的明條紋處1光形成暗條紋。這時條紋的對比度最小。當(dāng)M1鏡繼續(xù)移動時，兩個條紋繼續(xù)錯開，條紋的對比度又逐漸增加，條紋逐漸清晰。當(dāng)時，條紋的對比度再次減小。由上述兩式，可得鈉雙線的波長差（2）4鈉黃光雙線波長差的測量鈉光源的兩條臨近強(qiáng)譜線的波[實驗步驟]1邁克耳遜干涉儀的調(diào)節(jié)和觀察激光非定域干涉條紋（1）調(diào)節(jié)干涉儀式導(dǎo)軌大致水平，調(diào)節(jié)粗調(diào)手輪，使活動鏡大致移至導(dǎo)軌30mm刻度處，使M1、M2鏡與分束鏡上反射膜的距離大致相等。調(diào)節(jié)傾度微調(diào)螺絲，使其拉簧松勁適中，使氦氖激光器大致垂直于M2。（2）調(diào)節(jié)M1和M2相互垂直。（3）在氦氖激光器的實際光路中加入擴(kuò)束鏡，使擴(kuò)束光照在分束鏡上，此時屏上一般會出現(xiàn)干涉條紋，細(xì)調(diào)M2鏡水平微調(diào)螺絲和豎直微調(diào)螺絲，直到眼睛晃動觀察時無條紋移動，說明M1和M2完全垂直。觀察屏上出現(xiàn)環(huán)狀非定域干涉條紋。如果沒有出現(xiàn)干涉條紋，應(yīng)該移走擴(kuò)束鏡，從頭再調(diào)。（4）觀察條紋變化，熟悉儀器的使用。轉(zhuǎn)動干涉儀的微調(diào)手輪，觀察條紋“涌出”和“淹沒”，判別M1與M2’間的距離d的變化，觀察條紋粗細(xì)、疏密情況，判斷d的變化，且與圖進(jìn)行比較，待操作熟練后，將條紋調(diào)好，準(zhǔn)備測量。[實驗步驟]1邁克耳遜干涉儀的調(diào)節(jié)和觀察激光非定域干涉條紋2測量激光波長（1）讀數(shù)系統(tǒng)的調(diào)整。在整個測量過程中只能以同方向轉(zhuǎn)動微調(diào)手輪使M1鏡移動，開始測量前應(yīng)將微調(diào)手輪轉(zhuǎn)動若干周，直到干涉條紋穩(wěn)定移動后方可開始計數(shù)測量。（2）用非定域干涉條紋測激光波長。緩慢轉(zhuǎn)動微調(diào)手輪，讓調(diào)好的非定域干涉條紋“涌出”（或“淹沒”）。記下當(dāng)條紋中心最亮和當(dāng)干涉條紋“涌出”（“淹沒”）的條紋數(shù)N=100時M1鏡位置讀數(shù)d0、d100，將數(shù)據(jù)填入表格，重復(fù)測量6次。（3）根據(jù)（1）式計算出波長λ。計算不確定度，并與標(biāo)準(zhǔn)值比較，求出相對誤差。2測量激光波長3等傾條紋和等厚條紋的調(diào)節(jié)與觀察（選做）

非定域干涉條紋測激光波長做完后，調(diào)節(jié)毛玻璃屏上的同心圓條環(huán)最大，且圓心在亮斑中心。在擴(kuò)束鏡和分光板之間放一毛玻璃，使激光束經(jīng)透鏡發(fā)出的球面波漫射成為擴(kuò)展的面光源。觀察M1鏡方向的等傾條紋。進(jìn)一步調(diào)節(jié)M2鏡微調(diào)螺釘，使上下移動眼睛時個圓環(huán)的大小不變，而僅僅是圓心隨眼睛移動而移動，并且干涉條紋反差大，此時M1鏡與M2’鏡完全平行，就可以看到嚴(yán)格的等傾條紋。微微轉(zhuǎn)動M2鏡的微調(diào)螺釘，此時M1鏡與M2’鏡不再平行，轉(zhuǎn)動粗調(diào)手輪，使M1鏡前后移動，觀察干涉條紋的變化規(guī)律。3等傾條紋和等厚條紋的調(diào)節(jié)與觀察（選做）4測量鈉光雙線波長差（1）以鈉光為光源，使其照射到毛玻璃屏并形成均勻的擴(kuò)束光源以便于增強(qiáng)條紋的亮度。在毛玻璃屏與分光鏡P之間放一叉線并進(jìn)行觀察。這時可出現(xiàn)干涉條紋，仔細(xì)慢慢調(diào)節(jié)M2鏡下的水平微調(diào)螺絲和豎直微調(diào)螺絲，使條紋呈圓形。（2）緩慢移動M1鏡，使視場中