大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)光學(xué)

邁克爾遜干涉儀實(shí)驗(yàn)邁克爾遜干涉儀是1887年美國(guó)物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷為研究“以太”漂移而設(shè)計(jì)制造的精密光學(xué)儀器。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果否定了“以太”的存在，為愛(ài)因斯坦建立狹義相對(duì)論奠定了基礎(chǔ)。為此獲得了1883年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。邁克爾遜干涉儀不僅可以觀察光的等厚、等傾干涉現(xiàn)象，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，還可利用它的原理制成各種專(zhuān)用干涉儀器，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和科研各領(lǐng)域。邁克爾遜首倡用光波波長(zhǎng)作為長(zhǎng)度基準(zhǔn)，提出在天文學(xué)中利用干涉效應(yīng)的可能性，并用自己設(shè)計(jì)的星體干涉儀測(cè)量了恒星參宿四的直徑。榮獲1907年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解邁克爾遜干涉儀的原理、結(jié)構(gòu)，掌握其調(diào)節(jié)與使用方法。2、掌握使用邁克爾遜干涉儀測(cè)量氦－氖激光光波波長(zhǎng)的方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器：邁克爾遜干涉儀，氦－氖激光器水平調(diào)節(jié)螺絲1、光路部件

2、讀數(shù)部件

3、調(diào)節(jié)部件

單色光源反射鏡反射鏡，與成角。補(bǔ)償板移動(dòng)導(dǎo)軌分光板三、實(shí)驗(yàn)原理1、點(diǎn)光源產(chǎn)生的非定域干涉dS2dG1R電光源S發(fā)出的光經(jīng)

和

反射后的干涉，相當(dāng)于兩個(gè)虛光源和的干涉。這兩束球面波的干涉在光場(chǎng)疊加區(qū)的任何位置都能觀察到，因此稱(chēng)為非定域干涉。根據(jù)兩反射鏡的空間取向，非定域干涉可觀察到等傾干涉和等厚干涉。當(dāng)兩反射鏡嚴(yán)格垂直，且到分光板反射膜的距離差為d時(shí)，從觀察屏方向看,M2的像與M1組成一個(gè)厚度為d的空氣膜，相當(dāng)于一個(gè)空氣薄膜的干涉。2、等傾干涉可以證明，入射光線在膜上下表面反射時(shí)的光程差為dSdS相干加強(qiáng)（明條紋）的條件為：等傾干涉的特點(diǎn)：相同的光線入射到膜表面上應(yīng)該在同一圓錐面上，而反射光經(jīng)透鏡會(huì)聚后分別相交于焦平面上的同一個(gè)圓環(huán)上。因而形成一組明暗相間的同心圓環(huán)。中心干涉級(jí)次最高(θ=0°)；移動(dòng)M1，使d增大，可觀察到不斷有條紋從中心吐出；相反，減小d則條紋不斷從中心吞進(jìn)。吞進(jìn)或吐出的條紋數(shù)目N與M1移動(dòng)的距離Δd滿(mǎn)足：M1M12M2M2M2MM1M1M12M2M2MM1M12M2MM1M1一片亮場(chǎng)吞環(huán),條紋由密變稀冒環(huán),條紋由無(wú)到有變密繼續(xù)冒環(huán)變密繼續(xù)冒環(huán)、、2、等厚干涉（不做）當(dāng)不垂直于時(shí)，可形成劈尖型等厚干涉條紋.反射鏡反射鏡單色光源M1M2’M1M2’M2’M1M2’M1M1M2’（1）、將激光源放置在干涉儀的左端，調(diào)整光源，使激光束射向分束鏡中央（2）、轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)鼓輪，移動(dòng)可動(dòng)反射鏡，使兩個(gè)反射鏡與分束鏡之間的距離粗略相等。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求（3）、移去觀察屏，用眼睛垂直觀察分束鏡，看到由兩個(gè)平面鏡反射產(chǎn)生的兩排光點(diǎn)，調(diào)節(jié)微調(diào)螺絲，使兩排光點(diǎn)中最亮的兩點(diǎn)重合。重新裝上觀察屏，可以看到干涉條紋——同心圓環(huán)。1、邁克爾遜干涉儀的調(diào)整：

調(diào)節(jié)M1、M2互相垂直，即M1與M2的像平行。找到同心圓環(huán)的干涉條紋。2、測(cè)He-Ne激光器的波長(zhǎng)：調(diào)節(jié)微動(dòng)手輪，每吞進(jìn)或吐出30個(gè)條紋，從主尺、讀數(shù)窗口和微動(dòng)手輪上讀出M1的初末位置，吞吐各測(cè)3組數(shù)據(jù)。調(diào)節(jié)測(cè)微尺的零點(diǎn)（校零）：先將微調(diào)鼓輪沿某一方向旋轉(zhuǎn)至零，然后以同方向轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)鼓輪對(duì)齊讀數(shù)窗口的任一整刻度。注意：微調(diào)與粗調(diào)必須同一方向調(diào)節(jié)！避免引入空程。在調(diào)整好零點(diǎn)后，應(yīng)使微動(dòng)鼓輪按原方向轉(zhuǎn)幾圈，直到干涉條紋開(kāi)始移動(dòng)以后，才可開(kāi)始讀數(shù)測(cè)量。

主尺讀數(shù)窗口微動(dòng)手輪最后讀數(shù)為：33.52246mm對(duì)吞進(jìn)和吐出條紋的情形分別計(jì)算：吞進(jìn)（吐出）30個(gè)條紋，M1移動(dòng)距離Δd的平均值，計(jì)算波長(zhǎng)，波長(zhǎng)的定值誤差。激光波長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)值為632.8nm。五、數(shù)據(jù)處理等傾干涉M1初位置M1末置?dNλ吐環(huán)303030呑環(huán)303030激光波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)值：波長(zhǎng)測(cè)量的百分差E：光柵衍射

衍射光柵是由大量相互平行、等寬、等間距的狹縫或刻痕所組成。利用多縫衍射原理使光發(fā)生色散的光學(xué)元件，由于光柵具有較大的色散率和較高的分辨本領(lǐng)，它已被廣泛地裝配在各種光譜儀器中。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、觀察光柵衍射現(xiàn)象，掌握測(cè)定光柵常數(shù)、光波波長(zhǎng)、角色散率的方法。3、進(jìn)一步熟習(xí)分光計(jì)的調(diào)整和使用方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器分光計(jì)、平行平面反射鏡、汞燈、透射光柵三、實(shí)驗(yàn)原理d=a+b稱(chēng)為光柵常數(shù)。波長(zhǎng)為λ的平行光垂直入射光柵，衍射角θ滿(mǎn)足如下光柵方程時(shí)，得到衍射主極大明紋。本實(shí)驗(yàn)用汞燈作為復(fù)合光源，通過(guò)分光計(jì)的準(zhǔn)直管產(chǎn)生平行光垂直照射在光柵上，其衍射圖樣又通過(guò)望遠(yuǎn)鏡的物鏡聚焦到分劃板上。由上式可得，K級(jí)衍射明紋隨波長(zhǎng)變化，亮紋的衍射角θ也隨之變化，從而產(chǎn)生如下的衍射光譜。-2-10+1+2綠+1級(jí)綠-1級(jí)黃1+1級(jí)黃2+1級(jí)黃2-1級(jí)黃1-1級(jí)本實(shí)驗(yàn)已知綠光波長(zhǎng)λ=546.1nm，通過(guò)測(cè)量綠光的衍射角可計(jì)算出光柵常數(shù)d，再通過(guò)測(cè)量雙黃線的衍射角，可計(jì)算出兩種黃光的波長(zhǎng)（理論值在P369，表19查詢(xún)汞燈光源）。衍射光柵的基本特性可用分辨本領(lǐng)或角色散率來(lái)表征。角色散率D是兩條譜線偏向角之差與兩者波長(zhǎng)差

之比：它表示單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)兩單色譜線之間的角間距。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、調(diào)節(jié)分光計(jì)平行光管產(chǎn)生平行光、望遠(yuǎn)鏡能接受平行光且光軸與儀器主軸垂直；載物臺(tái)平面與儀器主軸垂直。角色散率：角色散率理論值：2、調(diào)節(jié)光柵（1）望遠(yuǎn)鏡及平行光管均與光柵平面垂直（三線合一）。望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)平行光管，光柵放置于載物臺(tái)上，轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)盤(pán)和望遠(yuǎn)鏡，使零級(jí)主極大、反射綠叉絲像均與分劃板垂線重合，然后鎖緊內(nèi)盤(pán)。B1B3B2（2）光柵刻線與儀器主軸平行。轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，觀察±

1級(jí)、±2級(jí)各級(jí)衍射主極大，看它們是否等高。若不等高，調(diào)節(jié)B3螺釘使它們等高。注意，測(cè)量之前務(wù)必把望遠(yuǎn)鏡與外刻度盤(pán)固定在一起。3、測(cè)量衍射角轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，從右端+1級(jí)黃2光開(kāi)始，依次測(cè)黃2、黃1，綠光，······直到左端-1級(jí)的黃2光角位置，重復(fù)測(cè)量三次。設(shè)各波長(zhǎng)譜線+1級(jí)與分劃板垂線重合時(shí)，讀角位置為θ1和θ′1，再測(cè)-1級(jí)角位置θ2和θ′2，則1級(jí)各光的衍射角為θ.K=+1K=-1θ1和θ′1θ2和θ′2θ1θ′1θ2θ′2五、數(shù)據(jù)處理1、計(jì)算綠光、黃1和黃2三種波長(zhǎng)成分的衍射角及不確定度，正確表示結(jié)果。2、以綠光的衍射角計(jì)算光柵常數(shù)d（綠光波長(zhǎng)為546.1nm）。3、使用上一步計(jì)算出的光柵常數(shù)和兩條黃線的衍射角計(jì)算黃光的波長(zhǎng)，并與已知值(p369、表19)比較，計(jì)算百分差。4、以黃色雙線的夾角計(jì)算光柵的角色散率并與理論值比較，計(jì)算百分差。（注意單位）譜線次數(shù)衍射角位置讀數(shù)游標(biāo)位置-1級(jí)+1級(jí)綠光1左θ2θ1右