邁克爾遜干涉實驗預習報告

邁克耳干涉儀的使用09材物2班陳騁學號：200910240212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)。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M］和M2及兩塊材質相同、厚度相等的平行平面玻璃板G1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與M1、M2均成45度角，所以兩束光都垂直的射到M1和M2,并經(jīng)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，它使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；射來的，故可將M；看成一個虛平面。因M；不是實物，它的表面和M1的表面所夾的空氣薄膜可以任意調節(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Ml(即Ml平行M；),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Ml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A二IdCosi'，式中d為M1和M；間的距離，即為空氣膜厚度。I為入射光M］、M；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A也相同，它們在干涉區(qū)域里將形成同一條干涉條紋，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M］、M'2相距很近，并把M；調成與M］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A=2dcosi,，在M］和M；的交線處的直線紋稱為中央條紋。在交線上，d=0，光程差A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距的直條紋，可視為等厚條紋；離交線較遠處d變大，光程差A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，A=2dcosi~2d(1-i2/2)，條紋發(fā)生彎曲。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的動臂移動量為九/2，等效于Ml與M2之間的空氣膜厚度改變九/2。在近代物理和近代計量技術中，如在光譜線精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l.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。而動鏡每移動久/2的距離，就會到導致產生或消失一個干涉環(huán)條紋，根據(jù)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。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(jù)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，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(jù)估計，引力波探測極有可能在今后10-20年內取得重大突破。實驗儀器防振臺氦氖激光光源凸透鏡凹透鏡可變光欄直尺光屏分束鏡反射鏡支架壓電晶片等實驗計劃每次做實驗，我們都必須要有一個詳細、具體的實驗計劃。在還沒有去做實驗之前，必須要對要做的實驗進行了解學習，掌握其實驗原理，并且對實驗要用到的實驗儀器要有詳細的了解。下面，我就將我的具體的實驗計劃做一個簡單的陳述。在要做邁克耳遜干涉實驗的前兩天，我就在積極的了解有關邁克耳遜干涉實驗的有關知識，其中包括實驗原理、實驗儀器和實驗中要注意的問題等。準備好這一切之后，下面就要進入正式的實驗階段了。在進入實驗室之后，我們就要開始熟悉我們實驗要用的儀器。在正式開始實驗之前，我們一般還需要對邁克耳遜干涉儀進行組裝調試。而在實驗室，實驗儀器的基本組裝已經(jīng)基本完成，我們只需要對相應的性能進行調整調試。在調試好儀器之后，我們才能進行等厚、等傾干涉實驗，以及做其它的相關實驗。在實驗室，面對零散的實驗儀器，要進行邁克耳遜干涉儀實驗，我們需要先對儀器進行組裝調試。在試驗臺上，有一個氦氖激光源。首先我們就要打開光源的電源，讓氦氖激光器發(fā)射光源。然后將帶有支架的凸透鏡放在發(fā)射激光儀器前端的小孔前，調節(jié)凸透鏡的高度讓反射的部分光束正好聚焦在小孔上。調好之后，繼續(xù)將帶有支架的分光板放在與凸透鏡和光源在同一條直線上，并目測調整使三者的高度一致。然后調整支架上的分光板，使其與三者所在直線成45度角。調好之后，將凸透鏡和分光板分別固定在實驗臺上。之后，按照上面的邁克耳遜干涉儀的光路圖，將兩反射鏡和光屏分別擺放在相應的位置并目測調整使其高度與凸透鏡、分光板相同。然后，先分別對反射鏡M］、M2進行調節(jié)，使其反射通過分光鏡之后的光線能夠打到光屏上。在光屏上出現(xiàn)了兩個光斑之后，先粗調反射鏡使兩光斑靠近。調好后，就可以將兩反射鏡M1、M2分別固定在相應的位置。為了觀察到干涉現(xiàn)象，接下來我們就要通過微調反射鏡使兩個光斑相交并產生干涉條紋圖樣。經(jīng)過微調之后，就可以在光屏上看到干涉圖樣了。等傾干涉和等厚干涉是面光源產生的定域干涉。所以，在實驗中不需要在光源發(fā)射器前面加一凸透鏡對光束進行聚焦形成點光源。在打開電源發(fā)射光束之后，將分光板放在與光源同一直線上并目測調整其高度與發(fā)射光束的光孔相同。然后也是按照實驗原理圖將兩個反射鏡和光屏放在相應位置。對兩反射鏡分別進行粗調，使反射通過分光鏡之后的光束打在光屏上。然后將反射鏡進行固定，固定之后再對反射鏡進行微調，使兩個光斑相交產生干涉條紋圖樣。在實驗中要十分注意兩反射鏡必須完全垂直，否則將不能形成等傾干涉。等厚干涉實驗儀器的組裝步驟與等傾干涉基本一致。只是在兩反射鏡的反射光束時不需要將兩反射鏡擺放的完全垂直，而是應該有細微的偏斜。在進行反射鏡微調的過程中就可以在光屏上看到等厚和等傾干涉條紋圖樣。在測壓電晶片的壓電系數(shù)時，首先需要將壓電晶片固定在一反射鏡的背面。由于壓電系數(shù)K=Ad/AU，要測壓電系數(shù)，只要測出通電后電壓晶片的伸縮量Ad，而Ad的測量可以利用等傾干涉的實驗原理來進行。先將儀器按照上述等傾干涉的步驟組裝，將固定有壓電晶片的反射鏡組裝固定好后，先不對壓電晶片通電進行實驗。利用邁克耳遜干涉儀，調整反射鏡使光屏上可看到同心圓干涉條紋。然后再給壓電晶片通電，改變壓電晶片上的電壓，使其由零逐漸上升，干涉條紋便由中心向外不斷增加，當條紋中心正好出現(xiàn)N個條紋時，記下此時壓電晶片的兩端的電壓U。由于光束的波長實驗室已經(jīng)給出，所以可以根據(jù)公式求得壓電晶片的伸長量為Ad=NX/2，從而可求得壓電系數(shù)k=d/AU。實驗內容及步驟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，使激光束大致照到兩平面鏡M］、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)M］和M2后面的三個螺絲，使兩個最亮點重合（此時M］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、粗略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。而動鏡每移動久/的距離，就會到導致產生或消失一個干涉環(huán)條紋，根據(jù)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講話。（3） 一起傳動機構相當精密，使用時要輕緩小心，在實驗過程中，保持安靜，動作要輕，不可有大，重動作，不能隨意走動和對著防震臺說話。否則，會引起震動，影響實驗，調好光路后，應靜止1分鐘，讓防震臺靜止下來。（4） 測量過程中，由于儀器存在空程誤差，一定要條紋的變化穩(wěn)定后才能開始測量。而且,測量一旦開始，微調鼓輪的轉動方向就不能中途改變結論：邁克耳孫干涉儀結構簡單、光路直觀、精度高，其調整和使用具有典型性。且邁克耳孫－莫雷實驗實驗否定了特殊參考系的存在，這就意味