邁克爾遜干涉儀專題實驗

邁克爾遜干涉儀專題實驗摘要：邁克耳遜制造的邁克耳遜干涉儀對光學和近代物理做出了巨大的貢獻，用來測定微小的長度，折射率，光波波長等，也是現(xiàn)代光學儀器如傅立葉光譜儀等儀器的組成部分，在研究光譜線方面有著重要的作用。邁克耳孫干涉儀的原理是一束入射光分為兩束后各自被對應的平面鏡反射回來，這兩束光從而能夠發(fā)生干涉。邁克爾遜專題實驗的主要任務就是測量側鈉雙線波長差和玻璃折射率。關鍵詞：邁克爾遜干涉儀干涉條紋折射率鈉光雙線波長差背景：邁克耳遜制造的邁克耳遜干涉儀對光學和近代物理做出了巨大的貢獻，用來測定微小的長度，折射率，光波波長等，也是現(xiàn)代光學儀器如傅立葉光譜儀等儀器的組成部分，在研究光譜線方面有著重要的作用。邁克耳遜曾與他的合作者用這個儀器作了三項著名的試驗：1，邁克耳遜—莫雷實驗，為愛因斯坦創(chuàng)立相對論提供了實驗依據(jù)；2，鎘紅線的發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)了長度單位的標準化；3，由干涉儀條紋可見度隨光程變化的規(guī)律，可推斷光譜線的精細結構。

邁克耳孫干涉儀的最著名應用即是它在邁克耳孫-莫雷實驗中對以太風觀測中所得到的零結果，這朵十九世紀末經典物理學天空中的烏云為狹義相對論的基本假設提供了實驗依據(jù)。除此之外，由于激光干涉儀能夠非常精確地測量干涉中的光程差，在當今的引力波探測中邁克耳孫干涉儀以及其他種類的干涉儀都得到了相當廣泛的應用。激光干涉引力波天文臺（LIGO）等諸多地面激光干涉引力波探測器的基本原理就是通過邁克耳孫干涉儀來測量由引力波引起的激光的光程變化，而在計劃中的激光干涉空間天線（LISA）中，應用邁克耳孫干涉儀原理的基本構想也已經被提出。邁克耳孫干涉儀還被應用于尋找太陽系外行星的探測中，雖然在這種探測中馬赫-曾特干涉儀的應用更加廣泛。邁克耳孫干涉儀還在延遲干涉儀，即光學差分相移鍵控解調器（OpticalDPSK）的制造中有所應用，這種解調器可以在波分復用網絡中將相位調制轉換成振幅調制。論述理論：邁克耳孫干涉儀的原理是一束入射光分為兩束后各自被對應的平面鏡反射回來，這兩束光從而能夠發(fā)生干涉。干涉中兩束光的不同光程可以通過調節(jié)干涉臂長度以及改變介質的折射率來實現(xiàn)，從而能夠形成不同的干涉圖樣。干涉條紋是等光程差點的軌跡，因此，要分析某種干涉產生的圖樣，必求出相干光的光程差位置分布的函數(shù)。若干涉條紋發(fā)生移動，一定是場點對應的光程差發(fā)生了變化，引起光程差變化的原因，可能是光線長度L發(fā)生變化，或是光路中某段介質的折射率n發(fā)生了變化，或是薄膜的厚度e發(fā)生了變化。2、試驗方法：測量鈉光雙線波長差：利用邁克爾遜干涉儀，以鈉光燈作為光源調出定域等傾圓條紋。轉動微調手輪，記錄等數(shù)量個條紋“冒出”或者“陷入”時的Δd利用△d=N(λ/2)計算出鈉光平均波長。繼續(xù)轉動微調手輪，直到視場中的的條紋由清晰變到模糊再到清晰，每一個循環(huán)記錄一次干涉儀的數(shù)據(jù)。由公式λ1—λ2=測定波長差。白光干涉測量平板折射率：以白熾燈作為光源，先調出白光干涉條紋，記下此時干涉儀的讀數(shù)d1，在M1鏡前放置一玻璃板，繼續(xù)轉動微調手輪，直到再次出現(xiàn)干涉條紋時記下讀數(shù)d2。d1—d2記為。用游標卡尺測量玻璃板厚度l，6次取平均值。利用公式n=1+算出平板折射率法布里-珀羅干涉儀測鈉光雙線波長差：調節(jié)法布里-珀羅干涉儀，使視場中出現(xiàn)條紋，調節(jié)到合適大小后，換用望遠鏡觀察。向一個方向旋轉微調手輪，隨著d的增大，兩條紋會出現(xiàn)錯開或者重疊的現(xiàn)象，記錄6次錯開或重疊時所移動的距離，利用λ1—λ2=計算鈉光雙線波長差。結論邁克爾遜專題實驗的主要任務就是測量側鈉雙線波長差和玻璃折射率。在實驗過程中，主要是調節(jié)與觀察。調節(jié)就是對粗調與微調手輪的調節(jié)來改變兩反射鏡的距離，調節(jié)反射鏡背后的旋鈕使兩反射鏡平行。觀察是指對玻璃片或是望遠鏡上所成的像的觀察，主要是對隨時可能出現(xiàn)的條紋的觀察。在調節(jié)的過程中要注意觀察實驗現(xiàn)象，說起來似乎很簡單，做起來卻很難，例如，調節(jié)使兩玻璃片平行，才能看到干涉條紋，調節(jié)平行是很不容易的。又如，調節(jié)圓形條紋使之到合適大小，稍微不注意，條紋就會消失，需要重頭再來。再如觀察條紋出現(xiàn)，由于條紋一閃即逝，所以必須慢慢調節(jié)仔細觀察，一旦錯過而沒有觀察到只能從頭再來。可見這個實驗是有一定難度的。參考資料：1，趙凱華，鐘錫華，《光學》，北京大學出版社，2005。2，謝行恕，康世秀