實(shí)驗(yàn)一-邁克爾遜干涉儀的調(diào)整及應(yīng)用

1、實(shí)驗(yàn)一 邁克爾遜干涉儀的調(diào)整及應(yīng)用一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1. 了解邁克爾遜干涉儀的原理及結(jié)構(gòu)。 2. 學(xué)會(huì)邁克爾遜干涉儀的調(diào)整，基本掌握其使用方法。 3. 觀察各種干涉現(xiàn)象，了解它們的形成條件。二、實(shí)驗(yàn)儀器1. WSM-200型邁克爾遜干涉儀 一臺(tái) 2. HNL-55700多束光纖激光源 一臺(tái) 三、實(shí)驗(yàn)原理3.1 邁克耳孫干涉儀的構(gòu)造圖1為邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1 邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖儀器包括兩套調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，第一套調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是調(diào)節(jié)反光鏡1的位置。旋轉(zhuǎn)大轉(zhuǎn)輪和微調(diào)轉(zhuǎn)輪經(jīng)轉(zhuǎn)軸控制反光鏡1在導(dǎo)軌上平移；第二套調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是調(diào)節(jié)反光鏡1和反光鏡2的法線方向。通過(guò)調(diào)節(jié)反光鏡1、2后面的調(diào)節(jié)螺釘以及反光鏡2

2、的兩個(gè)方向拉桿來(lái)控制反光鏡的空間方位。在儀器的中部和中部偏右處，分別固定安裝著分光鏡和補(bǔ)償片，其位置對(duì)儀器的性能有重要影響，切勿變動(dòng)。在補(bǔ)償片的右側(cè)是反射鏡2，它的位置不可前后移動(dòng)，但其空間方位是可調(diào)的。反射鏡1和反射鏡2是通過(guò)金屬?gòu)椈善约罢{(diào)節(jié)螺釘與支架彈性連接的，調(diào)節(jié)反射鏡支架上的三顆調(diào)節(jié)螺釘，改變彈簧片的壓力，從而改變反射鏡面在空間的方位。顯然，調(diào)節(jié)螺絲釘過(guò)緊或太松，都是不利于調(diào)節(jié)反射鏡方位的錯(cuò)誤操作。反射鏡1在導(dǎo)軌上的位置坐標(biāo)值，由讀數(shù)裝置讀出。該裝置共有三組讀數(shù)機(jī)構(gòu)：第一組位于左側(cè)的直尺C1，刻度線以mm為單位，可準(zhǔn)確讀到毫米位；第二組位于正面上方的讀數(shù)窗C2，刻度線以0.01mm為

3、單位，可準(zhǔn)確讀出0.1和0.01毫米兩位；第三組位于右側(cè)的微動(dòng)轉(zhuǎn)輪的標(biāo)尺C3，刻度線以0.0001mm為單位，可準(zhǔn)確讀0.001和0.0001毫米兩位，再估讀一位到0.00001毫米。實(shí)際測(cè)量時(shí)，分別從C1、C2各讀得2位數(shù)字、從C3讀得3位（包括1位估讀）數(shù)字，組成一個(gè)7位的測(cè)量數(shù)據(jù)，如圖2所示。可見(jiàn)儀器對(duì)位移量的測(cè)定精度可達(dá)十萬(wàn)分之一毫米，是一種非常精密的儀器。務(wù)必精細(xì)操作，否則很容易造成儀器的損壞！ 圖2 關(guān)于M1位置讀數(shù)值的組成方法3.2 邁克耳孫干涉儀的原理邁克爾遜干涉儀是利用分振幅法產(chǎn)生的雙光束干涉，其光路圖如圖3所示。G1的半透半反射膜將入射光束分成振幅幾乎相等的兩束光（1）和（

4、2），光束（1）經(jīng)M1反射后透過(guò)G1，到達(dá)觀察點(diǎn)E；光束（2）經(jīng)M2反射后再經(jīng)G1的后表面反射后也到達(dá)E，與光束（1）會(huì)合干涉。補(bǔ)償板G2的作用是保證在M1A與M2A距離相等時(shí)，光束（1）和（2）有相等的光程。圖3中的M2是M2鏡通過(guò)G1反射面所成的虛像，因而兩束光在M1與M2上的反射，就相當(dāng)于在M1與M2鏡上的反射。這種干涉現(xiàn)象與厚度為d的空氣膜產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象等效。改變M1與M2的相對(duì)方位，就可得到不同形式的干涉條紋。當(dāng)M1與M2嚴(yán)格平行時(shí)，產(chǎn)生等傾干涉條紋。當(dāng)M1與M2接近重合、且有一微小夾角時(shí)，得到的干涉條紋是等厚直條紋。圖3 邁克爾遜干涉儀的基本光路圖由干涉原理可知，自M1和M2反射的

5、兩束光的光程差為 式中d為M1與M2的間距，為光（1）在M1上的入射角。當(dāng)d為某一常量時(shí)，兩光的光程差完全由傾角來(lái)確定，其干涉條紋是一系列與不同傾角對(duì)應(yīng)的同心圓形條紋。其中亮條紋與暗條紋所滿足的條件是： （k0，1，2，）當(dāng)0時(shí)，光程差2d，對(duì)應(yīng)于中心處垂直于兩鏡面的兩束光具有最大的光程差。因而中心條紋的干涉級(jí)次k最高，偏離中心處，條紋級(jí)次越來(lái)越低。當(dāng)M1與的M2的間距d改變時(shí)，干涉條紋的疏密就會(huì)變化。以某k級(jí)條紋為例，當(dāng)d增大時(shí)，為了滿足2d cosk的條件，cos必須要減小，因而角必須增大，所以此時(shí)第k級(jí)的位置必然向外移動(dòng)。于是在E處，就可觀察到條紋會(huì)不斷向外擴(kuò)張，條紋逐漸變密變細(xì)。當(dāng)d減

6、小時(shí)，條紋會(huì)不斷向里收縮，條紋逐漸變疏變粗。到達(dá)等光程位置時(shí)（M1與M2重疊），干涉條紋最大最粗。3.3 在邁克耳孫干涉儀上觀察不同定域狀態(tài)的干涉條紋（1）點(diǎn)光源產(chǎn)生的非定域干涉條紋由干涉理論可知，兩個(gè)相干的單色點(diǎn)光源發(fā)出的球面波在空間相遇會(huì)產(chǎn)生非定域干涉條紋。用一個(gè)毛玻璃屏放在兩束光交疊的任意位置，都可接收到干涉條紋，如圖4所示。點(diǎn)光源S經(jīng)M1、M2鏡反射后，在E處產(chǎn)生的干涉就好比由虛點(diǎn)光源S1和S2所產(chǎn)生的干涉。其中S1是點(diǎn)光源S經(jīng)G1和M1鏡面反射而成的虛像，S2相當(dāng)于S由G1和M2鏡面反射所成的虛像。當(dāng)M1和M2鏡平行時(shí)，在毛玻璃屏E處就可觀察到點(diǎn)光源產(chǎn)生的非定域的同心圓條紋。圖4 點(diǎn)

7、光源產(chǎn)生的非定域干涉（2）擴(kuò)展面光源產(chǎn)生的定域干涉當(dāng)使用擴(kuò)展面光源（如鈉燈、低壓汞燈加上一塊毛玻璃）做光源照明邁克耳孫干涉儀時(shí)，面光源上的每一點(diǎn)都會(huì)在觀察屏E處產(chǎn)生一組干涉條紋，面光源上無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)光源在觀察屏的不同位置上產(chǎn)生無(wú)數(shù)組干涉條紋，這些干涉條紋非相干疊加的結(jié)果，使得毛玻璃E處出現(xiàn)一片均勻的光強(qiáng)，看不清干涉條紋。此時(shí)只有在干涉場(chǎng)的某一特定區(qū)域，這無(wú)數(shù)組干涉條紋才可以進(jìn)行非相干疊加，干涉條紋仍可持相當(dāng)?shù)那逦?，這種干涉條紋稱為定域干涉，這一特定區(qū)域稱為干涉條紋的定域位置。當(dāng)M1與M2平行時(shí)，條紋的定域位置出現(xiàn)在透鏡L的焦平面或在無(wú)窮遠(yuǎn)處，見(jiàn)圖5所示。觀察這種條紋時(shí)，應(yīng)去掉觀察屏，將眼睛直接通

8、過(guò)干涉儀的G1向M1方向望進(jìn)去，在無(wú)窮遠(yuǎn)處可看到清晰的同心圓條紋。當(dāng)你眼睛上下左右移動(dòng)時(shí)，干涉條紋不會(huì)有冒出或縮進(jìn)去的現(xiàn)象，干涉條紋的圓心隨著眼睛的移動(dòng)而移動(dòng)，而各圓的直徑不會(huì)發(fā)生變化，這樣的干涉條紋才是嚴(yán)格的等傾干涉條紋。當(dāng)M1與M2非常接近時(shí)，微調(diào)M2背后的三個(gè)螺絲，使M2與M1之間有一個(gè)微小的夾角，此時(shí)在鏡面M1附近可觀察到等厚干涉條紋。它們的形狀如圖6示，在M1與M2的交棱附近的條紋是近似平行于交棱的等間距直線，在偏離交線較遠(yuǎn)的地方，干涉條紋呈彎曲的形狀，凸面對(duì)著交棱。這種等厚干涉條紋定域在薄膜表面附近，因而觀察時(shí)人眼應(yīng)調(diào)焦在反射鏡M1附近。圖5 等傾干涉條紋 圖6 等厚干涉條紋從前面

9、的分析可以看出，無(wú)論哪種情況，M1與M2的間距d和傾角對(duì)干涉條紋的形狀和間隔的影響都是相似的，差別表現(xiàn)在干涉條紋的定域上。因此，我們可以得到在邁克爾孫干涉儀上觀察到干涉的兩個(gè)必要條件：1）由分光板所產(chǎn)生的（1）、（2）兩束光的光程要大致相等，即d不能太大（參見(jiàn)圖3）；2）反光鏡M1與M2要垂直或接近垂直（M1與M2平行或接近平行）。本實(shí)驗(yàn)采用HNL-55700多束光纖激光源做為光源照明邁克耳孫干涉儀。它采用550mm中功率激光管和進(jìn)口高傳輸性光纖，通過(guò)精密光學(xué)分束機(jī)構(gòu)分至七束光纖，每束出射光纖波長(zhǎng)為632.80nm，長(zhǎng)度為4米，每根光纖在同一實(shí)驗(yàn)內(nèi)可拉伸到不同的工作臺(tái)，這樣七臺(tái)邁克爾遜干涉儀只

10、要配用一臺(tái)HNL-55700多束光纖激光源。一束激光經(jīng)一個(gè)短焦距透鏡（擴(kuò)束器）會(huì)聚后，可認(rèn)為是一個(gè)很好的點(diǎn)光源。因HNL-55700多束光纖激光源光纖出射的激光已經(jīng)擴(kuò)束，故不需另加擴(kuò)束鏡。使用時(shí)，將一束光纖輸出端固定在邁克爾遜干涉儀的左端，使光軸基本與固定鏡M2垂直。四、實(shí)驗(yàn)步驟（1）調(diào)節(jié)干涉儀底腳螺絲，使儀器基本水平。調(diào)節(jié)M2鏡座上的微調(diào)彈簧螺旋，使它處在彈簧適中的位置。（2）轉(zhuǎn)動(dòng)大轉(zhuǎn)輪，使得移動(dòng)鏡M1的位置和固定鏡M2相對(duì)于分光鏡后表面中心的距離大致相等。（3）打開(kāi)激光器，使光纖激光束大致垂直于固定鏡M2。從投影屏處觀察（此時(shí)不放投影屏），可看到由M1和M2各自反射形成的兩排激光光斑，每排

11、都有幾個(gè)光點(diǎn)，這是由于G上與半反射面相對(duì)的另一側(cè)的平玻璃面上亦有部分反射的緣故。調(diào)節(jié)M1和M2背面的三只螺絲，使兩排中的兩個(gè)最亮的光斑大致重合，則 M2與M1大致互相平行。（4）裝上投影屏，即可在屏上觀察到非定域干涉條紋，再輕輕調(diào)節(jié)M1和M2后的調(diào)節(jié)螺絲，使出現(xiàn)的圓條紋處于投影屏中心。轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)轉(zhuǎn)輪，使移動(dòng)鏡M1前后移動(dòng)，觀察條紋的變化：從條紋的“冒出”或“縮進(jìn)”說(shuō)明M1、M2之間的距離d是變大還是變小，觀察并解釋條紋的粗細(xì)，密度和d的關(guān)系。 五、注意事項(xiàng)1調(diào)整各部件用力要適當(dāng)，均勻緩慢，不可強(qiáng)旋硬搬。 2反射鏡、分束板的光學(xué)表面不可用手觸摸，不允許擦拭。 3使用完畢，應(yīng)適當(dāng)放松M1和M2背面的三個(gè)螺釘、水平拉簧螺釘和豎直拉簧螺釘，