邁克爾遜干涉儀實驗預(yù)習(xí)報告

1、物理實驗報告實驗題目：邁克爾遜干涉儀的使用院系名稱：材料學(xué)院班級：09應(yīng)用物理學(xué)號：200910250115姓名：彭文佳物理實驗教學(xué)中心摘要：邁克爾遜干涉儀是一個經(jīng)典邁克爾遜和莫雷設(shè)計制造出來的精密光學(xué)儀器，在近代物理和近代計量技術(shù)中都有著重要的應(yīng)用。通過邁克爾遜干涉的實驗，我們可以熟悉邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)并掌握其調(diào)整方法，認識電光源非定域干涉條紋的形成與特點， 部分從并利用干涉條紋的變化測定光源的波長。一實驗?zāi)康模?）. 了解邁克耳遜干涉儀的基本構(gòu)造，學(xué)習(xí)其調(diào)節(jié)和使用方法，學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)光路的調(diào) 整。（2）.觀察各種干涉條紋，加深對薄膜干涉、等

2、傾干涉、等厚干涉現(xiàn)象原理 的理解，開拓學(xué)習(xí)應(yīng)用的技能。（3）.學(xué)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(yīng)的觀測。粗略測出壓電晶片的壓電系數(shù)。（4）.利用邁克爾遜干涉儀測量He-Ne激光器的波長。二實驗原理1、邁克耳遜干涉儀的原理。邁克耳遜干涉儀是應(yīng)用分振幅法產(chǎn)生雙光束以實現(xiàn)干涉的儀器，儀器的光學(xué)系統(tǒng)由兩個平面反射鏡 Mi和M2及兩塊材質(zhì)相同、厚度相等的平行平面玻璃板Gi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

3、與Mi、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(diào)整得當(dāng)，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(zhì)上是一塊反射鏡，它 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'2射來的，故可將M'2看成一個虛平面。因M'2不是實物，它的表面和 M1的表面所夾的空氣薄膜可以

4、 任意調(diào)節(jié)如使其平行則形成等厚的空氣薄膜，產(chǎn)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M1 （即M1平行M'2），S 又為面光源時，這就相當(dāng)于空氣 平面板所產(chǎn)生的等傾干涉。自 M1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 =2dCosi，式中d為M1和M'2間的距離，即為空氣膜厚度。I為入射光M1、M'2鏡表 面的入射角。由上式可知，當(dāng)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？也相同，它們在干涉區(qū)域里將形成 同一條干涉條

5、紋，這種干涉即為等傾干涉。對應(yīng)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(dāng)Mi、M'2相距很近，并把M'2調(diào)成與Mi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?=2dcosi ,，在Mi和M'2的交線處的直線紋稱為中央條紋。 在交線上，d=0， 光程差？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

6、距的直條紋，可 視為等厚條紋；離交線較遠處d變大，光程差？的改變，除了與膜厚度d有 關(guān)外，還受i角的影響，cosi的影響不能忽略。實際上i很小，？ =2dcosi 2d(1-i2/2)，條紋發(fā)生彎曲。三實驗背景歷史背景邁克耳遜干涉儀,是1883年美國物理學(xué)家邁克耳遜和莫雷合作，為研究“以太”漂移而設(shè)計制造出來的精密光學(xué)儀器。它是利用分振幅法產(chǎn)生雙光束 以實現(xiàn)干涉。通過調(diào)整該干涉儀，可以產(chǎn)生等厚干涉條紋，也可以產(chǎn)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的動臂移動量為入/2，等效于M1與M2之間的空氣膜厚度改變?nèi)?2。在近代物理和近代計量技術(shù)中，如在光譜線精

7、細結(jié)構(gòu)的研究和用光波標定標準米尺等實驗中都有著重要的應(yīng)用。利用該儀器的原理，研制出多種專用干涉儀。具體應(yīng)用1. 微小位移量和微振動的測量采用邁克耳遜干涉技術(shù)，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(xué)系數(shù)、臺階自由能、溶質(zhì)在邊界層內(nèi)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(yīng)研究壓電陶瓷材料在電場作用下會產(chǎn)生伸縮效應(yīng)，這就是所謂壓電材料的逆 壓電

8、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(dāng)壓電陶瓷片受到電激勵產(chǎn)生機械伸縮時就帶動動鏡移動。而動鏡每移動入/2的距離，就會到導(dǎo)致產(chǎn)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. 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(yù)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(chǔ)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(xué)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(diào)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，

9、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(nèi)取得重大突破。四、實驗儀器：邁克爾遜干涉儀、He-Ne激光器、擴束鏡、觀察屏、小孔光闌五：實驗內(nèi)容與步驟：1、邁克耳遜干涉儀的基本調(diào)節(jié)（1）點燃氦氖激光器，調(diào)節(jié)其高度和方向，使激

10、光束大致照到兩平面鏡 Ml、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(diào)節(jié)M1和M2后面的三個螺絲，使兩個最亮點重合（此時M1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:測量激光光波波長（1）讀數(shù)基準線的調(diào)整。調(diào)整微調(diào)鼓輪旋鈕，使 0刻度線對準基線，以 方便讀數(shù)。（2）轉(zhuǎn)動微動旋鈕，可以清晰地看到條紋一個一個地“涌出”或“淹沒”待操作熟練后開始測量，記下刻度鼓輪上的讀數(shù) d,每次“涌出”或“淹沒”00個圈時讀下d ,連續(xù)測量19次，記下19個值d.每測一次算出相應(yīng)的 d,并及時核對 檢查N是否數(shù)錯。3 :粗率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(chǎn)生伸縮效應(yīng)，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(dāng)壓電陶瓷片受到電激勵產(chǎn)生機械伸縮時就帶動動鏡移動。而動鏡每移動入/2的距離,就會到導(dǎo)致產(chǎn)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。六：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(xué)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(xué)表面