試驗8邁克爾遜干涉儀測量He-Ne激光波長

1、2S1- M圖3點(diǎn)光源非定域干預(yù)實驗8邁克爾遜干預(yù)儀測量 He-Ne激光波長306 一、實驗?zāi)康模?、了解邁克爾遜干預(yù)儀的構(gòu)造、原理 和調(diào)節(jié)使用方法；2、了解光的干預(yù)現(xiàn)象；觀察、認(rèn)識、區(qū)別等傾干預(yù)3、掌握用邁克爾遜干預(yù)儀測He-Ne激光的波長的方法。二、實驗儀器邁克耳遜干預(yù)儀；He-Ne激光器三、實驗原理如圖2示，從光源S發(fā)出的光束射向分光板Gi,被Gi 底面的半透半反膜分成振幅大致相等的反射光1和透 射光2,光束1被動鏡M2再次反射回并穿過Gi到達(dá)E； 光束2穿過補(bǔ)償片G2后被定鏡Mi反射回，二次穿過G2 到達(dá)Gi并被底層膜反射到達(dá) E;最后兩束光是頻率一 樣、振動方向一樣，光程差恒定即位相

2、 差恒定的相干光，它們在相遇空間 E產(chǎn) 生干預(yù)條紋。由Mi反射回來的光波在分光板 Gi的第 二面上反射時，如同平面鏡反射一樣，使 M 1在M 2附近形成M 1的虛像M J ,因而 光在邁克爾遜干預(yù)儀中自 M2和Mi的反 射相當(dāng)于自M2和MJ的反射。由此可 見，在邁克爾遜干預(yù)儀中所產(chǎn)生的干預(yù)與 空氣薄膜M2和Mi 之間所夾所產(chǎn)生 的干預(yù)是等效的。當(dāng)M 2和M 1 平行時（此時M 1和M 2嚴(yán)格 互相垂直），將觀察到環(huán)形的等傾壬預(yù)條一紋。一般情況下，M2和Ml形成一空氣劈尖，因此將觀察到近似平行的等厚干預(yù)條紋-.word.zl-1、單色光的等傾干預(yù)激光器發(fā)出的光波長為 人經(jīng)凸透鏡L后會聚S點(diǎn)。S點(diǎn)

3、可看做一點(diǎn)光源，經(jīng) Gi、 Mi、M2的反射，也等效于沿軸向分布的 2個虛光源Si 、S2所產(chǎn)生的干預(yù)。 因S1 、S2發(fā)出的球面波在相遇空間處處相干，所以 觀察屏E放在不同位置上，均可看到干預(yù)條紋，故稱為非定域干預(yù)。 當(dāng)E垂直于軸線時（見圖2）, 調(diào)整Mi和M2的方位使相互嚴(yán)格垂直，那么可觀察到 等傾干預(yù)圓條紋。邁克爾遜干預(yù)儀所產(chǎn)生的環(huán)形等傾干預(yù)圓條紋的位置取決于相干光束間的光程差，而由M2和M 1反射的兩列相干光波的光程差為S =2dcos81其中8為反射光在平面鏡 M2上的入射角。由干預(yù)明紋條件有 ZdcosOkMkX2（考慮到。較小，）1d、入一定時，假設(shè)9 = 0 ,光程卷=2版大，

4、即圓心所對應(yīng)的干預(yù)級次最高， 從圓心向外的干預(yù)級次依次降低；2k、入一定時，假設(shè)d增大，8隨之增大，可觀察到干預(yù)環(huán)紋從中心向外 ”涌出， 干預(yù)環(huán)紋逐漸變細(xì)，環(huán)紋半經(jīng)逐漸變?。划?dāng) d增大至光源相干長度一半時，干預(yù)環(huán)紋 越來越細(xì)，圖樣越來越小，直至消失。反之，當(dāng) d減小時，可觀察到干預(yù)環(huán)紋向中 心”縮入。 當(dāng)d逐漸減小至零時，干預(yù)環(huán)紋逐漸變粗，干預(yù)環(huán)紋直經(jīng)逐漸變大， 至光屏上觀察到明暗一樣的視場。附圖1 d變化時，等傾干預(yù)條紋的變化特征3對9 = 0勺明條紋，有：6=2d荻見花”涌出或”縮入一個圓環(huán)，相當(dāng)-.word.zl-于Si4的光程差改變了一個波長 A 6 =入。當(dāng)d變化了 Ad時，相應(yīng)地“

5、涌出或”縮入的環(huán)數(shù)為 A k,從邁克爾遜干預(yù)儀 的讀數(shù)系統(tǒng)上測出動鏡移動的距離 A d及干預(yù)環(huán)中相應(yīng)的“涌出或”縮入環(huán)數(shù)A k, 就可以求出光的波長人為：入=2Ad/ Ak3或激光波長，由上式可測微小長度變化為：M=Ak 入/2.4*附圖i：邁克爾遜干預(yù)儀產(chǎn)生的等傾干預(yù)條紋隨M/Dm2的相應(yīng)位置變化的特征四、實驗內(nèi)容與步驟一儀器介紹1、邁氏干預(yù)儀：如右圖示實物圖Mi、M2為兩垂直放置的平面反射鏡，分別固定在兩個垂直的臂上。兩一樣的玻璃片 Gi、G2平行放置，與 M2固定在同一臂上，且與Mi和M2的夾角均為45度。Mi由精細(xì)螺桿控 制，可以沿臂軸前后移動。Gi的第二面上涂有半透半反射膜，能夠?qū)⑷?/p>

6、射光分成振幅幾乎相等的反射光i和透射光2,所以G i稱為分 光板又稱為分光鏡。i光經(jīng)Mi反射后由原路返回再次穿過分光板 Gi后到達(dá)觀察點(diǎn)E處；2光到達(dá)M2后被M2反射后按原 路返回，在G i的第二面上被反射到觀察點(diǎn)E處。由于i光在到達(dá)E處之前穿過Gi三次，而2光在到達(dá)E處之前穿過Gi一次，為了補(bǔ)償i、2兩光的光程差，便在M2所在的臂上再放一個與Gi的厚度、折射率嚴(yán)格一樣的 G2平面玻璃板，滿足了 i、2兩光在到達(dá)E處時無光程差，所以稱G2為補(bǔ)償板。由于i、2光均來自同一光源S ,在到達(dá)Gi后被分成i、2兩光, 所以兩光是相干光，相遇時就產(chǎn)生干預(yù)現(xiàn)象。.word.zl-2、HeNe激光器掃描圖5

7、.13-0二測He-Ne激光的波長目測粗調(diào)使凸透鏡中心，激光管中心軸線，分光鏡中心大致垂直定鏡M2, 并翻開激光光源。暫時拿走凸透鏡調(diào)激光光束垂直定鏡。標(biāo)準(zhǔn)：定鏡反射回的光束，返回激光發(fā)射孔。調(diào)Mi與M2垂直。標(biāo)準(zhǔn)：觀測屏中兩平面鏡反射回的亮點(diǎn)完全重合。 在光路中加進(jìn)凸透鏡并調(diào)整之，使屏上出現(xiàn)干預(yù)環(huán)。調(diào)零。因轉(zhuǎn)動微調(diào)鼓輪時，粗調(diào)鼓輪隨之轉(zhuǎn)動；而轉(zhuǎn)動粗調(diào)鼓輪時，微調(diào)鼓輪那么 不動，所以測讀數(shù)據(jù)前，要調(diào)整零點(diǎn)。方法：將微調(diào)鼓輪順時針或逆時針轉(zhuǎn)至零點(diǎn)，然后以同樣的方向轉(zhuǎn)動粗調(diào)鼓輪， 對齊任一刻度線。再將微調(diào)鼓輪同方向旋轉(zhuǎn)一周再至零點(diǎn)。測量。測干預(yù)環(huán)紋從環(huán)心 “吐出或“吞進(jìn)環(huán)數(shù) 以每50環(huán)和對應(yīng)的動鏡

8、 移動的距離A di。數(shù)據(jù)記錄，并上交任課教師審批簽字。2、觀察和測量鈉光的干預(yù)條紋及鈉雙線的波長差選做以鈉光為光源調(diào)出等傾干預(yù)條紋。在激光點(diǎn)光源等傾干預(yù)的根底上，以鈉光燈取代激光，鈉光照射到毛玻璃片上毛玻璃片上畫有一條標(biāo)記線，形成均勻的擴(kuò)展光源，加強(qiáng)干預(yù)條紋的亮度。并使之與分光片 G1等高并且位于沿分光片和 Mi鏡的中心線上，用眼睛透過 Gi直視M2鏡，細(xì)心微調(diào)M 1鏡后面的3個調(diào)節(jié)螺釘，使鈉光燈毛玻璃片上的直線所成的兩個像完全重合。如果難 以重合，可略微調(diào)節(jié)一下 M2鏡后的3個螺釘。當(dāng)兩個像完全重合時，可輕輕轉(zhuǎn)動粗調(diào)手 輪，使M2鏡移動，將看到有明暗相間的干預(yù)圓環(huán)。假設(shè)干預(yù)環(huán)模糊，可沿同方

9、向繼續(xù)緩 慢轉(zhuǎn)動粗調(diào)手輪，干預(yù)環(huán)就會出現(xiàn)。再仔細(xì)調(diào)節(jié)Mi鏡的2個拉簧螺絲，直到把干預(yù)環(huán)中心調(diào)到視場中央， 并且使干預(yù)環(huán)中 心隨觀察者的眼睛左右、上下移動而移動，但干預(yù)環(huán)不發(fā)生“涌出或“縮入現(xiàn)象， 這時觀察到的干預(yù)條紋才是嚴(yán)格的等傾干預(yù)。.word.zl-測鈉光D雙線的平均波長一選做：1先調(diào)儀器零點(diǎn)，方法如上略。2移動M2鏡，使視場中心的視見度最小，記錄 M2鏡的位置；沿原方向繼續(xù)移動 M2 鏡，使視場中心的視見度由最小到最大直至又為最小，再記錄 M2鏡位置，連續(xù)測出5個 視見度最小時M2鏡位置。23用逐差法求Ad的平均值，計算D雙線的波長差： 2 d4與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)展比擬。3、觀察白光的等厚干預(yù)條

10、紋 將鈉光燈換成日光燈，在等傾干預(yù)根底上，移動M2鏡，使干預(yù)環(huán)由細(xì)密變粗疏，直到整個視場條紋變成等軸雙曲線形狀時，說明M2與MJ接近重合。當(dāng)M2與MJ到達(dá)“零程時，在 M2與MJ的交線附近就會出現(xiàn)彩色條紋。再極小心地旋轉(zhuǎn)微 調(diào)手輪找到中央條紋，其兩側(cè)對稱分布著紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫的彩色條紋。記錄觀察到的條紋形狀和顏色分布。細(xì)心調(diào)節(jié)水平及垂直拉簧螺絲，使M2與MJ有一很小夾角形成楔形空氣膜層，視場中便出現(xiàn)等厚干預(yù)的直條紋，觀察和記錄 條紋的形狀、特點(diǎn)。附圖2:邁克爾遜干預(yù)儀產(chǎn)生的等厚干預(yù)條紋及Mi和M2的相應(yīng)位置五、考前須知1、邁克爾遜干預(yù)儀系精細(xì)光學(xué)儀器，使用時應(yīng)注意防塵、防震；不要對著儀器說話、 咳嗽等；測量時動作要輕、緩，盡量使身體部位離開實驗臺面，以防震動；不能觸摸光學(xué)元 件光學(xué)外表。.word.zl-2、激光管兩端的高壓引線頭是裸露的，且激光電源空載輸出電壓高達(dá)數(shù)千伏，要警覺誤觸。3、測量過程中要防止回程誤差。測量時，微調(diào)鼓輪只能沿一個方向轉(zhuǎn)動必須和大手輪轉(zhuǎn)動方向一致，否那么全部測量數(shù)據(jù)無效，應(yīng)重新測量。4、激光束光強(qiáng)極高，切勿用眼睛對視，防止視網(wǎng)膜遭受永久性損傷。5、實驗完成后，不可調(diào)動儀器，要等教師檢查完數(shù)據(jù)并認(rèn)可后才能關(guān)機(jī)。關(guān)機(jī)時，應(yīng)