實(shí)驗(yàn)六邁克爾遜干涉儀的調(diào)節(jié)和使用

1、實(shí)驗(yàn)五 邁克爾遜干涉儀的調(diào)節(jié)和使用一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解邁克爾遜干涉儀的構(gòu)造原理,掌握邁克爾遜干涉儀的調(diào)節(jié)方法；2學(xué)會調(diào)節(jié)非定域干涉、等傾干涉、等厚干涉和白光干涉條紋,研究這幾種干涉條紋形成的條件和條紋特點(diǎn),變化規(guī)律及相互間的區(qū)別；3學(xué)會用邁克爾遜干涉儀測定光波波長。二、實(shí)驗(yàn)儀器邁克爾遜干涉儀、氦氖激光器、擴(kuò)束透鏡、毛玻璃等。圖1 邁克爾遜干涉儀光路三、實(shí)驗(yàn)原理1邁克爾遜干涉儀的原理圖1是邁克爾遜干涉儀的光路示意圖，圖中M和M是在相互垂直的兩臂上放置的兩個平面反射鏡，其中M是固定的；M由精密絲桿控制，可沿臂軸前、后移動，移動的距離由刻度轉(zhuǎn)盤(由粗讀和細(xì)讀2組刻度盤組合而成)讀出。在兩臂軸線相交處，

2、有一與兩軸成45°角的平行平面玻璃板p1，它的第二個平面上鍍有半透（半反射）的銀膜，以便將入射光分成振幅接近相等的反射光和透射光，故p又稱為分光板。p也是平行平面玻璃板，與p平行放置，厚度和折射率均與p相同。由于它補(bǔ)償了光線和因穿越p次數(shù)不同而產(chǎn)生的光程差，故稱為補(bǔ)償板。從擴(kuò)展光源S射來的光在p處分成兩部分，反射光經(jīng)p反射后向著M前進(jìn)，透射光透過p向著p前進(jìn)，這兩束光分別在p、p上反射后逆著各自的入射方向返回，最后都達(dá)到E處。因?yàn)檫@兩束光是相干光，因而在E處的觀察者就能夠看到干涉條紋。由M反射回來的光波在分光板p的第二面上反射時，如同平面鏡反射一樣，使M在M附近形成M的虛像M，因而光

3、在邁克爾遜干涉儀中自M和M的反射相當(dāng)于自M和M的反射。由此可見，在邁克爾遜干涉儀中所產(chǎn)生的干涉與空氣薄膜所產(chǎn)生的干涉是等效的。當(dāng)M和M平行時(此時M和M嚴(yán)格互相垂直)，將觀察到環(huán)形的等傾干涉條紋。一般情況下，M和M形成一空氣劈尖，因此將觀察到近似平行的干涉條紋(等厚干涉條紋)。 2單色光波長的測定用波長為的單色光照明時，邁克爾遜干涉儀所產(chǎn)生的環(huán)形等傾干涉圓條紋的位置取決于相干光束間的光程差，而由M和M反射的兩列相干光波的光程差為(1)其中i為反射光在平面鏡M上的入射角。對于第k條紋，則有(2)當(dāng)M和M的間距d逐漸增大時，對任一級干涉條紋，例如k級，必定是以減少cosi的值來滿足式（2

4、）的，故該干涉條紋間距向i變大(cos i值變小)的方向移動，即向外擴(kuò)展。這時，觀察者將看到條紋好像從中心向外“涌出”，且每當(dāng)間距d增加/2時，就有一個條紋涌出。反之，當(dāng)間距由大逐漸變小時，最靠近中心的條紋將一個一個地“陷入”中心，且每陷入一個條紋，間距的改變亦為/2。因此，當(dāng)M2鏡移動時，若有N個條紋陷入中心，則表明M相對于M移近了(3)反之，若有N個條紋從中心涌出來時，則表明M相對于M移遠(yuǎn)了同樣的距離。如果精確地測出M移動的距離d，則可由式(3)計算出入射光波的波長3儀器介紹（1）邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)：圖2-22-1 WSM100邁克爾遜干涉儀實(shí)驗(yàn)中所使用的WSM100邁克爾遜干涉儀，其結(jié)

5、構(gòu)如圖1所示。固定反射鏡10，它傾角可以通過在它背面的三個調(diào)整螺絲進(jìn)行粗調(diào)，細(xì)調(diào)時，分別用1和4通過彈簧改變在水平和垂直方向上的傾角?？梢苿臃瓷溏R9，它的傾角調(diào)整也是通過其背面的三個螺絲進(jìn)行，但它沒有細(xì)調(diào)?？梢苿臃瓷溏R是安裝在一個滑塊上，通過絲杠16的轉(zhuǎn)動可以使滑塊沿導(dǎo)軌前后移動。動鏡的移動距離毫米數(shù)可在機(jī)體側(cè)面的毫米刻尺（17）上直接讀得； 粗調(diào)手輪（2）旋轉(zhuǎn)一周，拖板移動1毫米,即動鏡移動1毫米，同時，讀數(shù)窗口（11）內(nèi)的鼓輪也轉(zhuǎn)動一周，鼓輪的一圈被等分為100格，每格為10-2毫米，讀數(shù)由窗口上的基準(zhǔn)線指示；微調(diào)手輪（3）每轉(zhuǎn)過一周，拖板移動0.01毫米，可從讀數(shù)窗口中看到讀數(shù)鼓輪移動一

6、格，而微調(diào)鼓輪的周線被等分為100格，則每格表示為10-4毫米。最后讀數(shù)應(yīng)為上述三者之和，加上估讀一位，可讀到。分束鏡18和補(bǔ)償板12，以及固定反射鏡10是安裝在一個固定架上，這個固定架又與導(dǎo)軌固定在一起，使得整個光路處在一個比較穩(wěn)定的狀態(tài)。導(dǎo)軌是固定在底座7上，底座由三個底角6支撐，可以通過調(diào)整螺絲調(diào)節(jié)整個儀器的水平。（2）激光器：特點(diǎn)：單色性好，方向性強(qiáng)，相干性好，亮度高。結(jié)構(gòu)：陽極（桿狀）、陰極（鋁質(zhì)圓筒）、諧振腔（兩側(cè)有高反射率的反射鏡、腔內(nèi)按一定比例充有氦氣和氖氣）。主要技術(shù)參數(shù)：輸出波長，輸出功率：，光束發(fā)射角， 觸發(fā)電壓，工作電壓，最佳工作電流。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1邁克爾遜干涉儀

7、的調(diào)節(jié)（1）利用水平調(diào)節(jié)螺絲，調(diào)干涉儀水平；（2）調(diào)整激光束與干涉儀的光路大致垂直；目測：激光管中心軸線大致垂直于定鏡；調(diào)節(jié)：打開激光器，調(diào)定鏡背后的三顆滾花螺絲使定鏡反射的光束，返回激光發(fā)射孔（可以不作要求，一般目測就可以了）。（3）旋轉(zhuǎn)粗動手輪，使動鏡和定鏡到鍍膜面的距離大致相等（4）調(diào) 調(diào)動鏡背面的三顆螺絲（有時還需要調(diào)定鏡背面的三顆螺絲），使觀察屏上兩個最亮的光點(diǎn)完全重合。（5）觀察等傾干涉條紋：在光路中加進(jìn)凸透鏡并調(diào)整之，讓激光束通過透鏡中心。此時觀察屏上出現(xiàn)干涉條紋（不一定是圓形，可能是弧形），然后細(xì)調(diào)垂直拉簧、水平拉簧（有時還需調(diào)節(jié)動鏡或定鏡背面的三顆螺絲），屏上可出現(xiàn)干涉圓環(huán)。

8、2測量激光的波長（1）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)鼓輪則不動，所以測讀數(shù)據(jù)前，要調(diào)整零點(diǎn)。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，對齊任意一刻度線（注意兩個鼓輪的旋轉(zhuǎn)方向一致）。（2）測量讀出動鏡M1所在的相對位置，此為“0”位置，然后沿同一方向轉(zhuǎn)動微調(diào)手輪， 仔細(xì)觀察屏上的干涉條紋“涌出”或“陷入”的個數(shù)。每隔50個條紋，記錄一次動鏡M1的位置，共記450條條紋，讀10個位置的讀數(shù)，填入自擬的表格中。注意位置讀數(shù)時可精確到10-4mm，估讀到10-5mm。（3）數(shù)據(jù)處理由計算出激光的波長。用逐差法處理數(shù)據(jù)，并用不確定度表示。五、實(shí)驗(yàn)

9、數(shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理1數(shù)據(jù)記錄表格（）干涉環(huán)變化數(shù)050100150200位置讀數(shù)37.0300537.0459037.0617037.0775037.09330干涉環(huán)變化數(shù)250300350400450位置讀數(shù)37.1091537.1250537.1409537.1568037.17255環(huán)數(shù)差2502502502502500.07910 0.079150.07925 0.07930 0.079252數(shù)據(jù)處理 （1）平均值 （2）不確定度 ：的A類不確定度：的B類不確定度： d的總不確定度： 故的總不確定度為： （3）測量結(jié)果 測量結(jié)果的相對誤差：注意事項1邁克爾遜干涉儀系精密光學(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(shí)驗(yàn)臺面，以防震動；不能觸摸光學(xué)元件光學(xué)表面。2（或）鏡后的調(diào)節(jié)螺絲、拉簧不要旋得過緊，以防鏡片受壓變形和損壞螺絲、拉簧，實(shí)驗(yàn)完畢，應(yīng)將調(diào)節(jié)螺絲、拉簧松開，以免鏡面、拉簧變形。 3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， 要警惕誤觸。4激光束光強(qiáng)極高，切勿用眼睛對視，防止視網(wǎng)膜遭永久性損傷。5激光工作電流不要超過7mA。6測量過程中要防止