邁克爾孫和法珀兩用干涉儀的調(diào)節(jié)和使用實(shí)驗(yàn)報告

1、大連理工大學(xué).大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報告、院系材料學(xué)院專業(yè)樹林由班級0705姓名童凌煒學(xué)號200767025裝登臺號實(shí)驗(yàn)時間2009年05月08日.第1L周，星期五第56節(jié)實(shí)驗(yàn)名稱邁克爾孫和法珀兩用干涉儀的調(diào)節(jié)和使用教師評語實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求:L,2,了解邁克爾孫干涉儀的構(gòu)造非定域條紋觀察和調(diào)節(jié)，以及激光波長的測量教師簽字”3,淀域條紋觀察和調(diào)節(jié)，以及鈉光波長的測量4i白光干涉條紋的調(diào)整1-圖1M邁克M孫和法布里珀羅兩用十涉儀裝置用 * ,結(jié)構(gòu)如右圖所示5,1座氣的折射率亂測量透明介質(zhì)薄片的折射率7,觀察多光束葉涉現(xiàn)象主要儀器設(shè)備：SGM-2型干涉儀由邁克爾孫和法珀干涉儀一體化組裝而成,.基本實(shí)驗(yàn)原理和內(nèi)容

2、:1,邁克爾孫干涉儀的光路.邁克爾孫干渺儀是一種分振幅雙光束的干涉儀光路如右留所示.人射光S到達(dá)分光板G1后分為兩束，即反射光I和透射光U如果入射角為45§時，光I和H相互垂直，且分別垂直射到反射鏡Ml和I腦聽"修； !圖M看近克耳孫干游慳光路M2上；經(jīng)反射后的兩束光重新在C1的半反射膜上正聚成一束光從E方向射出補(bǔ)償鏡G2.的作用是保證兩束光的光程完全相同冰方干涉條紋的圖樣那么干涉圖樣的分析，就變?yōu)榛贛l和如上圖所示，可以將M2的像作到Ml的平行位置M2、M2,之間的空氣層的干涉分析勖2J,點(diǎn)光源照明非定域干涉條紋激光束射向干涉鏡的光可視作點(diǎn)光源,圖中S1和S2,是點(diǎn)光源

3、相對于Ml和M2,的虛像,這兩個虛光源發(fā)出的球面先疲在相遇空間都可以爰生睪涉，因而在這個光場中任何位置放置毛玻摘屏都可以接1.：，.0'.，收到干涉條紋,因而稱之為非定域中涉新當(dāng)Ml和M2,非平行時2發(fā)生的是等厚干涉$觀察到為平有條紋；平杼時，發(fā)生的是等傾干涉:觀察到為同心橢圓或雙曲線形干涉條紋式光路圖如上頁所示方好ffl14-3點(diǎn)光源照明圖6Y圖14"或光源照明圖iM局,MW>非定域同心圓條紋的特性分析如下:兩虛光源S1和S2,到接受屏上任意一點(diǎn)P的光程差均為AL=/尸一£尸，當(dāng)偏心距r很小時（如上光路圖所示力可以對一些小量做出忽略,，可以認(rèn)為盤程寶必=2火

4、1-不9/r9顯然，當(dāng)光程差為波長的整數(shù)倍時候，對應(yīng)的是亮條紋,、尸此時AL=2"(1-J)=以2片同時可以得出，干涉條紋的級次從外向圓心遞增色.09.。."列出兩相關(guān)式相見后可以得到,干涉條紋的間距為加=歐_|后建言,且間距的大小與九1個變量有關(guān).條紋的吞吐.Md增大時,入也增大9此時圓心吐出條紋，反之的減小時,%減小，中心吞進(jìn)條紋；對于最中心的條紋，根據(jù)表達(dá)式2d=kA.以得到吞吐條紋數(shù)目N與動鏡移動距離d的關(guān)系：2Ad=NA這樣便可以根據(jù)條紋吞吐的數(shù)目和動鏡的移動距離來確定入射光的波長.22護(hù)展光源照明一定域干涉條紋P*/、KD,等傾干涉®如右圖所示,：當(dāng)M

5、l與M2,的位置相平有咕；樽制制手打WZ射光的AL=2d此時觀察到干涉圖樣為一組同心H4.了，每個圓對應(yīng)定的傾角仇.,"丁，且所有的同心圓中.以圓心處的干涉條紋級別最高，此處的光程差為M=2/=因而在改變動鏡的位置d的時候也可以圖14-5擴(kuò)展光源照明看到中心圓環(huán)條紋的吞吐現(xiàn)象,且每吞吐一個圓環(huán)；說明d”,®光路圖（等傾干涉條紋）.變化了M2,i，/再同樣利用光程費(fèi)的公式同過相余級的表宏式相減可以得到相鄰兩條紋之間的角間跑為»*?e«*at%q：煩），等屋干涉e當(dāng)Ml與MN的位置存在很小的一個夾角a.且Ml與M2,所夾出的空氣膜很薄時，用擴(kuò)展光源照射便可以

6、發(fā)生等厚干涉,其光程差仍可以表示為AL=2Jcos6>,但是由于存在半破損,、因而使得第一條紋/咨口£是暗條紋；如果反射狀態(tài)不是通過空氣面的背反射而是通過圖146擴(kuò)展撕照明鏡子上的鍍膜來反射則不存在半波損的狀況,因而第一條紋成為亮光路圖（等厚干涉條紋）,二FV當(dāng)干涉位置較靠近交樓時，,干涉圖樣為標(biāo)準(zhǔn)的明暗直線間隔條紋,但在較遠(yuǎn)離交棱的位置上.背反射角6的影響就不能夠被忽視，因而可以看到干涉條紋發(fā)生了扭曲，由直線變成了向交棱方向突起的弧形條紋，且越是遠(yuǎn)離交棱的地方.扭曲的現(xiàn)象越是明顯疝步驟與操作方法:了解邁克爾孫干涉儀的構(gòu)造,非定域條紋觀察和調(diào)節(jié)，以及激光波長的測量，測量空氣的折

7、射率.以及相對于底平面的 » uje m激光非定域干涉現(xiàn)象的觀察和He-Ne激光波長的測量在不加入護(hù)束器的情況下安裝好各個部件,并且調(diào)節(jié)光路的準(zhǔn)直性和相對位置,V水平號保證經(jīng)Ml和M2反射的光重含在毛玻璃屏上久之后加入擴(kuò)束器便可以在毛玻璃屏上觀察到干涉圖案以鈉光燈做光源時類似,只是需要加裝針孔屏來對光，之后移去針孔屏笄且在分光器和光0;源芝忸加上毛玻璃屏即可觀察到干涉圖樣a測量時，往同一個奔向先后10次旋轉(zhuǎn)測微螺旋，使圖案中心看或吐共550各條紋,其中從50開始，每隔50個條紋記錄一次測微螺旋的讀數(shù)C含50”為了防止空程誤差，測微螺旋不可反轉(zhuǎn)i中間出則必須從頭開始。2,測量透明介質(zhì)薄

8、片的折射率先調(diào)整動鏡M2的位置，使屏上出現(xiàn)白光干涉條紋,并且使中央條紋對潴屏上十字叉絲，記下動鏡位置讀數(shù)11,然后在動鏡前加入一透明薄片，此時光路光程差增加再調(diào)節(jié)動鏡位置由兩次位置差求出6,再用螺旋測微使中央干涉條紋回到屏中央與交建重吾.讀取動鏡的位置12.器測出薄片的厚度，便可以根據(jù)以上的公式得出其折射率的值,"d，3,測量空氣的折射率以小功率激光器作光源早在干沙儀光路中加入一個微為1的氣室調(diào)甯干涉儀得到適智的干涉條效后,.%向氣室里充氣，則干涉彖紋爰生了變化*再慢慢將氣室內(nèi)的氣體放出，同時注意干涉圖案上干涉環(huán)的變化數(shù)NC估計(jì)到一位小數(shù)3直至放氣結(jié)束，氣室內(nèi)外氣壓相等.然后根據(jù)下式

9、計(jì)算出空氣的折射我第等重復(fù)測量6次,取平均值& 0 14,觀察多光束干涉現(xiàn)象轉(zhuǎn)動整個干涉儀.使FP干涉儀面向安 * 驗(yàn)者“將氮發(fā)激光器置于FP干涉儀的光B-U-7-碳靠隼珀羅F就實(shí)腕誓圖1路上通過旋鈕調(diào)節(jié)兩鏡子的相互程置，直到鏡面之間的反射比點(diǎn)重合為一點(diǎn)時+ 說明兩鏡子的位置已經(jīng)相互平圖14-8-法布里珀羅和噪螺圖2如圖所示八關(guān)鍵是調(diào)節(jié)兩個鏡面嚴(yán)格平FP干涉儀的兩個鏡而禁止緊貼，出場% 然后在光路中加入擴(kuò)束器和毛玻璃屏以形成擴(kuò)展光源小就能夠從系統(tǒng)的軸向觀察到一系列明亮細(xì)銳的多光束干涉圓環(huán)“觀察該干粉現(xiàn)象有兩種光路設(shè)置可選,權(quán)注意：光學(xué)器件的表而,：尤其是透光表而嚴(yán)禁用手觸摸.時以調(diào)整好

10、的光學(xué)部件不可以再調(diào)整3轉(zhuǎn)動測微螺旋和調(diào)節(jié)螺鼓時動作要輕，以免損壞儀器，數(shù)據(jù)記錄與處理:.實(shí)驗(yàn)中測量的數(shù)據(jù)如下Ih測量激光的波長£黑為原始位移，d為乘以倍率系數(shù)0.05以后的數(shù)據(jù)）/.、L，w珞50100150200d7mm.70007. 311亡630於969也山出mmO 350000.365550.382500.39S450.4172025030035040045050。8.642i a. 9709. 2fi9955s9.86910.171e . 0. 432100.448500.463150.47790加 4936.0. 50S552,：測量空氣的折射率n擊e,1z.5有da.

11、a29L4r就再ii；s談.9.20§必MoL=80mnr=632,8nnPamb=101.32>kpa結(jié)果與分析，1,用作圖法計(jì)算激光的波長這里并行使用兩種作圖手段來計(jì)算，一方而使用手動繪圖并荏函數(shù)圖像上取樣以計(jì)算斜率.使用Matlab6.5作函數(shù)的圖像并且使用MLS來得到擬合后的直線方程1.1手動繪圖的圖像與結(jié)果見下頁的坐標(biāo)圖12Matlab6.5的處理過程如卞:*：3將數(shù)據(jù)送入程序中，代碼如下:»x=050100150200250300350400450500X=050100150200250300350400450500» y= 0.35000 0.

12、365550.381500.463450.477900.49345v = Columns 1 through 903500036550.38150.398450.417200.432100.44850”:oO,8,0.50855J0.39850.41720.43210.44850.46340.4779Columns10thnough110.49350.5085>>cftoolLinearmodelPolyl:f(x)=pl*x+p2Coefficients(with95%confidencebounds):pl=0.0003191.(0.0003123,0.0003258)p2=0

13、3508(0.3489,0.3528)即是說圖像中斜線的斜率為k=pl=0.0003191mm=319,lnm則激光波長A=2k=638.2nm2,計(jì)算空氣的折射率首先根據(jù)公武/=1+緣x與迪計(jì)算出結(jié)果如下表所示1.000268181.000271051.00027348 .0 L000278551.00027225 L00026805則最終結(jié)果萬=1.00027251*>%*討論、建議與質(zhì)疑,1,在菲定域干涉的實(shí)驗(yàn)中，、兩個點(diǎn)光源的等傾干涉場是以兩同軸光源連線為軸的雙曲拋物而F且為多層結(jié)構(gòu)，因而在假設(shè)干法場能夠完整出現(xiàn)在全盍問的情況下,在光屏平面與光軸相平檸時，便.%可以在光屏上觀察到

14、雙曲線條紋©.詈兩個反射鏡Ml»M2不相平行而存在一個較小的夾角時，在處于光軸方向并且局之平行的光屏上.便可以觀察到平行的直條蛇2,由于在儀器上發(fā)生干涉的兩束光正是由G1價束產(chǎn)生的反射光L1和透射光L2,因而為了保證得到的干涉圖像亮度統(tǒng)一并且穩(wěn)定而便于觀察，L1和L2的光強(qiáng)應(yīng)當(dāng)相同，如果光強(qiáng)不同&則可V?.>.能導(dǎo)致干涉圖像亮度不統(tǒng)一，：觀察等傾干涉圓環(huán)吞吐的時候可能導(dǎo)致圖像不穩(wěn)定而不便于測量,因而分束板的反射光和折射光的光強(qiáng)應(yīng)當(dāng)相同&3,由于白光是由多種不同的色光混合而成，已知補(bǔ)償板的作用即是使反射光和折射光在最后到達(dá)光屏?xí)r的光程相同,，如果沒有補(bǔ)償

15、板，那么兩束光便存在一個光程差.這個光程差的大小和分束O8，誓板的厚度有關(guān),因而是一個定量，而對于白光中的各個單色光而富1由于波長不同P那么這個光程差對各色光所造成的影響不同八有的可能是波長的整數(shù)倍，或者半波長的奇數(shù)倍，也可能介于這兩種情況之間，,因而不同色光到達(dá)光屏?xí)r的干皺狀況不同，故無法形成統(tǒng)一的白光干涉圖料關(guān)于在測量空氣折射率的過程中.有可能觀察到干涉圓環(huán)吞或吐兩種情況的解釋，個人認(rèn)為，同一個實(shí)驗(yàn)中觀察到吞吐兩種不同的“狀況.與氣室的軸線是否與干涉光路的軸線相平擰有關(guān),當(dāng)實(shí)驗(yàn)者將氣量身手涉光路擺放為同軸產(chǎn)時，根據(jù)公式AL=2/（1-喬）亭履e當(dāng)氣室加壓'內(nèi)部氣體的折射率增大,則相當(dāng)于光矛增大，則為了平衡等式也會增大？因而觀察到吐環(huán)現(xiàn)象、而當(dāng)實(shí)魄看沒有將氣室擺正而與干涉光路的軸線存在一個夾角時，.如右圖所示:，當(dāng)氣JX,.室充氣后，內(nèi)部氣體的折射率增大，因而相對兩平端平板玻璃的折射率差減少,因而折射角減少,：從圖中看的，氣室中的光路相對于沒有充氣的情況下.1版少.同時n在增大學(xué)因而公式中的光程z實(shí)際由n和1的乘積所決定/在一定的范圍內(nèi),K