邁克爾遜干涉儀調(diào)整和使用

1、邁克爾遜干涉儀的調(diào)整和使用一、教學(xué)目的了解邁克爾遜干涉儀的原理結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)調(diào)節(jié)和使用方法觀(guān)察等傾,等厚干涉現(xiàn)象。(3)測(cè)量He-Ne激光波長(zhǎng)。二、教學(xué)重點(diǎn)邁克爾遜干涉儀的原理和結(jié)構(gòu)邁克爾遜干涉儀的調(diào)節(jié)和使用方法邁克爾遜干涉儀的應(yīng)用三、課堂提問(wèn)什么是非定域干涉？邁克爾遜干涉儀是怎樣實(shí)現(xiàn)非定域干涉的？非定域干涉條紋和牛頓環(huán)的相同和不同之處是什么？四、實(shí)驗(yàn)儀器觀(guān)察屏分光板移動(dòng)反射鏡固定反射鏡補(bǔ)償板微調(diào)手輪邁克爾遜干涉儀He-Ne激光器粗調(diào)手輪圖1是邁克爾遜干涉儀的光路原理圖。光源上一點(diǎn)發(fā)出的光線(xiàn)射到半透明層K上被分為兩部分光線(xiàn)“1”和“2”。光線(xiàn)“2”射到M2上被反射回來(lái)后，透過(guò)q到達(dá)E處；光線(xiàn)“1”

2、透過(guò)G2射到M,被M反射回來(lái)后再透過(guò)G2射到K上，反射到達(dá)E處。這兩條光線(xiàn)是由一條光線(xiàn)分出來(lái)的，故它們是相干光。光線(xiàn)“1”也可看作是從M在半透明層中的虛像MJ反射來(lái)的。在研究干涉時(shí)，MJ與M是等效的。調(diào)整邁克爾遜干涉儀，使之產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象可以等效為M與M2之間的空氣薄膜產(chǎn)生的薄膜干涉。用凸透鏡會(huì)聚的激光束是一個(gè)很好的點(diǎn)光源，它向空間發(fā)射球面波，從M1和M2反f射后可看成由兩個(gè)光源S和S發(fā)出的（見(jiàn)圖2），112S1（或S2）至屏的距離分別為點(diǎn)光源氷fs1和S2的距離為MJ和M2之間距離d的二倍,圖2非定域干涉圖1邁克爾遜干涉儀即2d。虛光源S和S發(fā)出的球面波在它們相遇的空間處處相干，這種干涉是非

3、定域干涉。12ff如果把屏垂直于s和S的連線(xiàn)放置，則我們可以看到一組同心圓，圓心就是S和S連線(xiàn)1212f與屏的交點(diǎn)。如圖2,由SS到屏上的任一點(diǎn)A,兩光線(xiàn)的程差L可得：12L=2dcos&（1）由式（1）可知：（1）當(dāng)&=0時(shí)程差最大，即圓心E點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的干涉級(jí)別最高。當(dāng)移動(dòng)MM的距離d增大時(shí)，圓心干涉級(jí)數(shù)越來(lái)越高，我們就可以看到圓條紋一個(gè)12一個(gè)從中心“冒”出來(lái)，反之當(dāng)d減小時(shí)，圓條紋一個(gè)一個(gè)地向中心“縮”進(jìn)去。每當(dāng)“冒”出或“縮”進(jìn)一條條紋時(shí)，d就增加或減小V2，所以測(cè)出“冒出”或“縮進(jìn)”的條紋數(shù)目AN，由已知波長(zhǎng)九就可求得M1移動(dòng)的距離，這就是利用干涉測(cè)長(zhǎng)法；反之，若已知M1移動(dòng)的距離，則

4、就可求得波長(zhǎng)，它們的關(guān)系為：2）即V=2Ad3）（2）d增大時(shí)，程差L每改變一個(gè)波長(zhǎng)九所需的&的變化值減小，即兩亮環(huán)（或兩暗環(huán)）之間的間隔變小。看上去條紋變細(xì)變密。反之d減小，條紋變粗變稀。六、實(shí)驗(yàn)步驟儀器的調(diào)節(jié)（1）使He-Ne激光束大致垂直于M1，即調(diào)節(jié)He-Ne激光器高低左右位置，使反射回來(lái)的光束按原路返回。（2）裝上觀(guān)察屏E，可看到分別由M和M2反射至屏的兩排光點(diǎn)，每排四個(gè)光點(diǎn)，中間兩個(gè)比較亮，旁邊兩個(gè)比較暗。調(diào)節(jié)M和M2背面的三個(gè)螺釘，使兩排光點(diǎn)一一重合，這時(shí)M與m2大致互相垂直。（3）用He-Ne激光器照在G1上,此時(shí)一般在屏上會(huì)出現(xiàn)干涉條紋，再調(diào)節(jié)細(xì)調(diào)拉簧微動(dòng)螺釘，使能看到位置適

5、中、清晰的圓環(huán)狀非定域干涉條紋。觀(guān)察條紋變化。轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)手輪，可看到條紋的“冒出”或“縮進(jìn)”。判別MM2之間的距離d是變大還是變小。測(cè)量He-Ne激光波長(zhǎng)仔細(xì)轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)鼓輪，使條紋的變化處于“縮進(jìn)”，當(dāng)圓形條紋中間的一條縮為一暗點(diǎn)時(shí)，記錄讀數(shù)d；再向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)鼓輪，同時(shí)讀取條紋變化的數(shù)目，每次數(shù)到50記錄一次讀數(shù)，共測(cè)量10組數(shù)據(jù)。每次測(cè)量時(shí)，也都使中間的一條暗紋剛好縮為一暗點(diǎn)時(shí)，再記錄讀數(shù)。應(yīng)用逐差法加以處理，求出每冒出Ak條條紋時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ad的值，代入式（3）計(jì)算入，寫(xiě)出結(jié)果表達(dá)式。七、數(shù)據(jù)記錄A,、=50nmi圈數(shù)N位置diAd=Iddi1i+5i九2竺,(AN250)10250310

6、()415()520()625()Ad=兀=730()835()940()10450八、數(shù)據(jù)處理：(1)求兀。(2)求從。(Ad-Ad)2SAd十5-結(jié)果表達(dá)式：九=A九九、注意事項(xiàng)：轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)鼓輪時(shí)，手輪隨著轉(zhuǎn)動(dòng)，但轉(zhuǎn)動(dòng)手輪時(shí)，鼓輪并不隨著轉(zhuǎn)動(dòng)。因此在讀數(shù)前應(yīng)先調(diào)整零點(diǎn)，方法如下；將鼓輪15沿某一方向(例如順時(shí)針?lè)较?旋轉(zhuǎn)至零，然后以同方向轉(zhuǎn)動(dòng)手輪13使之對(duì)齊某一刻度。這以后，在測(cè)量時(shí)只能仍以同方向轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪使C鏡移動(dòng)，這樣才能使手輪與鼓輪二者讀數(shù)相互配合。為了使測(cè)量結(jié)果正確，必須避免引入空程，也就是說(shuō)，在調(diào)整好零點(diǎn)以后，應(yīng)將鼓輪按原方向轉(zhuǎn)幾圈，直到干涉條紋開(kāi)始移動(dòng)以后，才可開(kāi)始讀數(shù)測(cè)量。為了消

7、除螺距差（空程差），調(diào)節(jié)中，粗調(diào)手輪和微調(diào)鼓輪要向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)；測(cè)量讀數(shù)時(shí)，微調(diào)鼓輪也要向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，中途不得倒退。這里所謂“同一方向”，是指始終順時(shí)針，或始終逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。邁克耳遜干涉儀是精密的光學(xué)儀器，必須小心愛(ài)護(hù)。G,G2,M,M2的表面不能用手觸摸，不能任意擦揩，表面不清潔時(shí)應(yīng)請(qǐng)指導(dǎo)老師處理。實(shí)驗(yàn)操作前，對(duì)各個(gè)螺絲的作用及調(diào)節(jié)方法，一定要弄清楚，然后才能動(dòng)手操作。調(diào)節(jié)時(shí)動(dòng)作一定要輕緩。測(cè)量調(diào)節(jié)中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)“空轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，即轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)鼓輪而干涉圖像不變的情況，這是由于微調(diào)鼓輪和粗調(diào)手輪沒(méi)有同步，沒(méi)有帶動(dòng)反射鏡m2（動(dòng)鏡）移動(dòng)所致。此時(shí)，將粗調(diào)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)一下，再向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)鼓輪即可。做本

8、實(shí)驗(yàn)時(shí)，要特別注意保持安靜，不得大聲喧嘩，不得隨意離開(kāi)座位來(lái)回走動(dòng)，以免引起振動(dòng)影響本人及其他同學(xué)實(shí)驗(yàn)。1）邁克爾遜干涉儀中的G2各起什么作用？提示：G分光，產(chǎn)生兩束頻率相同、振動(dòng)方向相同、初相位相同的相干光；G起補(bǔ)償作用，補(bǔ)償?shù)谝皇?2光線(xiàn)因在G板中往返兩次所多走的光程，使干涉儀對(duì)不同波長(zhǎng)的光可同時(shí)滿(mǎn)足等光程的要求。12）在邁克爾遜干涉儀的一臂中，垂直插入折射率為1.45的透明薄膜，此時(shí)視場(chǎng)中觀(guān)察到15個(gè)條紋移動(dòng)，若所用照明光波長(zhǎng)為500nm，求該薄膜的厚度。提示：垂直插入折射率n=1.45的透明薄膜后，光程差改變：AS=2（n-njd，這個(gè)改變與移動(dòng)的條紋A1）以及波長(zhǎng)關(guān)系：S=k九，A6=Ak九，所以：d=2（n-n0）3）為什么MHM2沒(méi)有嚴(yán)格垂直時(shí)，眼睛移動(dòng)干涉條紋會(huì)“冒出”或“縮入”？提示：若M和M2嚴(yán)格垂直，眼睛上下左右移