白光干涉試驗課件

白光干涉實驗實驗目的實驗原理儀器介紹實驗內(nèi)容思考練習白光干涉實驗實驗目的實驗原理儀器介紹實驗內(nèi)容思考練習邁克爾遜簡介

邁克爾遜（AlbertAbrabanMichelson，1852－1931）美國物理學家。曾從事光速的精密測量工作。邁克爾遜首倡用光波波長作為長度基準。1881年，他發(fā)明了一種用以測定微小長度、折射率和光波波長的干涉儀（邁克爾遜干涉儀）。他與美國物理學家E.W.莫雷合作，進行了著名的邁克爾遜－莫雷實驗，否定了“以太”的存在，為愛因斯坦建立狹義相對論奠定了基礎。由于創(chuàng)制了精密的光學儀器和利用這些儀器所完成的光譜學和基本度量學研究，邁克爾遜于1907年獲諾貝爾物理學獎金。

邁克爾遜簡介邁克爾遜（AlbertAbrabanMic1.實驗目的1、測量鈉光D雙線的波長差；2、觀察白光干涉條紋；3、測量白光的相干長度。

1.實驗目的1、測量鈉光D雙線的波長差；點光源S。分光鏡G1，G1右表面鍍有半透半反射膜，使入射光分成強度相等的兩束。全反射鏡M1和M2：M1為固定全反射鏡，背部有三個粗調(diào)螺絲，側(cè)面和下面有兩個微調(diào)螺絲。M2為可動全反射鏡，背部有三個粗調(diào)螺絲。

邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)原理邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)及光路觀察區(qū)域F，如到達F處的兩束光滿足相干條件，可發(fā)生干涉現(xiàn)象。

G2為補償扳，它與G1為相同材料，有相同的厚度，且平行安裝，目的是要使參加干涉的兩光束經(jīng)過玻璃板的次數(shù)相等，波陣面不會發(fā)生橫向平移。

2.實驗原理點光源S。分光鏡G1，G1右表面鍍有半透半反射膜，使入射光分分光板把入射光分成兩束強度幾乎相等的光束（因此邁克爾遜干涉儀是分振幅干涉），這兩束光經(jīng)過兩個平面鏡的反射之后匯集到分光板后面發(fā)生干涉，形成干涉條紋（因此邁克爾遜干涉儀是雙光束干涉）。可動平面鏡和固定平面鏡的虛像形成了一個薄的空氣層，這兩束光可以看成是從該膜的上下底面上方反射回來的。這種干涉現(xiàn)象跟厚度為d的空氣薄膜產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象等效。因此邁克爾遜干涉儀的等效光路就是一個薄膜干涉。

分光板把入射光分成兩束強度幾乎相等的光束（因此邁克爾遜干涉儀1、如果光源是點光源，則產(chǎn)生非定域干涉2、如果光源是擴展光源，則產(chǎn)生定域干涉3、如果兩個平面鏡嚴格垂直，即空氣膜厚度處處相等，則形成等傾干涉條紋------同心圓環(huán)。4、如果兩個平面鏡稍有傾斜，即空氣膜為一個空氣劈尖，則形成等厚干涉條紋------直條紋。5、如果利用擴展白光源，則可以看到彩色條紋。干涉圖樣的類型1、如果光源是點光源，則產(chǎn)生非定域干涉干涉圖樣的類型激光源的等傾干涉圖激光源的等傾白光干涉圖白光干涉圖光譜雙線波長差如前述的原理，當M1與M2互相平行時，得到明暗相間的圓形干涉條紋。如果光源是絕對單色的，則當M1鏡緩慢移動時，雖然視場中心條紋不斷涌出或陷入，但條紋的襯度不變，所謂條紋的襯度是指條紋的清晰程度，通常定義為式中Imax和Imin分別為亮紋的光強和暗紋的光強。如果光源中包含有波長相近的兩種光波λ1和λ2，則可遇到這樣情況：兩列光波（1）和（2）的光程差恰好為λ1的整數(shù)倍，而同時又為λ2的半整數(shù)倍，亦即光譜雙線波長差式中Imax和Imin分別為亮紋的光強和暗紋的這時，λ1光波成亮環(huán)的地方，恰好是光波λ2被生成暗環(huán)的地方。如果這兩列光波強度相等，則由定義，在這些地方條紋的襯度為零。從某一襯度為到相鄰的下一次襯度為零，即如果第一次襯度為零時，λ1為亮環(huán)，那么第二次它即為暗條紋，也就是光程差的變化△L對λ1是半個波長的奇數(shù)倍，同時對λ2也是半個波長的奇數(shù)倍，又因這兩個奇數(shù)是相鄰的，故得于是對于視場中心來說，設M1鏡在相繼兩次襯度為零時移動△L應等于2△d，所以只要知道兩波長的平均值和M1鏡移動的距離△d，就可以求出兩者的波長差△λ，根據(jù)這原理，可以用實驗測量鈉光D雙線的波長差。這時，λ1光波成亮環(huán)的地方，恰好是光波λ2被生成暗環(huán)的地方?？紤]等傾條紋時視場中心處的情況。對于任何一種光源，都存在一個dm值，時，視場中干涉場的可見度為零；只有當時，才能出現(xiàn)干涉條紋。不同光源的dm值不同，即能夠產(chǎn)生干涉條紋的最大光程差不同。我們稱為該光源的相干長度。相干長度

不同光源的相干長度有很大差異：氦氖激光束單色性很好，單縱模氦氖激光束Δλ只有10-4~10-7nm，相干長度由數(shù)米到數(shù)公里；普通低壓水銀燈、鈉燈的準單色光的Δλ約為10-2nm，相干長度只有數(shù)厘米；鎢絲燈發(fā)射的光，其Δλ與λ0相近，相干長度僅數(shù)微米?？紤]等傾條紋時視場中心處的情況。對于任何一種光3.儀器介紹儀器主體結(jié)構(gòu)如右圖所示，導軌（7）固定在一只穩(wěn)定的底座上，由三只調(diào)平螺絲（9）支承調(diào)平后可以擰緊鎖緊圈（10）以保持座架穩(wěn)定。絲桿（6）螺距為1mm轉(zhuǎn)動粗動手輪（2）經(jīng)一對傳動大約為2:1的齒輪付帶絲桿旋轉(zhuǎn)與絲桿嚙合的可調(diào)螺母（4），通過防轉(zhuǎn)擋塊帶動移動鏡（11）在導軌面上滑動，實現(xiàn)精動，移動距離的毫米數(shù)可在機體側(cè)面的毫米刻尺（5）上讀得通過讀數(shù)窗口，在刻度盤（3）上讀到0.001mm，移動鏡（11）和參考鏡（14）附近有兩個微調(diào)螺絲（15）垂直的螺絲使鏡面干涉圖象上下微動水平螺絲則使干涉圖象和水平移動，絲桿頂進力可通過滾花螺帽（8）來調(diào)整，儀器各部活動要求轉(zhuǎn)動輕便，彈性元件接觸力適宜。3.儀器介紹儀器主體結(jié)構(gòu)如右圖所示，導軌（7）固定在一只穩(wěn)定分光板、補償板和反射鏡分光板、補償板和反射鏡

當使用完畢，需存放一段時期時，導軌絲桿面應上防銹油，由于結(jié)構(gòu)上原因，微動手輪正反空回，出廠時允許在0.03mm范圍內(nèi)，這對測試是無影響的。如果出現(xiàn)不圓整，不規(guī)則現(xiàn)象，應檢查分光板和補償板之間相互是否平行，照明光軸是否在視場上局中，與分光面成45等。也可調(diào)移動鏡和參考鏡粗微動螺釘來實現(xiàn)，以保證干涉條紋清晰。平時絲桿面上防銹油脂，加上T5精密儀表油。當使用完畢，需存放一段時期時，導軌絲桿面應上粗調(diào)和微調(diào)鼓輪軌道上的標尺粗調(diào)和微調(diào)鼓輪軌道上的標尺4.實驗內(nèi)容1.了解邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)，熟悉每個旋鈕的作用。2.測量鈉光D雙線的波長差。點亮He－Ne激光器使之照射在前面的毛玻璃上，形成均勻的擴展光源。把He－Ne激光器換成鈉燈，調(diào)好等傾干涉條紋后，緩慢移動M1鏡，使視場中心的襯度最小，記下M1鏡的位置d1，沿原來方向移動M1鏡，直至襯度又最小，記下M1鏡的位置d2，即得按上述步驟重復三次，求△d的平均值，根據(jù)實驗原理相關公式，計算鈉燈D雙線的波長差△λ。4.實驗內(nèi)容1.了解邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)，熟悉每個旋鈕的作用。3.測量白光相干長度利用激光束，調(diào)節(jié)M1和M2‘平行，仔細移動M2，使兩束光光程差接近于零，即干涉條紋變?yōu)橹本€，產(chǎn)生白光干涉條件；換用白光光源，用微調(diào)手輪由b向a旋動，則可在ab間的某一位置看到Ｅ處紙屏上出現(xiàn)彩色的白光條紋?；y的中心就是M2‘、M1的交線，此時M1鏡的位置準確地和M2’鏡重合，產(chǎn)生白光干涉條紋；利用等厚干涉條紋來測量測量白光相干長度。3.測量白光相干長度利用激光束，調(diào)節(jié)M1和M2‘平行，仔細5.思考練習本實驗中所用的麥克爾遜干涉儀粗調(diào)轉(zhuǎn)動一圈代表M2鏡移動多少距離？微調(diào)轉(zhuǎn)動一圈又代表M2鏡移動多少距離？在邁克爾遜干涉儀中，補償板的作用是什么？試設計一個實驗，利用邁克爾遜干涉儀測量薄玻璃片的折射率。5.思考練習本實驗中所用的麥克爾遜干涉儀粗調(diào)轉(zhuǎn)動一圈代表M2白光干涉實驗實驗目的實驗原理儀器介紹實驗內(nèi)容思考練習白光干涉實驗實驗目的實驗原理儀器介紹實驗內(nèi)容思考練習邁克爾遜簡介

邁克爾遜（AlbertAbrabanMichelson，1852－1931）美國物理學家。曾從事光速的精密測量工作。邁克爾遜首倡用光波波長作為長度基準。1881年，他發(fā)明了一種用以測定微小長度、折射率和光波波長的干涉儀（邁克爾遜干涉儀）。他與美國物理學家E.W.莫雷合作，進行了著名的邁克爾遜－莫雷實驗，否定了“以太”的存在，為愛因斯坦建立狹義相對論奠定了基礎。由于創(chuàng)制了精密的光學儀器和利用這些儀器所完成的光譜學和基本度量學研究，邁克爾遜于1907年獲諾貝爾物理學獎金。

邁克爾遜簡介邁克爾遜（AlbertAbrabanMic1.實驗目的1、測量鈉光D雙線的波長差；2、觀察白光干涉條紋；3、測量白光的相干長度。

1.實驗目的1、測量鈉光D雙線的波長差；點光源S。分光鏡G1，G1右表面鍍有半透半反射膜，使入射光分成強度相等的兩束。全反射鏡M1和M2：M1為固定全反射鏡，背部有三個粗調(diào)螺絲，側(cè)面和下面有兩個微調(diào)螺絲。M2為可動全反射鏡，背部有三個粗調(diào)螺絲。

邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)原理邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)及光路觀察區(qū)域F，如到達F處的兩束光滿足相干條件，可發(fā)生干涉現(xiàn)象。

G2為補償扳，它與G1為相同材料，有相同的厚度，且平行安裝，目的是要使參加干涉的兩光束經(jīng)過玻璃板的次數(shù)相等，波陣面不會發(fā)生橫向平移。

2.實驗原理點光源S。分光鏡G1，G1右表面鍍有半透半反射膜，使入射光分分光板把入射光分成兩束強度幾乎相等的光束（因此邁克爾遜干涉儀是分振幅干涉），這兩束光經(jīng)過兩個平面鏡的反射之后匯集到分光板后面發(fā)生干涉，形成干涉條紋（因此邁克爾遜干涉儀是雙光束干涉）?？蓜悠矫骁R和固定平面鏡的虛像形成了一個薄的空氣層，這兩束光可以看成是從該膜的上下底面上方反射回來的。這種干涉現(xiàn)象跟厚度為d的空氣薄膜產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象等效。因此邁克爾遜干涉儀的等效光路就是一個薄膜干涉。

分光板把入射光分成兩束強度幾乎相等的光束（因此邁克爾遜干涉儀1、如果光源是點光源，則產(chǎn)生非定域干涉2、如果光源是擴展光源，則產(chǎn)生定域干涉3、如果兩個平面鏡嚴格垂直，即空氣膜厚度處處相等，則形成等傾干涉條紋------同心圓環(huán)。4、如果兩個平面鏡稍有傾斜，即空氣膜為一個空氣劈尖，則形成等厚干涉條紋------直條紋。5、如果利用擴展白光源，則可以看到彩色條紋。干涉圖樣的類型1、如果光源是點光源，則產(chǎn)生非定域干涉干涉圖樣的類型激光源的等傾干涉圖激光源的等傾白光干涉圖白光干涉圖光譜雙線波長差如前述的原理，當M1與M2互相平行時，得到明暗相間的圓形干涉條紋。如果光源是絕對單色的，則當M1鏡緩慢移動時，雖然視場中心條紋不斷涌出或陷入，但條紋的襯度不變，所謂條紋的襯度是指條紋的清晰程度，通常定義為式中Imax和Imin分別為亮紋的光強和暗紋的光強。如果光源中包含有波長相近的兩種光波λ1和λ2，則可遇到這樣情況：兩列光波（1）和（2）的光程差恰好為λ1的整數(shù)倍，而同時又為λ2的半整數(shù)倍，亦即光譜雙線波長差式中Imax和Imin分別為亮紋的光強和暗紋的這時，λ1光波成亮環(huán)的地方，恰好是光波λ2被生成暗環(huán)的地方。如果這兩列光波強度相等，則由定義，在這些地方條紋的襯度為零。從某一襯度為到相鄰的下一次襯度為零，即如果第一次襯度為零時，λ1為亮環(huán)，那么第二次它即為暗條紋，也就是光程差的變化△L對λ1是半個波長的奇數(shù)倍，同時對λ2也是半個波長的奇數(shù)倍，又因這兩個奇數(shù)是相鄰的，故得于是對于視場中心來說，設M1鏡在相繼兩次襯度為零時移動△L應等于2△d，所以只要知道兩波長的平均值和M1鏡移動的距離△d，就可以求出兩者的波長差△λ，根據(jù)這原理，可以用實驗測量鈉光D雙線的波長差。這時，λ1光波成亮環(huán)的地方，恰好是光波λ2被生成暗環(huán)的地方?？紤]等傾條紋時視場中心處的情況。對于任何一種光源，都存在一個dm值，時，視場中干涉場的可見度為零；只有當時，才能出現(xiàn)干涉條紋。不同光源的dm值不同，即能夠產(chǎn)生干涉條紋的最大光程差不同。我們稱為該光源的相干長度。相干長度

不同光源的相干長度有很大差異：氦氖激光束單色性很好，單縱模氦氖激光束Δλ只有10-4~10-7nm，相干長度由數(shù)米到數(shù)公里；普通低壓水銀燈、鈉燈的準單色光的Δλ約為10-2nm，相干長度只有數(shù)厘米；鎢絲燈發(fā)射的光，其Δλ與λ0相近，相干長度僅數(shù)微米?？紤]等傾條紋時視場中心處的情況。對于任何一種光3.儀器介紹儀器主體結(jié)構(gòu)如右圖所示，導軌（7）固定在一只穩(wěn)定的底座上，由三只調(diào)平螺絲（9）支承調(diào)平后可以擰緊鎖緊圈（10）以保持座架穩(wěn)定。絲桿（6）螺距為1mm轉(zhuǎn)動粗動手輪（2）經(jīng)一對傳動大約為2:1的齒輪付帶絲桿旋轉(zhuǎn)與絲桿嚙合的可調(diào)螺母（4），通過防轉(zhuǎn)擋塊帶動移動鏡（11）在導軌面上滑動，實現(xiàn)精動，移動距離的毫米數(shù)可在機體側(cè)面的毫米刻尺（5）上讀得通過讀數(shù)窗口，在刻度盤（3）上讀到0.001mm，移動鏡（11）和參考鏡（14）附近有兩個微調(diào)螺絲（15）垂直的螺絲使鏡面干涉圖象上下微動水平螺絲則使干涉圖象和水平移動，絲桿頂進力可通過滾花螺帽（8）來調(diào)整，儀器各部活動要求轉(zhuǎn)動輕便，彈性元件接觸力適宜。3.儀器介紹儀器主體結(jié)構(gòu)如右圖所示，導軌（7）固定在一只穩(wěn)定分光板、補償板和反射鏡分光板、補償板和反射鏡

當使用完畢，需存放一段時期時，導軌絲桿面應上防銹油，由于結(jié)構(gòu)上原因，微動手輪正反空回，出廠時允許在0.03mm范圍內(nèi)，這對測試是無影響的。如果出現(xiàn)不圓整，不規(guī)則現(xiàn)象，應檢查分光板和補償板之間相互是否平行，照明光軸是否在視場上局中，與分光面成45等。也可調(diào)移動鏡和參考鏡粗微動螺釘來實現(xiàn)，以保證干涉條