邁克爾遜干涉儀實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告

物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)題目：邁克爾遜干涉儀的使用院系名稱：材料學(xué)院班級(jí)：09應(yīng)用物理學(xué)號(hào)：200910250115姓名：彭文佳物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心摘要：邁克爾遜干涉儀是一個(gè)經(jīng)典邁克爾遜和莫雷設(shè)計(jì)制造出來(lái)的精密光學(xué)儀器，在近代物理和近代計(jì)量技術(shù)中都有著重要的應(yīng)用。通過(guò)邁克爾遜干涉的實(shí)驗(yàn)，我們可以熟悉邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)并掌握其調(diào)整方法，認(rèn)識(shí)電光源非定域干涉條紋的形成與特點(diǎn)，部分從并利用干涉條紋的變化測(cè)定光源的波長(zhǎng)。一實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）.了解邁克耳遜干涉儀的基本構(gòu)造，學(xué)習(xí)其調(diào)節(jié)和使用方法，學(xué)習(xí)按照一定原理組裝儀器的技能，通過(guò)自行組裝邁克耳干涉儀學(xué)習(xí)光路的調(diào)整。（2）.觀察各種干涉條紋，加深對(duì)薄膜干涉、等傾干涉、等厚干涉現(xiàn)象原理的理解，開(kāi)拓學(xué)習(xí)應(yīng)用的技能。（3）.學(xué)會(huì)用邁克耳遜干涉儀測(cè)量物理量，在組裝好的個(gè)邁克耳干涉儀上進(jìn)行壓電晶片電致伸縮效應(yīng)的觀測(cè)。粗略測(cè)出壓電晶片的壓電系數(shù)。（4）.利用邁克爾遜干涉儀測(cè)量He-Ne激光器的波長(zhǎng)。二實(shí)驗(yàn)原理1、邁克耳遜干涉儀的原理。邁克耳遜干涉儀是應(yīng)用分振幅法產(chǎn)生雙光束以實(shí)現(xiàn)干涉的儀器，儀器的光學(xué)系統(tǒng)由兩個(gè)平面反射鏡M1和M2及兩塊材質(zhì)相同、厚度相等的平行平面玻璃板G1和G2所組成，如上圖所示。從光源S發(fā)出的光，射到分光板G1上，分光板G1后表面有半反射膜，將一束光分解成兩束光；一束為反射光（1），另一束為透射光（2）,他們的強(qiáng)度近似相等。由于G1與M1、M2均成45度角，所以兩束光都垂直的射到M1和M2，并經(jīng)反射后回到G1上的半反射膜，再在觀察處E相遇。因?yàn)楣馐?）、（2）是相干光，若儀器調(diào)整得當(dāng)，便可在E處觀察到干涉圖樣。G2為φMφM1dL2dS1’S2’GSM1’M2REPS’2、干涉條紋的形成。由于半反射膜實(shí)質(zhì)上是一塊反射鏡，它M2在M1附M2近形成一個(gè)虛像M'2。由于是從觀察處E看到的兩束光好像是從M1和M'2射來(lái)的，故可將M'2看成一個(gè)虛平面。因M'2不是實(shí)物，它的表面和M1的表面所夾的空氣薄膜可以任意調(diào)節(jié)如使其平行則形成等厚的空氣薄膜，產(chǎn)生等傾干涉；若不平行則形成空氣劈尖，成等厚干涉。從而在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以觀察到不同的干涉圖樣。（1）等傾干涉使M2垂直M1（即M1平行M'2），S又為面光源時(shí)，這就相當(dāng)于空氣平面板所產(chǎn)生的等傾干涉。自M1和M2反射后兩光束的光程差（如果光束（1）、（2）在半反射膜上反射時(shí)無(wú)附加光程差）為，式中ｄ為M1和M'2間的距離，即為空氣膜厚度。I為入射光M1、M'2鏡表面的入射角。由上式可知，當(dāng)d一定時(shí)，光程差只決定于入射角。面光源上具有相同傾角I的所有光束的光程差?也相同，它們?cè)诟缮鎱^(qū)域里將形成同一條干涉條紋，這種干涉即為等傾干涉。對(duì)應(yīng)不同入射角的光束光程差不相同，形成不同級(jí)次的干涉條紋，便得到一組明暗相間的同心圓環(huán)，條紋定域在無(wú)窮遠(yuǎn)處，在E處直接用眼睛就可以觀察到等傾干涉的同心圓環(huán)。（2）等厚干涉當(dāng)M1、M'2相距很近，并把M'2調(diào)成與M1相交呈很小的角度時(shí)，就形成一空氣劈尖。在劈尖很薄的情況下，從E處便可看到等厚干涉條紋。這時(shí)，兩相干光程差仍可近似的表示為?=2dcosi，，在M1和M'2的交線處的直線紋稱為中央條紋。在交線上，d=0，光程差?為零，條紋為一條直線；在交線附近d很小，i的變化可以忽略，即cosi視為常數(shù)，條紋為一組近似與中央條紋平行的等間距的直條紋，可視為等厚條紋；離交線較遠(yuǎn)處d變大，光程差?的改變，除了與膜厚度d有關(guān)外，還受i角的影響，cosi的影響不能忽略。實(shí)際上i很小，?=2dcosi≈2d(1-i2/2)，條紋發(fā)生彎曲。三實(shí)驗(yàn)背景歷史背景邁克耳遜干涉儀,是1883年美國(guó)物理學(xué)家邁克耳遜和莫雷合作，為研究“以太”漂移而設(shè)計(jì)制造出來(lái)的精密光學(xué)儀器。它是利用分振幅法產(chǎn)生雙光束以實(shí)現(xiàn)干涉。通過(guò)調(diào)整該干涉儀，可以產(chǎn)生等厚干涉條紋，也可以產(chǎn)生等傾干涉條紋。主要用于長(zhǎng)度和折射率的測(cè)量，若觀察到干涉條紋移動(dòng)一條，便是M2的動(dòng)臂移動(dòng)量為λ/2，等效于M1與M2之間的空氣膜厚度改變?chǔ)?2。在近代物理和近代計(jì)量技術(shù)中，如在光譜線精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究和用光波標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)米尺等實(shí)驗(yàn)中都有著重要的應(yīng)用。利用該儀器的原理，研制出多種專用干涉儀。具體應(yīng)用1.

微小位移量和微振動(dòng)的測(cè)量采用邁克耳遜干涉技術(shù),通過(guò)測(cè)量ＫＤＰ晶體生長(zhǎng)的法向速率和臺(tái)階斜率來(lái)研究其臺(tái)階生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)系數(shù)、臺(tái)階自由能、溶質(zhì)在邊界層內(nèi)的擴(kuò)散特征以及激發(fā)晶體生長(zhǎng)臺(tái)階的位錯(cuò)活性。He-Ne激光器的激光通過(guò)擴(kuò)束和準(zhǔn)直后射向分束鏡,參考光和物光分別由反射鏡和晶體表面反射,兩束光在重疊區(qū)的干涉條紋通過(guò)物鏡成像,該像用攝像機(jī)和錄像機(jī)進(jìn)行觀察和記錄.濾膜用于平衡參考光和物光的強(qiáng)度.2.壓電材料的逆壓電效應(yīng)研究壓電陶瓷材料在電場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生伸縮效應(yīng),這就是所謂壓電材料的逆壓電現(xiàn)象,其伸縮量極微小。將邁克耳遜干涉儀的動(dòng)鏡粘在壓電陶瓷片上,當(dāng)壓電陶瓷片受到電激勵(lì)產(chǎn)生機(jī)械伸縮時(shí)就帶動(dòng)動(dòng)鏡移動(dòng)。而動(dòng)鏡每移動(dòng)λ/2的距離，就會(huì)到導(dǎo)致產(chǎn)生或消失一個(gè)干涉環(huán)條紋，根據(jù)干涉環(huán)條紋變化的個(gè)數(shù)就可以計(jì)算出壓電陶瓷片伸縮的距離。3.引力波探測(cè)(超大型邁克耳遜干涉儀)引力波存在是廣義相對(duì)論最重要的預(yù)言，對(duì)愛(ài)因斯坦引力波的探測(cè)是近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)最重大的基礎(chǔ)探索項(xiàng)目之一。目前還沒(méi)有直接證據(jù)來(lái)證明引力波的存在。目前，許多科學(xué)家正致力于利用激光干涉引力波探測(cè)儀來(lái)探測(cè)引力波。該儀器的主體是一臺(tái)激光邁克耳遜干涉儀。在無(wú)引力波存在時(shí)，調(diào)整臂長(zhǎng)使從互相垂直的兩臂返回的兩束相干光在分光鏡處相干減弱，輸出端的光電二極管接收的是暗紋，無(wú)輸出信號(hào)。引力波的到來(lái)會(huì)使一個(gè)臂伸長(zhǎng)另一臂縮短，使兩束相干光有了光程差，破壞了相干減弱的初始條件，光電二極管有信號(hào)輸出，該信號(hào)的大小與引力波的強(qiáng)度成正比。20世紀(jì)90年代中期，華盛頓州的Hanford和路易斯安娜州的Livingston開(kāi)始建造引力波探測(cè)站，并于21世紀(jì)初相繼建成臂長(zhǎng)4000米、2000米的激光干涉儀引力波探測(cè)儀。據(jù)估計(jì)，引力波探測(cè)極有可能在今后10-20年內(nèi)取得重大突破。四、實(shí)驗(yàn)儀器：邁克爾遜干涉儀、He-Ne激光器、擴(kuò)束鏡、觀察屏、小孔光闌五：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟：1、邁克耳遜干涉儀的基本調(diào)節(jié)（1）點(diǎn)燃氦氖激光器，調(diào)節(jié)其高度和方向，使激光束大致照到兩平面鏡、及屏的中部，并使從兩平面鏡反射來(lái)的兩束光能盡量原路返回，即盡可能回到激光器的出光口。（2）屏上可以看到兩排光點(diǎn)，都以最亮者居中。調(diào)節(jié)和后面的三個(gè)螺絲，使兩個(gè)最亮點(diǎn)重合（此時(shí)和相互垂直）。此時(shí)要檢查回到激光器的兩束光是否仍照在出光口或附近。2：測(cè)量激光光波波長(zhǎng)讀數(shù)基準(zhǔn)線的調(diào)整。調(diào)整微調(diào)鼓輪旋鈕，使0刻度線對(duì)準(zhǔn)基線，以方便讀數(shù)。轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)旋鈕，可以清晰地看到條紋一個(gè)一個(gè)地“涌出”或“淹沒(méi)”。待操作熟練后開(kāi)始測(cè)量，記下刻度鼓輪上的讀數(shù)d,每次“涌出”或“淹沒(méi)”N=100個(gè)圈時(shí)讀下d，連續(xù)測(cè)量19次，記下19個(gè)值d.每測(cè)一次算出相應(yīng)的△d,并及時(shí)核對(duì)檢查N是否數(shù)錯(cuò)。3：粗率測(cè)出壓電晶片的壓電系數(shù)壓電陶瓷材料在電場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生伸縮效應(yīng),這就是所謂壓電材料的逆壓電現(xiàn)象,其伸縮量極微小。將邁克耳遜干涉儀的動(dòng)鏡粘在壓電陶瓷片上,當(dāng)壓電陶瓷片受到電激勵(lì)產(chǎn)生機(jī)械伸縮時(shí)就帶動(dòng)動(dòng)鏡移動(dòng)。而動(dòng)鏡每移動(dòng)λ/2的距離，就會(huì)到導(dǎo)致產(chǎn)生或消失一個(gè)干涉環(huán)條紋，根據(jù)干涉環(huán)條紋變化的個(gè)數(shù)就可以計(jì)算出壓電陶瓷片伸縮的距離。六：注意事項(xiàng)（1）實(shí)驗(yàn)中，請(qǐng)勿正視激光光源，以免損傷眼睛。（2）儀器上的光學(xué)元件精度極高，不要用手撫摩或讓贓物沾上，切勿正對(duì)