邁克爾遜干涉儀專(zhuān)題實(shí)驗(yàn)

邁克爾遜干涉儀專(zhuān)題實(shí)驗(yàn)摘要：邁克耳遜制造的邁克耳遜干涉儀對(duì)光學(xué)和近代物理做出了巨大的貢獻(xiàn)，用來(lái)測(cè)定微小的長(zhǎng)度，折射率，光波波長(zhǎng)等，也是現(xiàn)代光學(xué)儀器如傅立葉光譜儀等儀器的組成部分，在研究光譜線方面有著重要的作用。邁克耳孫干涉儀的原理是一束入射光分為兩束后各自被對(duì)應(yīng)的平面鏡反射回來(lái)，這兩束光從而能夠發(fā)生干涉。邁克爾遜專(zhuān)題實(shí)驗(yàn)的主要任務(wù)就是測(cè)量側(cè)鈉雙線波長(zhǎng)差和玻璃折射率。關(guān)鍵詞：邁克爾遜干涉儀干涉條紋折射率鈉光雙線波長(zhǎng)差背景：邁克耳遜制造的邁克耳遜干涉儀對(duì)光學(xué)和近代物理做出了巨大的貢獻(xiàn)，用來(lái)測(cè)定微小的長(zhǎng)度，折射率，光波波長(zhǎng)等，也是現(xiàn)代光學(xué)儀器如傅立葉光譜儀等儀器的組成部分，在研究光譜線方面有著重要的作用。邁克耳遜曾與他的合作者用這個(gè)儀器作了三項(xiàng)著名的試驗(yàn)：1，邁克耳遜—莫雷實(shí)驗(yàn)，為愛(ài)因斯坦創(chuàng)立相對(duì)論提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)；2，鎘紅線的發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)度單位的標(biāo)準(zhǔn)化；3，由干涉儀條紋可見(jiàn)度隨光程變化的規(guī)律，可推斷光譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)。

邁克耳孫干涉儀的最著名應(yīng)用即是它在邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)中對(duì)以太風(fēng)觀測(cè)中所得到的零結(jié)果，這朵十九世紀(jì)末經(jīng)典物理學(xué)天空中的烏云為狹義相對(duì)論的基本假設(shè)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。除此之外，由于激光干涉儀能夠非常精確地測(cè)量干涉中的光程差，在當(dāng)今的引力波探測(cè)中邁克耳孫干涉儀以及其他種類(lèi)的干涉儀都得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）等諸多地面激光干涉引力波探測(cè)器的基本原理就是通過(guò)邁克耳孫干涉儀來(lái)測(cè)量由引力波引起的激光的光程變化，而在計(jì)劃中的激光干涉空間天線（LISA）中，應(yīng)用邁克耳孫干涉儀原理的基本構(gòu)想也已經(jīng)被提出。邁克耳孫干涉儀還被應(yīng)用于尋找太陽(yáng)系外行星的探測(cè)中，雖然在這種探測(cè)中馬赫-曾特干涉儀的應(yīng)用更加廣泛。邁克耳孫干涉儀還在延遲干涉儀，即光學(xué)差分相移鍵控解調(diào)器（OpticalDPSK）的制造中有所應(yīng)用，這種解調(diào)器可以在波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)中將相位調(diào)制轉(zhuǎn)換成振幅調(diào)制。論述理論：邁克耳孫干涉儀的原理是一束入射光分為兩束后各自被對(duì)應(yīng)的平面鏡反射回來(lái)，這兩束光從而能夠發(fā)生干涉。干涉中兩束光的不同光程可以通過(guò)調(diào)節(jié)干涉臂長(zhǎng)度以及改變介質(zhì)的折射率來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而能夠形成不同的干涉圖樣。干涉條紋是等光程差點(diǎn)的軌跡，因此，要分析某種干涉產(chǎn)生的圖樣，必求出相干光的光程差位置分布的函數(shù)。若干涉條紋發(fā)生移動(dòng)，一定是場(chǎng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光程差發(fā)生了變化，引起光程差變化的原因，可能是光線長(zhǎng)度L發(fā)生變化，或是光路中某段介質(zhì)的折射率n發(fā)生了變化，或是薄膜的厚度e發(fā)生了變化。2、試驗(yàn)方法：測(cè)量鈉光雙線波長(zhǎng)差：利用邁克爾遜干涉儀，以鈉光燈作為光源調(diào)出定域等傾圓條紋。轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)手輪，記錄等數(shù)量個(gè)條紋“冒出”或者“陷入”時(shí)的Δd利用△d=N(λ/2)計(jì)算出鈉光平均波長(zhǎng)。繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)手輪，直到視場(chǎng)中的的條紋由清晰變到模糊再到清晰，每一個(gè)循環(huán)記錄一次干涉儀的數(shù)據(jù)。由公式λ1—λ2=測(cè)定波長(zhǎng)差。白光干涉測(cè)量平板折射率：以白熾燈作為光源，先調(diào)出白光干涉條紋，記下此時(shí)干涉儀的讀數(shù)d1，在M1鏡前放置一玻璃板，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)手輪，直到再次出現(xiàn)干涉條紋時(shí)記下讀數(shù)d2。d1—d2記為。用游標(biāo)卡尺測(cè)量玻璃板厚度l，6次取平均值。利用公式n=1+算出平板折射率法布里-珀羅干涉儀測(cè)鈉光雙線波長(zhǎng)差：調(diào)節(jié)法布里-珀羅干涉儀，使視場(chǎng)中出現(xiàn)條紋，調(diào)節(jié)到合適大小后，換用望遠(yuǎn)鏡觀察。向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)微調(diào)手輪，隨著d的增大，兩條紋會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)開(kāi)或者重疊的現(xiàn)象，記錄6次錯(cuò)開(kāi)或重疊時(shí)所移動(dòng)的距離，利用λ1—λ2=計(jì)算鈉光雙線波長(zhǎng)差。結(jié)論邁克爾遜專(zhuān)題實(shí)驗(yàn)的主要任務(wù)就是測(cè)量側(cè)鈉雙線波長(zhǎng)差和玻璃折射率。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，主要是調(diào)節(jié)與觀察。調(diào)節(jié)就是對(duì)粗調(diào)與微調(diào)手輪的調(diào)節(jié)來(lái)改變兩反射鏡的距離，調(diào)節(jié)反射鏡背后的旋鈕使兩反射鏡平行。觀察是指對(duì)玻璃片或是望遠(yuǎn)鏡上所成的像的觀察，主要是對(duì)隨時(shí)可能出現(xiàn)的條紋的觀察。在調(diào)節(jié)的過(guò)程中要注意觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，說(shuō)起來(lái)似乎很簡(jiǎn)單，做起來(lái)卻很難，例如，調(diào)節(jié)使兩玻璃片平行，才能看到干涉條紋，調(diào)節(jié)平行是很不容易的。又如，調(diào)節(jié)圓形條紋使之到合適大小，稍微不注意，條紋就會(huì)消失，需要重頭再來(lái)。再如觀察條紋出現(xiàn)，由于條紋一閃即逝，所以必須慢慢調(diào)節(jié)仔細(xì)觀察，一旦錯(cuò)過(guò)而沒(méi)有觀察到只能從頭再來(lái)?？梢?jiàn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)是有一定難度的。參考資料：1，趙凱華，鐘錫華，《光學(xué)》，北京大學(xué)出版社，2005。2，謝行恕，康世秀