實(shí)驗(yàn)六 邁克爾遜干涉儀的調(diào)整和使用

實(shí)驗(yàn)六邁克爾遜干涉儀的調(diào)整和使用實(shí)驗(yàn)性質(zhì)：綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的和要求：了解邁克爾遜干涉儀的原理并掌握調(diào)節(jié)方法；觀察等傾干涉條紋的特點(diǎn)；測(cè)定He-Ne激光的波長(zhǎng)。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：對(duì)邁克爾遜干涉儀的工作原理與等傾干涉概念的理解；本實(shí)驗(yàn)儀器的正確調(diào)節(jié)與使用以及正確記錄有效數(shù)字。一．檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)情況檢查學(xué)生預(yù)習(xí)報(bào)告:內(nèi)容是否完整，表格是否正確。二．實(shí)驗(yàn)儀器和用具：邁克爾遜干涉儀，氦氖激光器、毛玻璃屏三．講解實(shí)驗(yàn)原理：（一）實(shí)驗(yàn)儀器介紹邁克爾遜干涉儀的構(gòu)造邁克爾遜干涉儀的構(gòu)造如圖33-1。其主要由精密的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和四片精細(xì)磨制的光學(xué)鏡片組成。和是兩塊幾何形狀、物理性能相同的平行平面玻璃。其中的第二面鍍有半透明鉻膜，稱其為分光板，它可使入射光分成振幅（即光強(qiáng)）近似相等的一束透射光和一束反射光。起補(bǔ)償光程作用，稱其為補(bǔ)償板。和是兩塊表面鍍鉻加氧化硅保護(hù)膜的反射鏡。是固定在儀器上的，稱其為固定反射鏡，裝在可由導(dǎo)軌前后移動(dòng)的拖板上，稱其為移動(dòng)反射鏡。邁克爾遜干涉儀裝置的特點(diǎn)是光源、反射鏡、接收器（觀察者）各處一方，分得很開，可以根據(jù)需要在光路中很方便的插入其它器件。和鏡架背后各有三個(gè)調(diào)節(jié)螺絲，可用來(lái)調(diào)節(jié)的傾斜方位。這三個(gè)調(diào)節(jié)螺絲在調(diào)整干涉儀前均應(yīng)先均勻地?cái)Q幾圈（因每次實(shí)驗(yàn)后為保證其不受應(yīng)力影響而損壞反射鏡都將調(diào)節(jié)螺絲擰松了），但不能過(guò)緊，以免減小調(diào)整范圍。同時(shí)也可通過(guò)調(diào)節(jié)水平拉簧螺絲與垂直拉簧螺絲使干涉圖像作上下和左右移動(dòng)。而儀器水平還可通過(guò)調(diào)整底座上三個(gè)水平調(diào)節(jié)螺絲來(lái)達(dá)到。圖11——主尺 2——反射鏡調(diào)節(jié)螺絲 3——移動(dòng)反射鏡4——分光板 5——補(bǔ)償板 6——固定反射鏡7——讀數(shù)窗 8——水平拉簧螺釘 9——粗調(diào)手輪10——屏 11——底座水平調(diào)節(jié)螺絲確定移動(dòng)反射鏡的位置有三個(gè)讀數(shù)裝置：主尺——在導(dǎo)軌的側(cè)面，最小刻度為毫米，如圖：讀數(shù)窗——可讀到0.01mm，如圖：帶刻度盤的微調(diào)手輪，可讀到0.0001mm，估讀到10mm邁克爾遜干涉儀的光路邁克爾遜干涉儀的光路如圖2。圖2光源上一點(diǎn)發(fā)出的一束光線經(jīng)分光板而被分為兩束光線（1）和（2）。這兩束光線分別射向互相垂直的全反射鏡，經(jīng)反射后又匯于分光板，這兩束光再次被分束，它們各有一束按原路返回光源（設(shè)兩光束分別垂直于、），同時(shí)各有一束光線朝E方向射出。由于光線（1）和（2）為兩相干光束，因此我們可在E的方向觀察到干涉條紋。為補(bǔ)償板，它的引進(jìn)使兩束相干光的光程差完全與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)（由于分光板的色散作用，光程是的函數(shù)，因此作定量的檢測(cè)時(shí)，沒(méi)有補(bǔ)償板的干涉儀只能用準(zhǔn)單色光源，有了補(bǔ)償板就可消除色散的影響。即使是帶寬很寬的光源也會(huì)產(chǎn)生可分辨的條紋），且保證了光束（1）和（2）在玻璃中的光程完全相同，因而對(duì)不同的色光都完全可將等效為。在圖33-2中，是反射鏡反射所成的虛像。從E處看兩相干光是從反射而來(lái)。因此在邁克爾遜干涉儀中產(chǎn)生的干涉與間空氣膜所產(chǎn)生的干涉是一樣的。（二）實(shí)驗(yàn)原理點(diǎn)光源產(chǎn)生的非定域干涉用凸透鏡會(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，從反射后可看成由兩個(gè)光源發(fā)出的（見(jiàn)圖3），至屏的距離分別為點(diǎn)光源S從反射在光屏的光程，的距離為距離的二倍，即2。虛光源發(fā)出的球面波在它們相遇的空間處處相干，這種干涉是非定域干涉。如果把屏垂直于的連線放置，則我們可以看到一組組同心圓，圓心就是連線與屏的交點(diǎn)。圖3如圖3，由到屏上的任一點(diǎn)A，兩光線的程差可得：（1）由式（1）可知：（1）當(dāng)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)的距離增大時(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)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)，就增加或減小，所以測(cè)出“冒出”或“縮進(jìn)”的條紋數(shù)目，由已知波長(zhǎng)就可求得移動(dòng)的距離，這就是利用干涉測(cè)長(zhǎng)法；反之，若已知移動(dòng)的距離，則就可求得波長(zhǎng)，它們的關(guān)系為：（2）（2）增大時(shí)，程差每改變一個(gè)波長(zhǎng)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?？瓷先l紋變細(xì)變密。反之減小，條紋變粗變稀。a等傾干涉當(dāng)和互相平行時(shí)，入射角為的光線經(jīng)反射成為（1）和（2）兩束光（圖33-4），（1）和（2）互相平行，兩光束的光程差為：（3）（圖4）所以，在一定時(shí)，光程差只決定入射角。如在E處放一會(huì)聚透鏡，并在其焦平面上放一屏，則在屏上可看到一組同心圓。而每個(gè)圓相應(yīng)于一定的傾角，其產(chǎn)生干涉的平面是會(huì)聚透鏡的后焦面。和非定域干涉類似，干涉級(jí)別以圓心最高，當(dāng)增加時(shí)，圓環(huán)從中心“冒”出，當(dāng)減小時(shí)，圓環(huán)從中心“縮”進(jìn)。四．演示實(shí)驗(yàn)，講解實(shí)驗(yàn)步驟：觀察干涉條紋調(diào)節(jié)邁克爾遜干涉儀底座水平；接通電源，打開氦氖激光器預(yù)熱幾分鐘后，使激光束經(jīng)過(guò)分光板中心、補(bǔ)償板中心透射到反射鏡中心上。然后調(diào)節(jié)后面三個(gè)螺絲，使光點(diǎn)反射像返回到光闌上并與小孔重合。再調(diào)從后表面反射到的光束，調(diào)節(jié)后面三個(gè)螺絲，使其反射光到達(dá)后表面時(shí)恰好與的反射光相遇(兩光點(diǎn)完全重合)，同時(shí)兩反射光在光闌的小孔處也完全重合。這樣和就基本上垂直即和互相平行了。豎起毛玻璃屏，在屏上就可看到非定域的圓條紋。轉(zhuǎn)動(dòng)手輪使在導(dǎo)軌上移動(dòng)，觀察條紋變化情況，直到條紋有均勻的“冒”出或“縮”進(jìn)現(xiàn)象，記錄的初始位置，移動(dòng)以改變，記下“冒”出或“縮”進(jìn)的條紋數(shù)，利用(2)式即可算出。每累進(jìn)50條讀取一次數(shù)據(jù)，連續(xù)取10個(gè)數(shù)據(jù)，應(yīng)用逐差法加以處理，寫出結(jié)果表達(dá)式。關(guān)閉氦氖激光器電源，整理儀器。強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：1）要在條紋有均勻的“冒”出或“縮”進(jìn)現(xiàn)象，記錄的初始位置；2）不要漏讀或多讀“冒”出或“縮”進(jìn)的條紋數(shù)。3）邁克爾遜干涉儀的微調(diào)鼓輪只能往一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。五．?dāng)?shù)據(jù)紀(jì)錄表格如下，圈數(shù)位置123456==78910注：儀器誤差為0.00005mm=50nm七．指導(dǎo)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)在此期間注意觀察學(xué)生做實(shí)驗(yàn)并及時(shí)糾正學(xué)生錯(cuò)誤的或不當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)操作，運(yùn)用啟發(fā)式引導(dǎo)學(xué)生解決實(shí)驗(yàn)所遇到的疑問(wèn)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中容易出現(xiàn)的問(wèn)題：1）觀察到干涉條紋就