实验六 迈克尔逊干涉仪的调节和使用

实验五迈克尔逊干涉仪的调节和使用

一、实验目的

1．了解迈克尔逊干涉仪的构造原理,掌握迈克尔逊干涉仪的调节方法；

2．学会调节非定域干涉、等倾干涉、等厚干涉和白光干涉条纹,研究这几种干涉条纹形成的条件和条纹特点,变化规律及相互间的区别；

3．学会用迈克尔逊干涉仪测定光波波长。

二、实验仪器

迈克尔逊干涉仪、氦氖激光器、扩束透镜、毛玻璃等。

三、实验原理

1．迈克尔逊干涉仪的原理

图1是迈克尔逊干涉仪的光

路示意图，图中M

１和M

２

是在相

互垂直的两臂上放置的两个平

面反射镜，其中M

１

是固定的；M

２

由精密丝杆控制，可沿臂轴前、

后移动，移动的距离由刻度转盘

(由粗读和细读2组刻度盘组合

而成)读出。在两臂轴线相交处，

有一与两轴成45°角的平行平面玻璃板p1，它的第二个平面上镀有半透（半反

射）的银膜，以便将入射光分成振幅接近相等的反射光⑴和透射光⑵，故p

１

又

称为分光板。p

２也是平行平面玻璃板，与p

１

平行放置，厚度和折射率均与p

１

相

同。由于它补偿了光线⑴和⑵因穿越p

１

次数不同而产生的光程差，故称为补偿板。

从扩展光源S射来的光在p

１处分成两部分，反射光⑴经p

１

反射后向着M

２

前

进，透射光⑵透过p

１向着p

１

前进，这两束光分别在p

２

、p

１

上反射后逆着各自的

入射方向返回，最后都达到E处。因为这两束光是相干光，因而在E处的观察者就能够看到干涉条纹。

由M

１反射回来的光波在分光板p

１

的第二面上反射时，如同平面镜反射一样，

使M

１在M

２

附近形成M

１

的虚像M

１

′，因而光在迈克尔逊干涉仪中自M

２

和M

１

的反

图1 迈克尔逊干涉仪光路

射相当于自M ２和M １′的反射。由此可见，在迈克尔逊干涉仪中所产生的干涉与空气薄膜所产生的干涉是等效的。

当M ２和M １′平行时(此时M １和M ２严格互相垂直)，将观察到环形的等倾干涉条纹。一般情况下，M １和M ２形成一空气劈尖，因此将观察到近似平行的干涉条纹(等厚干涉条纹)。

2．单色光波长的测定

用波长为λ的单色光照明时，迈克尔逊干涉仪所产生的环形等倾干涉圆条纹的位置取决于相干光束间的光程差，而由M ２和M １反射的两列相干光波的光程差为

•2cos d i ∆=

(1)

其中i 为反射光⑴在平面镜M ２上的入射角。对于第k 条纹，则有

2cos k d i k λ=•

(2)

当M ２和M １′的间距d 逐渐增大时，对任一级干涉条纹，例如k 级，必定是以减少cosi ｋ的值来满足式（2）的，故该干涉条纹间距向i ｋ变大(cos i ｋ值变小)的方向移动，即向外扩展。这时，观察者将看到条纹好像从中心向外“涌出”，且每当间距d 增加λ/2时，就有一个条纹涌出。反之，当间距由大逐渐变小时，最靠近中心的条纹将一个一个地“陷入”中心，且每陷入一个条纹，间距的改变亦为λ/2。

因此，当M2镜移动时，若有N 个条纹陷入中心，则表明M ２相对于M １移近了

•2

d N λ

∆=

(3)

反之，若有N 个条纹从中心涌出来时，则表明M ２相对于M １移远了同样的距离。

如果精确地测出M ２移动的距离Δd ，则可由式(3)计算出入射光波的波长 3．仪器介绍

（1）迈克尔逊干涉仪的结构：

实验中所使用的WSM －100迈克尔逊干涉仪，其结构如图1所示。固定反射镜10，它倾角可以通过在它背面的三个调整螺丝进行粗调，细调时，分别用1和4通过弹簧改变在水平和垂直方向上的倾角。可移动反射镜9，它的倾角调整也是通过其背面的三个螺丝进行，但它没有细调。可移动反射镜是安装在一个滑块上，通过丝杠16的转动可以使滑块沿导轨前后移动。

动镜的移动距离毫米数可在机体侧面的毫米刻尺（17）上直接读得； 粗调手轮（2）旋转一周，拖板移动1毫米,即动镜移动1毫米，同时，读数窗口（11）内的鼓轮也转动一周，鼓轮的一圈被等分为100格，每格为10-2毫米，读数由窗口上的基准线指示；微调手轮（3）每转过一周，拖板移动0.01毫米，可从读数窗口中看到读数鼓轮移动一格，而微调鼓轮的周线被等分为100格，则每格表示为10-4毫米。最后读数应为上述三者之和，加上估读一位，可读到510mm 。分束镜18和补偿板12，以及固定反射镜10是安装在一个固定架上，这个固定架又与导轨固定在一起，使得整个光路处在一个比较稳定的状态。

导轨是固定在底座7上，底座由三个底角6支撑，可以通过调整螺丝调节整个仪器的水平。

图2-22-1 WSM －100迈克尔逊干涉仪

（2）

He Ne -激光器：

特点：单色性好，方向性强，相干性好，亮度高。

结构：阳极（杆状）、阴极（铝质圆筒）、谐振腔（两侧有高反射率的反射镜、腔内按一定比例充有氦气和氖气）。主要技术参数：输出波长6328A ，输出功率：

1~2mW ，光束发射角 1.5mrad <， 触发电压3500V ≥，工作电压1200V ，最佳工作电流5mA 。

四、实验内容与步骤 1．迈克尔逊干涉仪的调节

（1）利用水平调节螺丝，调干涉仪水平； （2）调整激光束与干涉仪的光路大致垂直； 目测：激光管中心轴线大致垂直于定镜；

调节：打开激光器，调定镜背后的三颗滚花螺丝使定镜反射的光束，返回激光发射孔（可以不作要求，一般目测就可以了）。

（3）旋转粗动手轮，使动镜和定镜到镀膜面的距离大致相等 （4）调

12

M M ⊥ 调动镜背面的三颗螺丝（有时还需要调定镜背面的三颗螺

丝），使观察屏上两个最亮的光点完全重合。

（5）观察等倾干涉条纹：在光路中加进凸透镜并调整之，让激光束通过透镜中心。此时观察屏上出现干涉条纹（不一定是圆形，可能是弧形），然后细调垂直拉簧、水平拉簧（有时还需调节动镜或定镜背面的三颗螺丝），屏上可出现干涉圆环。

2．测量He Ne -激光的波长