迈克尔逊干涉仪的应用
实验十六迈克尔逊干涉仪的调整与应用
实验十六 迈克尔逊干涉仪的调整与应用光的干涉现象是光的波动性的一种表现，是物理光学的重要研究对象之一。
迈克尔逊干涉仪是美国物理学家A.A.Michelson 在1881年为研究“以太”漂移而精心设计的，它是一种利用分割光波振幅的方法实现干涉的精密光学仪器，在近代物理和计量技术中有着广泛的应用。
例如，可用迈克尔逊干涉仪测量光波的波长、微小长度、光源的相干长度，用相干性较好的光源可对较长的长度作精密测量，以及可用它来研究温度、压力对光传播的影响等。
【实验目的】1．掌握迈克尔逊干涉仪的工作原理和结构，学会它的调整方法和技巧；2．了解等倾干涉条纹与等厚干涉条纹形成的条件和变化规律； 3．学会用迈克尔逊干涉仪测量单色光波长； 4．（选做）测量钠黄光双线的波长差、钠光的相干长度； 5．（选做）学会用迈克尔逊干涉仪测量透明玻璃板的厚度。
【实验仪器】迈克尔逊干涉仪、Ne He 激光器、钠光灯、白光光源、毛玻璃、扩束镜等。
【实验原理】1. 迈克尔逊干涉仪的光路迈克尔逊干涉仪有多种多样的形式，其基本光路如图5.16.1所示。
从光源S 发出的一束光，在分束镜A 的半反射面M 上被分成光强近似相等的反射光束1和透射光束2。
反射光束1射出A 后投向反射镜2M ，反射回来再穿过A ；光束2经过补偿板B 投向反射镜1M ，反射回来再通过B ，在半反射面M 上反射。
于是，这两束相干光在空间相遇并产生干涉，通过望远镜或人眼可以观察到干涉条纹。
补偿板B 的材料和厚度都和分束镜A 相同，并且与分束镜A 平行放置，其作用是为了补偿反射光束1因在A 中往返两次所多走的光程，使干涉仪对不同波长的光可以同时满足等光程的要求。
2. 等倾干涉图样(1) 产生等倾干涉的等效光路S1M 图5.16.1 迈克尔逊干涉仪光路图如图 5.16.2所示（图中没有绘出补偿板B ），观察者自O 点向2M 镜看去，除直接看到2M 镜外，还可以看到1M 镜经分束镜A 的半反射面M 反射的像1M '。
迈克尔逊干涉仪的改进与应用
迈克尔逊干涉仪的改进与应用摘要：迈克尔逊干涉仪测量氦氖激光波长是我校开设的一个基础光学实验。
实验中存在读取动镜位置需要环境光强亮，而观察干涉条纹需要环境光强暗的矛盾；人工计数干涉圆环眼睛疲劳易出错；每读取动镜位置后继续旋转微调手轮，易旋错方向，带入回程误差。
针对实验中遇到的这些问题，我们对传统迈克尔逊干涉进行改进，并将其应用到实验中，收到良好的效果。
关键词：迈克尔逊干涉仪测量原理;迈克尔逊干涉仪自动测量系统;使用方法;测量数据0.前言迈克尔干涉仪的调整和使用，它作为一个经典的光学实验，被许多高校的大学物理实验所开出。
迈克尔逊干涉仪是以分振幅法产生相干光束的原理制成，可用于光的波长、折射率、位移微小变化的测量，也可用来研究温度、压力对光传播的影响，检查光学元件表面的质量等。
在迈克尔逊干涉仪测量氦氖激光波长这一实验中，为了提高观察屏上等倾干涉条纹的亮度和清晰度，通常在较暗环境下进行测量，但与此同时，又伴随着从仪器标尺读取动镜位置读数的困难。
另外，实验者在光线较暗的环境中，一边朝一个方向旋转微调手轮，一边定睛地计数观察屏上干涉条纹的变化个数，极易使眼睛疲劳，导致少记或多记条纹数量；每计数一定数量的条纹，就要从主标尺、读数窗及微调手轮三处读取动镜在导轨上的位置，所以读数比较麻烦；读数后再次旋转微调手轮时易旋错方向，代入回程误差；由于环境光强较暗，学生读数时常用手机照亮标尺，不仅导致实验过程繁琐，而且不同实验台之间相互影响。
鉴于以上测量过程中遇到的问题，我们研制了自动测量与显示动镜位移和记数干涉条纹数量于一体的迈克尔逊干涉仪自动测量系统，并把它应用到实验教学中。
1.迈克尔逊干涉仪测量氦氖激光波长原理实验原理如图1所示。
来自光源 S 的扩展激光束入射到分光板 G1 上，由于光束在涂有半透膜的分光板G1上产生反射和透射后，分成互相垂直且强度相等的两束光（1）和（2），这两束光分别射向互相垂直的移动镜 M1和参考镜M2, G1与 M1、M2的夹角均为45°，经过 M1、M2反射后，又汇于分光板 G1，最后朝着屏 E 的方向射出，在屏 E 上，我们可以观察到清晰的干涉条纹。
迈克尔逊干涉仪调节与应用
4.1迈克尔逊干涉仪调节与应用迈克尔逊干涉仪是一种典型的分振幅的双光束干涉装置。
它是较理想的教学仪器，可以用来研究多种干涉现象，并可进行较精密的测量。
同时它又是近代干涉装置的原型。
一、实验目的要求1．了解迈克尔逊干涉仪的结构、掌握其调节使用的方法。
2．通过实验考察等倾干涉、等厚干涉形成的条件、花纹特点、变化规律及相互间的区别，加深对干涉理论的理解。
3．利用迈克尔逊干涉仪测钠光波长和钠光双线波长差。
4．观测等厚干涉条纹和钠光源的相干长度。
二、仪器用具迈克尔逊干涉仪，钠光灯，带有小孔的光屏。
三、实验原理（一）迈克尔逊干涉仪光路迈克尔逊干涉仪是一种分振幅双光束的干涉仪。
图一是迈克尔逊干涉仪的光路图，从扩展光源S 射来的光，到达平行平面板1G 上（此板后表面是镀有半反射膜，镀有铬）后分成两部分，反射光l 在1G 处反射后向着1M 前进，透射光2透过1G 后向着2M 前进，这两列光分别在1M 和2M 上反射后逆着各自的入射方向返回，最后都到达E 处，既然这两列光波来自光源上同一点O ，所以是相干光，因而眼睛在E 处可观察到干涉条纹，2G 是补偿板，其材料和厚度与1G 相同，是为了保证两束光在玻璃中光程相等而设置的。
由于光在分光板1G 的第二面上反射，使2M 在1M 附近形成一平行1M 的虚像M'2，因而光在迈克尔逊干涉仪中自1M 和2M 的反射，相当于自1M 和2M '的反射，所以在迈克尔逊干涉仪中所产生的干涉与厚度为d 的空气膜所产生的干涉是等效的。
另外，反射镜2M 是固定不动的，1M 可在精密导轨上前后移动，从而改变反射光1和透射光2两光束之间的光程差。
精密导轨与1G 成45°角。
为了使光束1与导轨平行，光源应垂直导轨方向射向迈克尔逊干涉仪。
（二）干涉花纹的图样M 2反射镜2分光镜补偿片SdM '2M 1反射镜1图一四、实验内容方法练习一用迈克尔逊干涉仪测定钠光波长当1M 与2M '相互平行时，所得图样为等倾干涉，干涉条纹的形状，决定于具有相同入射角的光，在垂直于观察方向的平面上光的分布轨迹，如图二所示，在垂直观察方向的光源平面S 上，自O 点为中心的圆周上各点发出的光具有相同的倾角k i ，如果在L 处放一会聚透镜，在透镜焦平面上放一光屏p ，则在屏上可以看到一组同心圆环。
迈克尔逊干涉仪用途
迈克尔逊干涉仪用途迈克尔逊干涉仪是一种光学仪器，用于测量干涉现象以及测量光速、介质折射率等光学参数。
它由美国物理学家阿尔伯特·迈克尔逊于1881年发明，是一种基于干涉现象的实验装置。
迈克尔逊干涉仪主要由光源、反射镜、半透镜、反射镜等光学元件组成。
迈克尔逊干涉仪的主要用途是测量光速。
根据迈克尔逊干涉仪的原理，当具有一定相位差的两束光经过半透镜射到分束器上后，会被分成两束互相垂直并发生干涉的光束。
如果其中一束光经过微小的长度差，例如由于地球的自转导致测量方向的光程差发生变化，就会导致干涉环的移动。
通过观察干涉环的移动情况，可以计算出由于光速变化引起的干涉环的移动量，并进而计算出光速的值。
迈克尔逊干涉仪还可以用于测量介质的折射率。
在测量过程中，可以将待测介质放置在其中一条光束的路径上。
根据杨氏双缝干涉的原理，通过观察干涉环的移动情况，可以推导出介质的折射率。
此外，迈克尔逊干涉仪还可以应用于光学元件的质量检验和表面形貌的测量。
通过观察干涉图案的变化，可以分析光学元件的表面形貌和光学性能。
例如，在制造反射镜时，可以使用迈克尔逊干涉仪检测反射镜的表面平整度和波前畸变，从而保证反射镜在光学系统中的性能。
此外，迈克尔逊干涉仪还广泛应用于科学研究领域。
例如，迈克尔逊干涉仪可以用于测量微小物体的长度、密度等物理参数，也可以用于测量光学元件的厚度和介质的分布情况。
迈克尔逊干涉仪还可以用于研究光的相干性和干涉现象，以及进行光学实验和教学。
值得一提的是，迈克尔逊干涉仪在20世纪初被用于测量爆炸引起的空气震荡的波长和频率，以及测量大气密度和声速的变化。
这些测量对于了解爆炸物的特性和爆炸波在大气中的传播具有重要意义。
综上所述，迈克尔逊干涉仪主要用于测量光速、介质折射率和光学元件的质量检验，也被广泛应用于科学研究、教学和光学实验等领域。
它的应用范围十分广泛，对于研究光学现象和测量光学参数具有重要的意义。
实验一迈克尔逊干涉仪的调整及应用
实验⼀迈克尔逊⼲涉仪的调整及应⽤实验⼀迈克尔逊⼲涉仪的调整及应⽤⼀、实验⽬的1. 了解迈克尔逊⼲涉仪的原理及结构。
2. 学会迈克尔逊⼲涉仪的调整，基本掌握其使⽤⽅法。
3. 观察各种⼲涉现象，了解它们的形成条件。
⼆、实验仪器1. WSM-200型迈克尔逊⼲涉仪⼀台2. HNL-55700多束光纤激光源⼀台三、实验原理3.1 迈克⽿孙⼲涉仪的构造图1为迈克尔逊⼲涉仪的结构⽰意图。
图1 迈克尔逊⼲涉仪的结构⽰意图仪器包括两套调节机构，第⼀套调节机构是调节反光镜1的位置。
旋转⼤转轮和微调转轮经转轴控制反光镜1在导轨上平移；第⼆套调节机构是调节反光镜1和反光镜2的法线⽅向。
通过调节反光镜1、2后⾯的调节螺钉以及反光镜2的两个⽅向拉杆来控制反光镜的空间⽅位。
在仪器的中部和中部偏右处，分别固定安装着分光镜和补偿⽚，其位置对仪器的性能有重要影响，切勿变动。
在补偿⽚的右侧是反射镜2，它的位置不可前后移动，但其空间⽅位是可调的。
反射镜1和反射镜2是通过⾦属弹簧⽚以及调节螺钉与⽀架弹性连接的，调节反射镜⽀架上的三颗调节螺钉，改变弹簧⽚的压⼒，从⽽改变反射镜⾯在空间的⽅位。
显然，调节螺丝钉过紧或太松，都是不利于调节反射镜⽅位的错误操作。
反射镜1在导轨上的位置坐标值，由读数装置读出。
该装置共有三组读数机构：第⼀组位于左侧的直尺C 1，刻度线以mm 为单位，可准确读到毫⽶位；第⼆组位于正⾯上⽅的读数窗C 2，刻度线以0.01mm 为单位，可准确读出0.1和0.01毫⽶两位；第三组位于右侧的微动转轮的标尺C 3，刻度线以0.0001mm 为单位，可准确读0.001和0.0001毫⽶两位，再估读⼀位到0.00001毫⽶。
实际测量时，分别从C 1、C 2各读得2位数字、从C 3读得3位（包括1位估读）数字，组成⼀个7位的测量数据，如图2所⽰。
可见仪器对位移量的测定精度可达⼗万分之⼀毫⽶，是⼀种⾮常精密的仪器。
务必精细操作，否则很容易造成仪器的损坏！图2 关于M1位置读数值的组成⽅法3.2 迈克⽿孙⼲涉仪的原理迈克尔逊⼲涉仪是利⽤分振幅法产⽣的双光束⼲涉，其光路图如图3所⽰。
迈克尔逊干涉仪的原理与应用
迈克尔逊干涉仪的原理与应用在大学物理实验中，使用的是传统迈克尔逊干涉仪，其常见的实验内容是：观察等倾干涉条纹，观察等厚干涉条纹，测量激光或钠光的波长，测量钠光的双线波长差，测量玻璃的厚度或折射率等。
由于迈克尔逊干涉仪的调节具有一定的难度，人工计数又比较枯燥，所以为了激发学生的实验兴趣，增加学生的科学知识，开阔其思路，建议在课时允许的条件下，向学生多介绍一些迈克尔逊干涉仪的应用知识。
这也是绝大多数学生的要求。
下面就向大家介绍一些利用迈克尔逊干涉仪及其原理进行的测量。
一、传统迈克尔逊干涉仪的测量应用1. 微小位移量和微振动的测量[11-14]；采用迈克尔逊干涉技术,通过测量ＫＤＰ晶体生长的法向速率和台阶斜率来研究其台阶生长的动力学系数、台阶自由能、溶质在边界层内的扩散特征以及激发晶体生长台阶的位错活性。
He-Ne激光器的激光通过扩束和准直后射向分束镜,参考光和物光分别由反射镜和晶体表面反射,两束光在重叠区的干涉条纹通过物镜成像,该像用摄像机和录像机进行观察和记录.滤膜用于平衡参考光和物光的强度.纳米量级位移的测量：将迈克尔逊型激光干涉测量技术应用于环规的测量中。
采用633nm稳频的He-Ne激光波长作为测量基准，采用干涉条纹计数，用静态光电显微镜作为环规端面瞄准装置，对环规进行非接触、绝对测量，配以高精度的数字细分电路，使仪器分辨力达到5nm；静态光电显微镜作为传统的瞄准定位技术在该装置中得以充分利用，使其瞄准不确定度达到30nm；精密定位技术在该装置中也得到了很好的应用，利用压电陶瓷微小变动原理，配以高精度的控制系统，使其驱动步距达到5nm。
测振结构的设计原理用半导体激光器干涉仪对微振动进行测量时,用一弹性体与被测量（力或加速度)相互作用,使之产生微位移。
将这一变化引到动镜上来,就可以在屏上得到变化的干涉条纹,对等倾干涉来讲,也就是不断产生的条纹或不断消失的条纹。
由光敏元件将条纹变化转变为光电流的变化,经过电路处理可得到微振动的振幅和频率。
迈克尔逊干涉仪原理的应用
迈克尔逊干涉仪原理的应用1. 什么是迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪是一种实验仪器，用于测量光的相位差。
它由美国物理学家阿尔伯特·迈克尔逊在1887年发明，因而得名。
这种仪器利用光的干涉现象，通过观察干涉条纹的变化来测量光的相位差。
迈克尔逊干涉仪被广泛应用于光学测量、干涉光谱等领域。
2. 迈克尔逊干涉仪的工作原理迈克尔逊干涉仪的工作原理基于光的干涉现象。
它由一个光源、一个分束器、两个反射镜、一个合束器和一个接收器组成。
1.光源：迈克尔逊干涉仪通常使用激光作为光源，因为激光有良好的相干性。
2.分束器：分束器是一个半透明的镜片，它将光源发出的光束分成两束等强度的光束。
3.反射镜：迈克尔逊干涉仪有两个反射镜，分别被称为平面镜和倾斜镜。
平面镜将光束反射回分束器，而倾斜镜将光束反射到待测物体上。
4.合束器：合束器将待测物体上反射的光束和从分束器反射回来的光束重新合并到一起。
5.接收器：接收器用于检测合并后的光束的强度变化，通常使用光电二极管或干涉仪接收器。
通过调整倾斜镜的位置，可以改变光束在待测物体上的路径长度，从而观察到干涉条纹的变化。
3. 迈克尔逊干涉仪的应用迈克尔逊干涉仪在科学研究和工程领域有着广泛的应用。
3.1 光学测量迈克尔逊干涉仪可以用于测量光波的相位差，进而测量物体的表面形貌、折射率等参数。
通过分析干涉条纹的变化，可以实现亚微米级的测量精度。
3.2 光学干涉光谱迈克尔逊干涉仪可以用于测量光的频率和光谱分辨率。
通过调节倾斜镜的位置，改变光程差，可以观察到干涉条纹的移动。
根据干涉条纹的移动来计算光的频率和光谱宽度。
3.3 光学通信迈克尔逊干涉仪可以用于光信号的调制和解调。
通过调节倾斜镜的位置，控制光的相位差，实现光信号的调制。
同时，迈克尔逊干涉仪也可以用于解调接收到的光信号。
3.4 光学传感迈克尔逊干涉仪可以用于光学传感器的设计。
通过将待测物体放置在干涉仪的测量光路中，利用干涉条纹的变化来测量物体的参数，如温度、压力、应力等。
迈克尔逊干涉仪的应用
2
测
2 di 100
di 50
【实验内容】
(nm)
1.调微调鼓轮，观察干涉条纹“涌出”或“陷入”；
2.记录初读值 记录
d 0 ，转动微调鼓轮，每当“涌出”或“陷入”50个条纹
d i ，记录7组数据。 读数 L m n
•
(mm)
L : 主尺导轨侧面。1mm. m : 读数窗口。 102 mm.
3.计算波长
测 、百分误差
。
（1）波长：
测
2d 100
d 50
(nm)
其中：
d 1 6
6 i1
di
（2）百分误差：
测 理 100% 理
其中： 理 632.8nm
Lmn 估 读
n : 微调鼓轮。 104 mm. 最后再估读一位。
涌出或陷入 条纹数
0 50 100 150 200 250 300 350
di (mm)
d0 d50 d100 d150 d200 d250
d300 d350
环存差取
k=100
di di100 di
(mm)
d100 d0 d150 d50 d200 d100 d250 d150 d300 d200 d350 d250
2 的距离，视场中心就会向外“涌出”或向中心“陷入”一个干涉环纹，
因
N 此，视场中明条纹移动的数目
i与
di
Ni
2
M1 移动距离 d i 的关系是：
已知d和N,求波长
2di
Ni
(nm)
例如： 及
则
di
Ni
2
di100 Ni100 2
di di100 di
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di
，记录7组数据。 组数据。 记录 组数据
读数 = L + m + n
L : m : n:
主尺导轨侧面。 主尺导轨侧面。1mm. 读数窗口。 读数窗口。 微调鼓轮。 微调鼓轮。
L
(m m ) m n
估 读
1 0 2 m m .
10
4
mm.
最后再估读一位。 最后再估读一位。
涌出或陷入 条纹数
di
(m m )
迈克尔逊干涉仪的应用
【实验目的】 实验目的】 1.了解迈克尔逊干涉仪的原理并掌握调节方法； 了解迈克尔逊干涉仪的原理并掌握调节方法； 了解迈克尔逊干涉仪的原理并掌握调节方法 2.观察点光源产生的干涉条纹； 观察点光源产生的干涉条纹； 观察点光源产生的干涉条纹 3.测定 测定He-Ne激光的波长。 激光的波长。 测定 激光的波长 【实验仪器】 实验仪器】 迈克尔逊干涉仪、He-Ne激光器及电源、扩束镜、毛玻璃屏等。 迈克尔逊干涉仪、 激光器及电源、扩束镜、毛玻璃屏等。 激光器及电源 【实验原理】 实验原理】
d
s
M1 M′ 2
1
移动反射镜 像 固定反射镜
L
G1
2
G2
激光器
扩束镜 毛玻璃屏
E
M2
s:
G1 :
He-Ne激光器； 激光器； 激光器
L:
扩束镜； 扩束镜；
分光板：将一束光分成两束， 是反射光 是反射光， 是透射光 是透射光。 分光板：将一束光分成两束，1是反射光，2是透射光。 补偿板：起补偿光程作用。 补偿板：起补偿光程作用。
环存差取
△d i = d i +100 d i
△k=100
(m m )
d100 d 0 = d150 d 50 = d 200 d100 = d 250 d150 = d 300 d 200 = d 350 d 250 =
0 50 100 150 200 250 300 350
d0 = d 50 = d 100 = d 150 = d 200 =
d 250 = d 300 = d 350 =
3.计算波长 计算波长
λ测
、百分误差
ε
。
（1）波长： ）波长：
λ测
其中： 其中：
2△ d △d = = 100 50
6
(nm )
1 △d = 6
∑
i =1
△di
（2）百分误差： ）百分误差：
其中： 其中：
λ测 λ理 × 100% ε = λ理 λ 理 = 6 3 2 .8 n m
λ
2
= 100
λ
2
λ测
【实验内容】 实验内容】
2△ d i △di = = 100 50
d0
(nm )
1.调微调鼓轮，观察干涉条纹“涌出”或“陷入”； 调微调鼓轮，观察干涉条纹“涌出” 调微调鼓轮 陷入” 2.记录初读值 记录初读值 记录 ，转动微调鼓轮，每当“涌出”或“陷入”50个条纹 转动微调鼓轮，每当“涌出” 陷入” 个条纹
此，视场中明条纹移动的数目
Ni
i
di = N
λ
与
M
1
移动距离
di
的关系是： 的关系是：
2
已知d和 求波长 已知 和N,求波长
λ
(nm )
2di λ = Ni
例如： 例如：
3;100 = N i +100
λ
2
△ d i = d i +100 d i = ( N i +100 N i )
G2 :
M1 :
G1 // G2
固定反射镜。 固定反射镜。
可移动反射镜； 可移动反射镜；
M2 :
M1 ⊥ M 2
调节可移动的
M1 // M′ 2
M1
，视场中的干涉条纹将发生变化， 视场中的干涉条纹将发生变化，
λ 2
因
M1
每移动
的距离，视场中心就会向外“涌出”或向中心“陷入”一个干涉环纹， 的距离，视场中心就会向外“涌出”或向中心“陷入”一个干涉环纹，