迈克尔逊干涉仪ppt

大学物理实验-迈克尔逊干涉仪

迈克尔逊干涉仪》实验报告一、引言迈克尔逊曾用迈克尔逊干涉仪做了三个闻名于世的实验：迈克尔逊-莫雷以太漂移、推断光谱精细结构、用光波长标定标准米尺。

迈克尔逊在精密仪器以及用这些仪器进行的光谱学和计量学方面的研究工作上做出了重大贡献，荣获1907年诺贝尔物理奖。

迈克尔逊干涉仪设计精巧、用途广泛，是许多现代干涉仪的原型，它不仅可用于精密测量长度，还可以应用于测量介质的折射率，测定光谱的精细结构等。

二、实验目的（1）了解迈克尔逊干涉仪的光学结构及干涉原理，学习其调节和使用方法（2）学习一种测定光波波长的方法，加深对等倾的理解（3）用逐差法处理实验数据三、实验仪器迈克尔逊干涉仪、He-Ne激光器、扩束镜等。

四、实验原理迈克尔逊干涉仪是l883年美国物理学家迈克尔逊（A.A.Michelson）和莫雷（E.W.Morley）合作，为研究“以太漂移实验而设计制造出来的精密光学仪器。

用它可以高度准确地测定微小长度、光的波长、透明体的折射率等。

后人利用该仪器的原理，研究出了多种专用干涉仪，这些干涉仪在近代物理和近代计量技术中被广泛应用。

1.干涉仪的光学结构迈克尔逊干涉仪的光路和结构如图1与2所示。

M1、M2是一对精密磨光的平面反射镜，M1的位置是固定的，M2可沿导轨前后移动。

G1、G2是厚度和折射率都完全相同的一对平行玻璃板，与M1、M2均成45°角。

G1的一个表面镀有半反射、半透射膜A，使射到其上的光线分为光强度差不多相等的反射光和透射光；G1称为分光板。

当光照到G1上时，在半透膜上分成相互垂直的两束光，透射光（1）射到M1，经M1反射后，透过G2，在G1的半透膜上反射后射向E；反射光（2）射到M2，经M2反射后，透过G1射向E。

由于光线（2）前后共通过G1三次，而光线（1）只通过G1一次，有了G2，它们在玻璃中的光程便相等了，于是计算这两束光的光程差时，只需计算两束光在空气中的光程差就可以了，所以G2称为补偿板。

迈克尔逊干涉仪

动手轮只能向一个方向转动，中途不能反向。
➢ 数条纹变化数目过程中，若因震动出现条纹抖动难以辨认时，应暂停数条纹数，待稳定后再继续数。
问题讨论
1、本实验是用什么方法处理数据的？此法有何优点？
答：是用逐差法处理数据的。优点为：可以充分利用数据，体现出多次测量的优点，减小了测量误差。
问题讨论
i0
级次K越大。
圆心处，i 0
2d
K 2d
光程差的改变
两相干光束在空间完全分开，可用移动反射镜的方法改变两光束的光程差.
M'2 M1
d
d
移动反射镜
d K
2
M1
移
干涉
G1
G2
M2
动距
离
条纹移动数目
等倾干涉圆环的特点
2、随距离d增大，条纹变密
K级明纹： 2d cosik K K+1级明纹： 2d cosik1 (K 1)
当光源是扩展光源时，不论是等倾干涉还是等厚干涉，所产生的干涉条纹都有一定位置，
这些干涉称为定域干涉。
当光源是点光源时，凡是两束光相遇处都可看到干涉条纹，这些干涉
称为非定域干涉。
点光源产生的非定 S1 域干涉计算示意图
i
S2
d
M1
M2'
S
G1
G2
RA O
E
光程差为：
2d S A S A
1
问题讨论
4、调节非定域干涉条纹时，若观察到的条纹又细又密是何原因？如何调节使条纹变得又粗又稀？
5、简述本实验所用干涉仪的读数方法。 6、怎样利用干涉条纹的“涌出”和“陷入”
来测定光波的波长？
干涉条纹

光纤Michelson干涉仪

3、测量折射率在图3中，把信号臂一侧的反射端面固定，信号臂光纤端面与反射端面距离为l0，待测物体长lx，折射率为nx，待测物体置于信号臂光纤端面与反射端面之间后，式变形为
待测物体长lx；可以测量出来，在式中待测物体折射率nx改变了干涉光的光强，由光强的变化测量物体的折射率nx．
4、测量微应变、应力
1中虚线方框所示。当激光器发出的光经3dB耦合器后分成光强相等的两束光，分别进入干涉仪的信号臂和参考臂。由于构成两个光路的光纤都是单模光纤，但是长度不同，信号臂与参考臂的长度差即为传感头长度。为了增强干涉效果，在信号臂和参考臂光纤末端端面镀有高反射膜。当光在两臂中传输到末端时会发生发射，两反射光反向传输，再经 3dB 耦合器后被光电探测器接收，转化为电信号。由于两反射光具有相同的频率、偏振方向，相位差恒定，故满足干涉条件。
8、声波探测
声波探测技术具有：声波衰减小，能够绕山传播，侦察隔山目标与丛林中的日标，非其他探测技术所及；完全采用被动式工作原理，不易被敌方电子侦察设备发现、摧毁，也不易受到电子干扰信号的影响，隐蔽性强；对于一些低宅目标或者地面目标，属于雷达等电子探测的盲区，更有独特作用．
利用迈克尔逊干涉仪测量隐失场
6、测量压力图3中，把压力膜片表面镀上一层反射膜作为信号臂光纤的反射端面，压力膜片距离信号臂光纤端面l0，当待测压力P作用在膜片上时，P改变式(21)中l0的来改变Δφ，同时也改变式(11)中的反射率Rf，进而改变干涉光的光强，来达到测量目的，这种测量方法精度高，测量压力的范围大且能实现非接触式测量。 7、检测超声波一种基于Michelson干涉仪原理构成的非接触式光纤超声传感系统，用来检测超声波．该传感系统可以通过固体的表面来探测固体结构中伴随着微裂纹发生及各种原因造成的振动而产生的声发射．

物理光学第十二章第四节平板的双光束干涉(楔形平板产生的等厚干涉、斐索干涉仪和迈克尔逊干涉仪)

根据光的干涉原理组成的一个仪器，通过对这个仪器所产生的干涉条纹的测量而达到某种测量目的，这样的光学仪器就是干涉仪。干涉仪的种类很多，在科学研究、生产和计量部门都有广泛的应用，但各种干涉仪在光路结构上都存在某些相似之处，这里了解几种典型的双光束干涉仪。
（一）、斐索干涉仪（二）、迈克耳逊干涉仪
kdrrdh?????????811822122激光球面干涉仪11kdn???42211213动态演14示名称用途工作原理干涉条纹性质斐索干涉仪名称用途工作原理干涉条纹性质斐索干涉仪1测定平板表面的平面度和局部误差测定平板表面的平面度和局部误差2测量平行平板的平行度和小角度光楔的楔角测量平行平板的平行度和小角度光楔的楔角3测量透镜的曲率半径1使标准平晶的下表面与待检平面构成空气平板使标准平晶的下表面与待检平面构成空气平板2去掉标准平晶可直接利用被测平板上下表面形成双光束干涉去掉标准平晶可直接利用被测平板上下表面形成双光束干涉3将标准平晶换成球面样板使球面样板曲面和待测曲面间将标准平晶换成球面样板使球面样板曲面和待测曲面间构成空气板进行检测1形成等厚干涉条纹2根据检测对象不同干涉光束来自不同的标准反射面和被测面根据检测对象不同干涉光束来自不同的标准反射面和被测面3干涉光反射面选择不同对应定域面位置不同干涉光反射面选择不同对应定域面位置不同典型的双光束干涉系统15率半径构成空气板进行检测迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪1确定零光程差位置确定零光程差位置2进行样品或长度测量进行样品或长度测量3精确测量单色光波长精确测量单色光波长1白光照明时加上补偿板能够同时补偿各色光的光程差以获得零级白光条纹用于准确确定零光程差位置作为精确测量基准白光照明时加上补偿板能够同时补偿各色光的光程差以获得零级白光条纹用于准确确定零光程差位置作为精确测量基准2因为干涉仪能将参考光和测量光束分开所以可将样品放置于测量光路中观察干涉条纹的变化

大学物理实验迈克尔逊干涉仪讲义

⼤学物理实验迈克尔逊⼲涉仪讲义迈克尔孙⼲涉仪1881年美国物理学家迈克尔孙（A.A.Michelson）为测量光速，依据分振幅产⽣双光束实现⼲涉的原理精⼼设计了这种⼲涉测量装置。

迈克尔孙和莫雷（Morey）⽤此⼀起完成了在相对论研究中有重要意义的“以太”漂移实验。

迈克尔孙⼲涉仪设计精巧、应⽤⼴泛，许多现代⼲涉仪都是由它衍⽣发展出来的。

本实验的⽬的是了解迈克尔孙⼲涉仪的原理、结构和调节⽅法，观察⾮定域⼲涉条纹，测量氦氖激光的波长，并增强对条纹可见度和时间相⼲性的认识。

实验原理1．迈克尔孙⼲涉仪的结构和原理迈克尔孙⼲涉仪的原理图如图3.1.1-1所⽰，A和B为材料、厚度完全相同的平⾏板，A的⼀⾯镀上半反射膜，M1、M2为平⾯反射镜，M2是固定的，M1和精密丝杆相连，使其可前后移动，最⼩读数为10-4mm，可估计到10-5mm，M1和M2后各有⼏个⼩螺丝可调节其⽅位。

光源S发出的光射向A板⽽分成（1）、（2）两束光，这两束光⼜经M1和M2反射，分别通过A的两表⾯射向观察处O，相遇⽽发⽣⼲涉，B作为补偿板的作⽤是使（1）、（2）两束光的光程差仅由M1、M2与A板的距离决定。

由此可见，这种装置使相⼲的两束光在相遇之前⾛过的路程相当长，⽽且其路径是互相垂直的，分的很开，这正是它的主要优点之⼀。

从O处向A处观察，除看到M1镜外，还可通过A的半反射膜看到M2的虚像M’2，M1与M2镜所引起的⼲涉，显然与M1、M’2引起的⼲涉等效，M1和M’2形成了空⽓“薄膜”，因M’2不是实物，故可⽅便地改变薄膜的厚度（即M1和M’2的距离），甚⾄可以使M1和M’2重叠和相交，在某⼀镜⾯前还可根据需要放置其他被研究的物体，这些都为其⼴泛的应⽤提供了⽅便。

2．点光源产⽣的⾮定域⼲涉⼀个点光源S发出的光束经⼲涉仪的等效薄膜表⾯M1和M’2反射后，相当于由两个虚光源S1、S2发出的相⼲光束（图3.1.1-2）。

若原来空⽓膜厚度（即M1和M’2之间的距离）为h，则两个虚光源S 1和S 2之间的距离为2h ，显然只要M 1和M’2（即M 2）⾜够⼤，在点光源同侧的任⼀点P 上，总能有S 1和S 2的相⼲光线相交，从⽽在P 点处可观察到⼲涉现象，因⽽这种⼲涉是⾮定域的。

迈克尔逊干涉仪_2

实验迈克尔逊干涉仪【实验目的】1.掌握迈克尔逊干涉仪的调节方法并观察各种干涉图样。

2.区别等倾干涉、等厚干涉和非定域干涉，并用非定域干涉测量氦氖激光波长。

3.了解光源的时间相干性，测量光源的相干长度。

【仪器用具】迈克尔逊干涉仪、氨氖激光器、白光光源、小孔光阑、短焦距小透镜。

【实验原理】1.仪器的构造图1为干涉仪的实物图，图2为其光路示意图。

其中M1和M2为两平面反射镜，M1可在精密导轨上前后移动，而M2是固定的。

P1是一块平行平面板，板的第二表面近P2面涂以半反射膜，它和全反射镜M1成45°角。

P2是一块补偿板，其厚度及折射率和P1完全相同，且与P1平行，它的作用是补偿两路光的光程差，使干涉图样不会畸变，保证白光干涉时彩色条纹形成。

放松刻度轮止动螺钉⑧，转动刻度轮⑦，可使反射镜M1沿精密导轨前后移动，当锁紧止动螺钉⑧，转动微量读数鼓轮⑨时，通过蜗轮蜗杆系统可转动刻度轮，从而带动 M1微微移动，微量读数鼓轮最小格值为10-4mm，可估读到10-5mm，刻度轮最小分度值为10-2mm。

M1的位置读数由导轨上标尺、刻度轮和微量读数鼓轮三部分组成。

反射镜M2背后有三个螺钉，用以调节M2的倾斜度，它的下方还有两个垂直的微调螺丝，以便精确调节M2的方位。

2.干涉条纹的图样图1图21、活动反光镜；2、固定反光镜；3、固定螺钉；4、补偿板；5、分光板；6、毛玻璃屏；7、刻度轮；8、刻度轮止动螺钉；9、微量读数鼓轮； 10、11、12、调节螺钉用迈克尔逊干涉仪可观察定域干涉和非定域干涉，这取决于光源的性质，而定域干涉又可分为等倾干涉和等厚干涉，这取决于M1和M2是否垂直，也就是说M1和M2'是否平行。

M2'是反射镜M2被分光板P1反射所成的虚象。

当使用扩展的面光源时，只能获得定域干涉。

2．1 等倾干涉当M 1和M 2'，互相平行时，得到的是相当于平行平面板的等倾干涉条纹，其干涉花样定位于无限远，如果在E 处放一会聚透镜，并在其焦平面上放一屏，则在屏上可观察到一组组的圆心圆。

牛顿环和迈克尔逊干涉仪

照明）；
① 明暗相间、内疏外
密的同心圆环，干涉级内高外低；
② 调节M1,使d0改变时，整个条纹发生移动。当d0每改变λ/2，在条纹中心处 j 将增
加或减少1，即：在中心处将
产生或消失一个条纹。
设：当d0改变Δd0时，有N个条纹在中心处产生或消
失，则
d0 N • 2
当d0 条纹半径向中心收缩条纹消失
的同心圆环，有半波损失时，中间为一暗斑。
用牛顿环来检验光学零件的表面质量
利用牛顿环h r2 ，r = D
2R
2
待测透镜与样板的曲率差：
C
1 R1
1 R2
=
8h D2
,
由h N , 2
得到：C
4 D2
N
N为零件直径D内包含的光圈数
h为空气夹层最大厚度
用样板检验光学零件的表面质量
白光入射的牛顿环照片
两表面反射时均存在半波损
F
失，故无额外程差(银膜处两
光束都有半波损失)，所以，
光程差为：
2d0 cos i
其中, i为入射到薄膜上的入射角
(3)、干涉公式：
j
2d0
cos
i
2
j
1
2
亮条纹暗条纹
j 0,1, 2,3, 4,
(4)、条纹特征：
㈠、当M1、M2严格垂直时，形成的空气薄膜厚度均匀，产生等倾干涉条纹（可用扩展光源，非准直
' 2nt t 2t(n 1)
当条纹移过一条时，对应光程差的变化为一个波长，当观察到107.2 条移过时，光程差的改变量满足：
2t(n 1) 107.2
n 107.2 1 1.000293