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大学物理实验-迈克尔逊干涉仪

大学物理实验-迈克尔逊干涉仪
大学物理实验-迈克尔逊干涉仪

迈克尔逊干涉仪及其应用

迈克尔逊干涉仪及其应用 迈克尔逊干涉仪的应用 迈克尔逊干涉仪是一种利用分振幅法实现干涉的精密光学仪器.自1881 年问世以来,迈克尔逊曾用它完成了三个著名的实验:否定“ 以太” 的迈克尔逊—莫雷实验;光谱精细结构和利用光波波长标定长度单位.迈克尔逊干涉仪结构简单、光路直观、精度高,其调整和使用具有典型性.根据迈克尔逊干涉仪的基本 原理发展的各种精密仪器已广泛应用于生产和科研领域. 【预习要求】 1. 阅读实验十六,理解光的干涉、等倾干涉与等厚干涉 . 2. 了解定域干涉与非定域干涉概念 . 3. 了解迈克尔逊干涉仪的结构和使用 . 【实验目的】 1. 研究迈克尔逊干涉仪上各种光的干涉现象 . 2. 了解迈克尔逊干涉仪的应用 . 【实验仪器】 迈克尔逊干涉仪,法布里-珀罗干涉仪,氦氖激光器,钠光灯,白炽灯, 扩束镜 【实验要求】 1. 定域干涉与非定域干涉的研究 (1)观察激光产生的定域干涉与非定域干涉; (2)粗略测定激光定域等倾干涉条纹和等厚干涉条纹的定域位置(精确到 mm ); (3)观察钠光产生的定域干涉与非定域干涉 . 2. 钠光双线波长差与相干长度的测定 (1)用迈克耳孙干涉仪测定钠光双线波长差; (2)用迈克耳孙干涉仪测定钠光相干长度;

(3)用迈克耳孙干涉仪考察氦-氖激光的相干长度 . 3. 钠光双线波长差的测定与考察补偿板的作用 (1)用迈克耳孙干涉仪测定钠光双线波长差; (2)用法布里-珀罗干涉仪测定钠光双线波长差; (3)观察无补偿板的迈克耳孙干涉仪中条纹的特点 . 【实验提示】 1. 如何获得点光源和面光源?如何测定干涉条纹的定域位置? 2. 钠光包含中心波长分别为589.0nm 和589.6nm 的两条谱线,在迈克耳逊干涉仪中它的干涉条纹有什么特点? 测波长差的公式;能用测出的波长差计算相干长度吗?测定光源相干长度的方法,实际可能达到的精度 . 3. 钠光包含中心波长分别为589.0nm 和589.6nm 的两条谱线,在迈克耳逊干涉仪和法布里-珀罗干涉仪中它的干涉条纹各有什么特点? 4. 迈克耳逊干涉仪中补偿板有哪些作用? 5.考虑实际可能达到的精度,确定是否要用微动手轮,应如何安排测量次数,如何处理数据 . 【设计报告要求】 1 . 写明实验的目的和意义 2 . 阐明实验原理和设计思路 3 . 说明实验方法和测量方法的选择 4 . 列出所用仪器和材料 5 . 确定实验步骤 6 . 设计数据记录表格 7 . 确定实验数据的处理方法 【思考题】

迈克尔逊干涉仪测He-Ne激光的波长

实验十 迈克尔逊干涉仪测He-Ne 激光的波长 迈克尔逊干涉仪是1883年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作设计制作出来的精密光学仪器。它利用分振幅法产生双光束以实现光的干涉,可以用来观察光的等倾、等厚和多光束干涉现象,测定单色光的波长和光源的相干长度等。在近代物理和计量技术中有广泛的应用。 【实验目的】 1.了解迈克尔逊干涉仪的特点,学会调整和使用。 2.学习用迈克尔逊干涉仪测量单色光波长及薄玻璃片厚度的方法。 【实验仪器】 WSM-100型迈克尔逊干涉仪,HNL -55700型H e -N e 激光器、扩束镜,白赤灯,毛玻璃片,光具座,薄玻璃片。 【实验原理】 迈克尔逊干涉仪工作原理:如图10-1所示。在图中S 为光源,G 1是分束板,G 1的一面镀有半反射膜,使照在上面的光线一半反射另一半透射。G 2是补偿板,M 1、M 2为平面反射镜。 光源H e -N e 激光器S 发出的光经会聚透镜L 扩束后,射入G 1板,在半反射面上分成两束光:光束(1)经G 1板内部折向M 1镜,经M 1反射后返回,再次穿过G 1板,到达屏E ;光束(2)透过半反射面,穿过补偿板G 2射向M 2镜,经M 2反射后,再次穿过G 2,由G 1下表面反射到达屏E 。两束光相遇发生干涉。 补偿板G 2的材料和厚度都和G 1板相同,并且与G 1板平行放置。考虑到光束(1)两次穿过玻璃板,G 2的作用是使光束(2)也两次经过玻璃板,从而使两光路条件完全相同,这样,可以认为干涉现象仅仅是由于M 1镜与M 2镜之间的相对位置引起的。 为清楚起见,光路可简化为图10-2所示,观察者自E 处向G 1板看去,透过G 1板,除直接看到M 1镜之外,还可以看到M 2镜在G 1板的反射像M 2',M 1镜与M 2'构成空气薄膜。事实上M 1、M 2镜所引起的干涉,与M 1、M 2'之间的空气层所引起的干涉等效。 1.干涉法测光波波长原理: 考虑M 1、M 2'完全平行,相距d 时的情况。点光源S 在镜M 1、M 2'中所成的像s '、s ''构成相距d 2的相干光源,光路如图10-3所示。设s ''到0点的距离 为h 。这种情况下,干涉现象发生在两光相遇的所有空间中,因此干涉是非定域 的。对于屏幕上任意一点P 处,设s ''到0点的距离为h 。两像光源发出的光相 遇时的光程差为δ,P 点处发生相长干涉的条件为: λ=θ-θ+=δk h d 2h 2 1cos cos (10—1) 由(10-1)式,结合图3可以看出,保持h 与d 不变,令P 点向外移动时,1θ、2θ将增大,对应级次K 将伴随δ减小,所以中央条纹的级次高。 2E 图10-1 迈克尔逊干涉仪原理图 M M '图10-3干涉光程计算 2S 图10-2 迈克尔逊干涉仪简化光路

大学物理实验-迈克尔逊干涉仪

(1312实验室)迈克尔逊干涉仪实验 一.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 二.实验仪器 迈克尔逊干涉仪、He-Ne激光器、扩束镜等。 三.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。当观察者从E处向G1看去时,除直接看到M2外还看到M1的像M1ˊ。于是(1)、(2)两束光如同从M2与M1ˊ反射来的,因此迈克尔逊干涉仪中所产生的干涉和M1′~M2间“形成”的空气薄膜的干涉等效。 反射镜M2的移动采用蜗轮蜗杆传动系统,转动粗调手轮(2)可以实现粗调。M2移动距离的毫米数可在机体侧面的毫米刻度尺(5)上读得。通过读数窗口,在刻度盘(3)上可读到0.01mm;转动微调手轮(1)可实现微调,微调手轮的分度值为1×10-4mm。可估读到10-5mm。M1、M2背面各有3个螺钉可以用来粗调M1和M2的倾度,倾度的微调是通过调节水平微调(15)和竖直微调螺丝(16)来实现的。 2. 单色点光源的非定域干涉 本实验用He-Ne激光器作为光源(见图3),激光通过扩束镜L汇聚成一个强度很高的点光源S,射向迈克尔逊干涉仪,点光源经平面镜M2、M2反射后,相当于由两个点光源S1ˊ和S2ˊ发出的相干光束。Sˊ是S的等效光源,是经半反射面A所成的虚像。S1′是S′经M1′所成的虚像。S2′是S′经M2所成的虚像。由图3可知,只要观察屏放在两点光源

迈克尔逊干涉仪测‘

实验四 用迈克尔逊干涉仪空气的折射率 一、实验目的 用分离的光学元件构建一个迈克尔逊干涉仪。 通过降低空气的压强测量其折射率。 二、仪器和光学元件 光学平台;HeNe 激光;调整架,35x35mm ;平面镜,30x30mm ;磁性基座;分束器50:50;透镜,f=+20mm ;白屏;玻璃容器,手持气压泵,组合夹具,T 形连接,适配器,软管,硅管 三、实验原理 借助迈克尔逊干涉仪装置中的两个镜,光线被引进干涉仪。通过改变光路中容器内气体的压强,推算出空气的折射率。 If two Waves having the same frequency ω , but different amplitudes and different phases are coincident at one location , they superimpose to ()()2211sin sin αα-?+-?=wt a wt a Y The resulting can be described by the followlng : ()α-?=wt A Y sin w ith the amplitude δ cos 22122212?++=a a a a A (1) and the phase difference 21ααδ-= In a Michelson interferometer , the light beam is split by a half-silvered glass plate into two partial beams ( amplitude splitting ) , reflected by two mirrors , and again brought to interference behind the glass plate . Since only large luminous spots can exhibit circular interference fringes , the Iight beam is expanded between the laser and the glass plate by a lens L . If one replaces the real mirror M3 with its virtual image M3 /, , Which is formed by reflection by the glass plate , a point P of the real light source appears as the points P / , and P " of the virtual light sources L l and L 2 · Due to the different light paths , using the designations in Fig . 2 , 图 2 the phase difference is given by : θλπδcos 22???=d (2) λis the wavelength of the laser ljght used . According to ( 1 ) , the intensity distribution for a a a ==21 is 2cos 4~2 22δ??=a A I (3) Maxima thus occur when δis equal to a multiple of π2,hence with ( 2 ) λθ?=??m d cos 2;m=1,2,….. ( 4 )

迈克尔逊干涉仪实验报告精品

1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 实验目的: 1) 学会使用迈克尔逊干涉仪 2) 观察等倾、等厚和非定域干涉现象 3) 测量氦氖激光的波长和钠光双线的波长差。 实验仪器: 氦氖激光光源、钠光灯、迈克尔逊干涉仪、毛玻璃屏实验原理: 1:迈克尔逊干涉仪的原理: 迈克尔逊干涉仪的光路图如图所示,光源 S 出 发的光经过称 45。 放置的背面镀银的半透玻璃板 P 1 被分成互相垂直的强度几乎相等的两束光, 光 路 1 通过 M 1 镜反射并再次通过 P 1 照射在观察平 面 E 上,光路 2 通过厚度、折射率与 P 1 相同的玻 璃板 P 2 后由 M 2 镜反射再次通过 P 2 并由 P 1 背面的 反射层反射照射在观察平面 E 上。图中平行于 M 的M ' 是M 经 P 反射所成的虚 1 2 2 1 像,即 P 到 M 与 P 到 M ' 的光程距离相等,故从 P 到M 的光路可用 P 到M ' 等 价替代。这样可以认为 M 与 M ' 之间形成了一个空气间隙, 这个空气间隙的厚度 可以通过移动 M 1 完成,空气间隙的夹角可以通过改变 M 1 镜或 M 2 镜的角度实现。 当 M 与M ' 平行时可以在观察平面 E 处观察到等倾干涉现象,当 M 与M ' 有一 1 2 1 2 定的夹角时可以在观察平面 E 处观察到等厚干涉现象。 2:激光器激光波长测量原理: 由等倾干涉条纹的特点,当 θ =0 时的光程差 δ 最大,即圆心所对应的

1 2 1 2 干 涉级别最高。转动手轮移动 M1,当 d 增加时,相当 于增大了和 k 相应的θ 角 ,可以看到圆 环一个个从中心 “冒出” ;若 d 减小时,圆环逐渐 缩小, 最后“淹没”在中心处。 每“冒” 出或“ 缩”进一个干涉环,相应的光程差改变了一个波长, 也就是 M 与 M ’ 之间距离 变化了半个波长。 若将 M 与 M ’ 之间距离改变了 △d 时,观察到 N 个干涉环变化,则 △d=N 由此可测单色光 的波长。 3:钠光双线波长差的测定: 在使用迈克尔逊干涉仪观察低压钠黄灯双线的等倾干涉条纹时,可以看到 随着动镜 M 1 的移动,条纹本身出现了由清晰到模糊再到清晰的周期性变化,即 反衬度从最大到最小再到最大的周期性变化, 利用这一特性, 可测量钠光双线波长差,对于等倾干涉而言,波长差的计算公式为: 实验内容与数据处理: (1) )观察非定域干涉条纹 1) 通过粗调手轮打开激光光源, 调节激光器使其光束大致垂直于平面反光镜 M 2 入射,取掉投影屏 E ,可以看到两排激光点 2) 粗调手轮移动 M 1 镜的位置,使得通过分光板分开的两路光光程大致相等 3) 调节M 1 、M 2 镜后面的两个旋钮, 使两排激光点重合为一排,并使两个最 亮的光点重合在一起。此时再放上投影屏 E ,就可以看到干涉条纹。 4) 仔细调节 M 、 M 镜后面的两个旋钮,使 M 与 M ' 平行,这时在屏上可 以看到同心圆条纹,这些条纹为非定域条纹。 5) 转动微调手轮,观察干涉条纹的形状、疏密及中心“吞” 、“吐”条纹随光程差 改变的变化情况。

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2 M '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 S d M '2 M 1 反射镜1 图一

迈克尔逊干涉仪实验报告

迈克尔逊和法布里-珀罗干涉仪 摘要:迈克尔逊干涉仪是一种精密光学仪器,在近代物理和近代计量技术中都有着重要的应用。通过迈克尔逊干涉的实验,我们可以熟悉迈克尔逊干涉仪的结构并掌握其调整方法,了解电光源非定域干涉条纹的形成与特点和变化规律,并利用干涉条纹的变化测定光源的波长,测量空气折射率。本实验报告简述了迈克尔逊干涉仪实验原理,阐述了具体实验过程与结果以及实验过程中的心得体会,并尝试对实验过程中遇到的一些问题进行解释。 关键词: 迈克尔逊干涉仪;法布里-珀罗干涉仪;干涉;空气折射率; 一、引言 【实验背景】 迈克尔逊干涉仪是1883年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作,为研究“以太”漂移而设计制造出来的精密光学仪器。它是利用分振幅法产生双光束以实现干涉。通过调整该干涉仪,可以产生等厚干涉条纹,也可以产生等倾干涉条纹,主要用于长度和折射率的测量。法布里-珀罗干涉仪是珀罗于1897年所发明的一种能现多光束干涉的仪器,是长度计量和研究光谱超精细结构的有效工具; 它还是激光共振腔的基本构型,其理论也是研究干涉光片的基础,在光学中一直起着重要的作用。在光谱学中,应用精确的迈克尔逊干涉仪或法布里-珀罗干涉仪,可以准确而详细地测定谱线的波长及其精细结构。 【实验目的】 1.掌握迈克尔逊干涉仪和法布里-珀罗干涉仪的工作原理和调节方法; 2.了解各类型干涉条纹的形成条件、条纹特点和变化规律; 3.测量空气的折射率。 【实验原理】 (一) 迈克尔逊干涉仪 1M 、2M 是一对平面反射镜,1G 、2G 是厚度和折射率都完全相同的一对平行玻璃板,1G 称 为分光板,在其表面 A 镀有半反射半透射膜,2G 称为补偿片,与1G 平行。 当光照到1G 上时,在半透膜上分成两束光,透射光1射到1M ,经1M 反射后,透过2G ,在1G 的半透膜上反射到达E ;反射光2射到2M ,经2M 反射后,透过1G 射向E 。两束光在玻璃中的 光程相等。当观察者从E 处向1G 看去时,除直接看到2M 外还可以看到1M 的像1 M 。于是1、2

实验6-5-迈克尔逊干涉仪的原理与使用

实验6—5 迈克尔逊干涉仪的原理与使用 一.实验目的 (1).了解迈克尔逊干涉仪的基本构造,学习其调节和使用方法。 (2).观察各种干涉条纹,加深对薄膜干涉原理的理解。 (3).学会用迈克尔逊干涉仪测量物理量。 二.实验原理 1.迈克尔逊干涉仪光路 如图所示,从光源S 发出的光线经半射镜 的反射和透射后分为两束光线,一束向上 一束向右,向上的光线又经M 1 反射回来, 向右的光线经补偿板后被反射镜M2反射回来? 在半反射镜处被再次反射向下,最后两束光线在 观察屏上相遇,产生干涉。 2.干涉条纹 (1).点光源照射——非定域干涉 如图所示,为非定域干涉的原理图。点S1是光源 相对于M1的虚像,点S 2’是光源相对于M2所成 的虚像。则S1、S2`所发出的光线会在观察屏上形 成干涉。 当M1和M2相互垂直时,有S1各S2`到点A 的 光程差可近似为: i d L cos 2=? ① 当A 点的光程差满足下式时 λk i d L ==?cos 2 ② A 点为第k级亮条纹。 由公式②知当i 增大时c osi 减小,则k 也减小,即条纹级数变高,所以中心的干涉条纹的级次是最高的 (2)扩展光源照明——定域干涉在点光源之前加一毛玻璃,则形成扩展光源,此时形 成的干涉为定域干涉,定域干涉只有在特定的位置才能看到。 ①.M 1与M2严格垂直时,这时由于d 是恒定的,条纹只与入射角i 在关,故是等倾干涉 ②.M 1与M2并不严格垂直时,即有一微小夹角,这种干涉为等厚干涉。当M1与M2夹角很小,且入射角也很小时,光程差可近似为 )21(2)2sin 1(2cos 222 i d i d i d L -≈-=≈?③ 在M1与M2`的相交处,d =0,应出现直线条纹,称中央条纹。 3.定量测量 (1).长度及波长的测量 由公式②可知,在圆心处i =0 0, cosi=1,这时 λk d L ==?2 ④ 从数量上看如d减小或增大N 个半波长时,光程差L ?就减小或增大N 个整波长,对应

迈克尔逊干涉仪

迈克尔逊干涉仪是利用干涉条纹精确测定长度或长度改变的仪器.它是迈克尔逊在1881年设计成功的。迈克尔逊和莫雷应用该仪器进行了测定以太风的著名实验.后人根据此种干涉仪研制出各种具有实用价值的干涉仪。 预备知识 ?光程:光波实际传播的路径与折射率的乘积, 光程差:,在杨氏干涉的例子里,它的光程差就可以表示 ? ?光程差与相位差的变换关系为: ?相干条件:两束光满足频率相同,振动方向相同,相位差恒定时即可成 为相干光源,这时的光强应表达为: 令;对应的位相差为

?获得相干光光源的两种常见方法 1.分波阵面法:从同一波阵面上获取对等的两部分作为子光源成 为相干光源;如杨氏实验等。 2.分振幅法:当一束光投射到两种介质的分界面时,它的所有的 反射光线或所有的透射光线会聚在一起时即可发生相干;如薄膜 干涉等。 ?迈克尔逊干涉仪的结构和工作原理 G2是一面镀上半透半反膜,M1、M2为平面反射镜,M1是固定的,M2和精密丝相连,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。当M2和M1’严格平行时,M2移动,表现为等倾干涉的圆环形条纹不断从中心“吐出”或向中心“消失”。两平面镜之间的“空气间隙”距离增大时,中心就会“吐出”一个个条纹;反之则“吞进”一个个条纹。M2和M1’不严格平行时,则表现为等厚干涉条纹,M2移动时,条纹不断移过视场中某一标记位置,M2平移距离d 与条纹移动数N 的关系满足。

迈克尔逊干涉仪示意 经M2反射的光三次穿过分光板,而经M1反射的光只通过分光板一次.补偿板就是为了消除这种不对称而设置的.在使用单色光源时,补偿板并非必要,可以利用空气光程来补偿;但在复色光源时,因玻璃和空气的色散不同,补偿板则是不可缺少的。 若要观察白光的干涉条纹,两相干光的光程差要非常小,即两臂基本上完全对称,此时可以看到彩色条纹;若M1或M2稍作倾斜,则可以得到等厚的交线处(d=0)的干涉条纹为中心对称彩色直条纹,中央条纹由于半波损失为暗条纹。 实验内容 ?观察非定域干涉条纹,干涉条纹的形状、疏密及中心“吞”、“吐”条纹 随光程差的改变而变化情况; ?测量He-Ne激光的波长,利用公式计算,用适当的数据处理 方法求出值; ?测钠黄光波长及钠黄光双线的波长差,观察条纹的可见度的变化; ?测量钠黄光的相干长度,观察氦氖激光的相干情况; ?调节观察白光干涉条纹,测定透明薄片的折射率.

迈克尔逊干涉仪实验与最佳测量区间的分析

迈克尔逊干涉仪实验与最佳测量区间的分析 摘要:用迈克尔逊干涉仪能观察到等倾干涉、等厚干涉条纹和白光干涉的彩色条纹。产生等倾干涉与等厚干涉不仅与M 1与2'M 之间的夹角α有关,还受其间空气 层厚度d 的影响。在测H e-N e 激光波长时,通过分析,在一定的测量区间内,测得的波长误差较小。本文主要对等倾干涉等厚干涉所遇到的现象、特点及仪器的调节图像的判断进行分析,接着分析白光干涉现象中央条纹的亮暗,最后对测波长的最佳区间分析,并经过实验得出最佳测量范围。 关键词:迈克尔逊干涉仪 等倾干涉 等厚干涉 白光干涉 最佳测量区间 Michelson interferometer experiment with the best measurement interval analysis Abstract: Such dumping intervention, uniform thickness interference, white stripe and color interference fringes as can be observed in the Michelson interferometer. Inclined to interfere in the formation and the thickness intervention with the M 1 and 2'M the angle, which is also affected by the air layer thickness d effects. The He – Ne laser wavelength measurement, after analysis, in a certain interval measurement, the measurement error of wavelength is smaller. In this paper, such as the dumping of interference encountered thick interference phenomena, characteristics and the regulatory apparatus judgment image analysis then analyzes white interference fringes of the central-darkness, in the final test ,after the best wavelength interval analysis, we carry out some experiments and make out the best measurement range Key words: Michelson interferometer dumping intervention uniform thickness interference the white light interference best sampling interval

大学物理实验之迈克尔逊干涉仪的调整与应用方法及步骤详解

迈克尔逊干涉实验 实验前请认真阅读本要点: (1)听完课后,同学们结合仪器请仔细阅读教材的相关内容,特别是P189的干涉仪光路图(图5-61)、P191公式(5-123、5-124)的由来及应用、P193至P194的仪器说明与练习一。 测量固体试件的线膨胀系数还要阅读教材的P136与P138的实验内容1。 注:迈克尔逊干涉仪有仿真实验,同学们可以在实验之前用其进行预习。 仿真实验位于: 桌面\大学物理仿真实验\大学物理仿真实验(第二部分),其中 大学物理仿真实验(第二部分).exe为正式版,大学物理仿真实验示教版(第二部分).exe为示教版,同学们在使用之前可先看示教版。 (2)实验内容 1)掌握迈克尔逊干涉仪的调节方法,并记录位置改变时干涉条纹的变化,如条纹的“冒出”和“缩进”、条纹的疏密、条纹间距与“空气薄膜”的关系等。 2)根据逐差法的要求确定如何合理测量数据,规范记录实验数据及已知参数等。 3)拟定利用迈克尔逊干涉仪测量透明薄片的折射率(厚度)的实验方案,并利用仿真实验来验证实验方案。 4)(选做)利用仿真实验测量测量钠光的波长、钠黄光双线的波长差、钠光的相干长度等。 (3)阅读F盘上的数据处理文件(迈克尔逊干涉仪的调整与应用数据处理、线膨胀系数测量数据处理(据环数记温度)、线膨胀系数测量数据处理(据温度记

环数)),了解需测量的数据要求(处理需用逐差法),确定如何进行数据测量。根据需测量的数据,在实验仪器上进行预测量与观察相应的实验现象,即先测量一小部份数据,弄清测量的重点与难点,确定测量方法,然后进行正式测量。 (4)测波长与测线膨胀系数的主要调节方法是一样的,需掌握迈克尔逊干涉光路的调节方法,并了解干涉条纹的变化情况,如条纹的“冒出”和“缩进”、条纹的疏密、条纹间距与“空气薄膜”的关系等。(一些问题详见附录4 疑难解答) 测量He-Ne激光的波长的同学还要掌握如何正确使用读数结构(包括如何读数、校零、消空程等)。 测量固体试件的线膨胀系数的同学还要掌握如何正确进行控温(详见38的实验内容1)。 (5)测波长的同学(后十位同学)需每冒出(或缩进)50环,读一次 M镜 1 的位置,至少连续测8组,将数据填入表格,并观察其实验现象。 测线膨胀系数的同学(前十位同学)可以采用按升高(降低)一定的温度(例如2℃)测量试件伸长量的方法(采用逐差法)进行测量,要求连续测量8组;也可以采用按试件一定的伸长量(例如由20个干涉环变化算出的光程差),测出所需升高(降低)温度的方法进行测量,要求连续测量8组。 注:测波长或测线膨胀系数只需做其中之一,但两个实验都需要掌握;请注意数据处理文件(迈克尔逊干涉仪的调整与应用数据处理、线膨胀系数测量数据处理(据环数记温度)、线膨胀系数测量数据处理(据温度记环数))。 (6)将所测量数据输入相应的数据处理文件(位于F盘,共有迈克尔逊干涉仪的调整与应用数据处理、线膨胀系数测量数据处理(据环数记温度)、线膨胀系数测量数据处理(据温度记环数)三个文件),不要关闭文件,让老师检查数据是否合格。 (7)数据合格后重新用新报告纸按要求记录所测数据(并记录其标准值或

“迈克尔逊干涉仪”实验报告

“迈克尔逊干涉仪”实验报告 【引言】 迈克尔逊干涉仪是美国物理学家迈克尔逊(A.A.Michelson)发明的。1887年迈克尔逊和莫雷(Morley)否定了“以太”的存在,为爱因斯坦的狭义相对论提供了实验依据。迈克尔逊用镉红光波长作为干涉仪光源来测量标准米尺的长度,建立了以光波长为基准的绝对长度标准,即1m=1 553 164.13个镉红线的波长。在光谱学方面,迈克尔逊发现了氢光谱的精细结构以及水银和铊光谱的超精细结构,这一发现在现代原子理论中起了重大作用。迈克尔逊还用该干涉仪测量出太阳系以外星球的大小。 因创造精密的光学仪器,和用以进行光谱学和度量学的研究,并精密测出光速,迈克尔逊于1907年获得了诺贝尔物理学奖。 【实验目的】 (1)了解迈克尔逊干涉仪的原理和调整方法。 (2)测量光波的波长和钠双线波长差。 【实验仪器】 迈克尔逊干涉仪、He-Ne激光器、钠光灯、扩束镜 【实验原理】 1.迈克尔逊干涉仪结构原理 图1是迈克尔逊干涉仪光路图,点光源 S发出的光射在分光镜G1,G1右表面镀有半 透半反射膜,使入射光分成强度相等的两束。 反射光和透射光分别垂直入射到全反射镜M1 和M2,它们经反射后再回到G1的半透半反射 膜处,再分别经过透射和反射后,来到观察区 域E。如到达E处的两束光满足相干条件,可 发生干涉现象。 G2为补偿扳,它与G1为相同材料,有 相同的厚度,且平行安装,目的是要使参加干 涉的两光束经过玻璃板的次数相等,波阵面不会发生横向平移。 M1为可动全反射镜,背部有三个粗调螺丝。 M2为固定全反射镜,背部有三个粗调螺丝,侧面和下面有两个微调螺丝。 2.可动全反镜移动及读数 可动全反镜在导轨上可由粗动手轮和微动手轮的转动而前后移动。可动全反镜位置的读数为: ××.□□△△△ (mm) (1)××在mm刻度尺上读出。

迈克尔逊干涉仪(实验报告)

一、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,测定 He-Ne 激光波长 二、实验仪器 迈克尔逊干涉仪、 He-Ne 激光器及光源、小孔光阑、扩束镜(短焦距会聚镜)、毛玻璃屏等。 (图一) (图二) 三、实验原理 ①用 He-Ne 激光器做光源,使激光通过扩束镜会聚后发散,此时就得到了一个相关性很好的点光源,射到分光板 P1和 P2上后就将光分成了两束分别射到 M1 和 M2 上,反射后通过 P1 、 P2 就可以得到两束相关光,此时就会产生干涉条纹。 ②产生干涉条纹的条件,如图 2 所示, B 、 C 是两个相干点光源,则到 A 点的光程差δ =AB-AC=BCcosi , 若在 A 点出产生了亮条纹,则δ =2dcosi=k λ (k 为亮条纹的级数 ) ,因为 i 和 k 均为不可测的量,所以取其差值,即λ =2 Δ d/ Δ k。 四、实验步骤 1、打开激光电源,先不要放扩束镜,让激光照到分光镜 P1 上,并调节激光的反射光照射到激光筒上。 2、调节 M2 的位置使屏上两排光中最亮的两个光点重回,并调至其闪烁。 3、将扩束镜放于激光前,调节扩束镜的高度和偏角,使光能照在 P1分光镜上,看显示屏上有没有产生同心圆的干涉条纹图案。没有的话重复 2 、 3 步骤,直到产生同心圆的干涉条纹图案。 4、微调 M2是干涉图案处于显示屏的中间。 5、转动微量读数鼓轮,使 M1 移动,可以看到中心条纹冒出或缩进,若看不到此现象,先转动可度轮,再转动微量读数鼓轮。记下当前位置的读数 d0 ,转动微量读数鼓轮,看到中心条纹冒出或缩进 30 次则记一次数据,共记录 10 次数据即 d0、 d1 (9)

迈克尔逊干涉仪的调节和使用

迈克尔逊干涉仪的调节和使用 迈克尔逊干涉仪是一种典型的分振幅双光束干涉装置,可以用来研究多种干涉现象,并进行较精密的测量。其在近代物理和近代计量技术中有着重要的应用,如测量标准长度等。从迈克尔逊干涉仪发展而成的各种干涉仪(如泰曼干涉仪),在制造精密光学仪器的工作中应用得相当广泛。 【实验目的】 1.了解迈克尔逊干涉仪的构造,并学会该仪器的调节与使用。 2.用迈克尔逊干涉仪测定钠光的波长。 【实验仪器】 迈克尔逊干涉仪、钠灯及其电源、叉丝。 【实验原理】 1.仪器构造简介 实验室中最常用的迈克耳逊干涉仪,其原理图和结构图如图1和图2所示。M 1和M 2 是在相互垂直的 图1 图2 两臂上放置的两个平面反射镜,其背面各有三个调节螺旋,用来调节镜面的方位;M2是固定的,M1由精密丝杆控制,可沿臂轴前后移动,其移动距离由转盘读出。仪器前方粗动手轮分度值为10-2mm,右侧微动手轮的分度值为10-4mm,可估读至10-5mm,两个读数手轮属于蜗轮蜗杆传动系统。在两臂轴相交处,有一与两臂轴各成45o的平行平面玻璃板P 1 ,且在P1的第二平面上镀以半透(半反射)膜,以便将入射光分成振幅近乎相等的反射光1和透射 光2,故P 1板又称为分光板。P 2 也是一平行平面玻璃板,与P1平行放置,厚度和折射率均

与P 1相同。由于它补偿了1与2之间附加的光程差,故称为补偿板。 从扩展光源S 射来的光,到达分光板P 1后被分成两部分。反射光1在P 1处反射后向着M 1前进;透射光2透过P 1后向着M 2前进。这两列光波分别在M 1、M 2上反射后沿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 ,因而是相干光,在E 处的观察者能看到干涉图样。 由于从M 2返回的光线在分光板P 1的第二面上反射,使M 2在M 1附近形成一平行于M 1 的虚像M?2,因而光在迈克耳逊干涉仪中自M 1和M 2的反射,相当于自M 1和M?2的反射。由此可见,在迈克耳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。 2.实验原理 当M 1和M?2严格平行时,所得的干涉为等倾干涉。所有倾角为i 的入射光束,由M 1和M?2反射光线的光程差Δ均为 2cos d i ?= (1) 式中i 为光线在M 1镜面的入射角,d 为空气薄膜的厚度,它们将处于同一级干涉条纹,并定位于无限远。这时,在图1中的E 处,放一会聚透镜,在其焦平面上(或用眼在E 处正对P 1观察),便可观察到一组明暗相间的同心圆纹。这些条纹的特点是: 干涉条纹的级次以中心为最高。在干涉纹中心,因i =0,由圆纹中心出现亮点的条件 2d k λ?== (2) 得圆心处干涉条纹的级次 2d k λ = (3) 当M 1和M ′2的间距d 逐渐增大时,对于任一级干涉条纹,例如第k 级,必定以以其 cos k i 的值来满足2cos k d i k λ=,故该干涉条纹向k i 变大(cos k i 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/2λ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/2λ。 因此,只要数出涌出或陷入的条纹数,即可得到平面镜M 1以波长λ为单位的移动距离。显然,若有N 个条纹从中心涌出时,则表明M 1相对于M′2移远了 2d N λ ?= (4) 反之,若有N 个条纹陷入时,则表明M 1和M?2移近了同样的距离。根据(4)式,如果已知光波的波长λ,便可由条纹变动的数目,计算出M 1移动的距离和干涉条纹变动的数目,便可算出光波的波长。 2d N λ?= 本次实验每组测量N 取50个条纹的“涌出”或“陷入”,并在迈氏干涉仪上读出12 ,d d ,便 可知d ?的值,则 2 2410 50 d d λ-= ?=???mm 4 410d =???nm 【注意事项】 ①该仪器很精密,各镜面必须保持清洁,切忌用手触摸光学面,精密丝杆和导轨的精度也是很高的,操作时要轻调慢拧。 ②为了使测量结果正确,必须消除螺距差(回程误差),也就是说,在测量前,应将微动手轮按某一方向(例如顺时针方向)旋转几圈,直到干涉条纹开始移动以后,才可开始读数测量(测量时仍按原方向转动)。 ③做完实验后,要把各微动螺丝恢复到放松状态。

迈克尔逊干涉仪测量空气折射率

空气折射率的测量 学习要点和重点: 1、迈克尔逊干涉仪原理, 2、利用迈克尔逊干涉原理测量气体折射率的方法。 学习难点: 1、 光路的调整, 2、 干涉条纹变化数目的读取。 迈克尔逊干涉仪中的两束相干光各有一段光路在空间上是分开的,在其中一支光路上放进被研究对象不会影响另一支光路。本实验利用迈克尔逊原理测量空气折射率。 一、 实验目的与要求 1、 学习一种测量气体折射率的方法; 2、 进一步了解光的干涉现象及其形成条件; 3、 学习调整光路的方法。 二、 实验仪器 He-Ne 激光器、反射镜2个、分束镜、扩束镜、气室、打气球、气压表、毛玻璃等。 三、 实验原理 迈克尔逊干涉仪光路示意图如图1所示。其中,G 为平板玻璃,称为分束镜,它的一个表面镀有半反射金属膜,使光在金属膜处的反射光束与透射光束的光强基本相等。 M 1、M 2为互相垂直的平面反射镜,M 1、M 2镜面与分束镜G 均成450角;M 1可以移动,M 2固定。2M '表示M 2对G 金属膜的虚像。 从光源S 发出的一束光,在分束镜G 的半反射面上被分成反射光束1和透射光束2。光束1从G 反射出后投向M 1镜,反射回来再穿过G ;光束2投向M 2镜,经M 2镜反射回来再通过G 膜面上反射。于是,反射光束1与透射光束2在空间相遇,发生干涉。 由图1可知,迈克尔逊干涉仪中,当光束垂直入射至M 1、M 2镜时,两束光的光程差δ为 M 2M 图1 迈克尔逊干涉仪光路示意图

)(22211L n L n -=δ (1) 式中,1n 和2n 分别是路程1L 、2L 上介质的折射率。 设单色光在真空中的波长为λ,当 ,3 ,2 ,1 ,0 ,==K K λδ (2) 时干涉相长,相应地在接收屏中心的总光强为极大。由式(1)知,两束相干光的光程差不但与几何路程有关,还与路程上介质的折射率有关。 当1L 支路上介质折射率改变1n ?时,因光程的相应改变而引起的干涉条纹的变化数为N 。由(1)式和(2)式可知 1 12L N n λ = ? (3) 例如:取nm 0.633=λ和mm L 1001=,若条纹变化10=N ,则可以测得0003.0=?n 。可见,测出接收屏上某一处干涉条纹的变化数N ,就能测出光路中折射率的微小变化。 正常状态(Pa P C t 501001325.1,15?==)下,空气对在真空中波长为nm 0.633的光的折射率 00027652.1=n ,它与真空折射率之差为410765.2)1(-?=-n 。用一般方法不易测出这个折射率差, 而用干涉法能很方便地测量,且准确度高。 四、 实验内容及步骤 (一)实验装置 实验装置如图2所示。用He-Ne 激光作光源(He-Ne 激光的真空波长为nm 0.633=λ),并附加小孔光栏H 及扩束镜T 。扩束镜T 可以使激光束扩束。小孔光栏H 是为调节光束使之垂直入射在M 1、M 2镜上时用的。另外,为了测量空气折射率,在一支光路中加入一个玻璃气室,其长度为L 。气压表用来测量气室内气压。在O 处用毛玻璃作接收屏,在它上面可看到干涉条纹。 (二)测量方法 图2 测量空气折射率实验装置示意图 气压表

用迈克尔逊干涉仪测量激光波长

用迈克尔逊干涉仪测量激光波长 〔引课:〕 在大学物理中我们学习了光的薄膜干涉,知道薄膜干涉现象分为两种: 在物理课上,我们只是从理论上研究了薄膜干涉的原理,那么在实验课上我们通过什么方法获得等倾或等厚干涉的图像呢? ***************************** 迈克尔逊干涉仪 ***************************** ***注意*** 本实验只利用迈克尔逊干涉仪测量等倾干涉图像 〔正课:〕 实验目的与要求 迈克尔逊干涉仪的构造 迈克尔逊干涉仪的原理 迈克尔逊干涉仪的使用 实验原理 1.迈克尔逊干涉仪的构造 等厚干涉等倾干涉

2.迈克尔逊干涉仪的原理 (1) 光路图 图30—2 迈克尔逊干涉仪光路图 光源S发出的光到达分光板 1 G后,被分成振幅(强度)几乎相等的反射光(1)和透射光(2)。光束(1)向着 1 M前进,光束(2)经过 2 G后向着 2 M前进,这两束光分别在 1 M和2 M上反射后逆着各自的入射方向返回,最后到达光屏E。由于这两束光是来自同一光源S的同一束光,因此他们是两列相干光束,在E 处必有干涉图样形成。

(2) 光程差的计算 1M 和2M ˊ平行时(1M ⊥ 2M ),将观察屏垂直置于S 1和S 2ˊ连线处,就可以观察到等倾干涉圆环条纹。由于1M 和2M ˊ之间 为空气,折射率n =1,故光程差 θδcos 2d =。 并且有: θδcos 2d == ?? ? ? ?----+--------暗条纹明条纹λλ)2/1(k k ( k=0、1、2…) 对光程差δ作进一步的分析: 图30—4 非定域等倾干涉

迈克尔逊干涉仪实验报告

迈克尔逊干涉仪实验报告 一、实验题目:迈克尔逊干涉仪 二、实验目的: 1. 了解迈克尔逊干涉仪的结构、原理和调节方法; 2. 观察等倾干涉、等厚干涉现象; 3. 利用迈克尔逊干涉仪测量He-Ne激光器的波长; 三、实验仪器: 迈克尔逊干涉仪、He-Ne激光器、扩束镜、观察屏、小孔光阑四、实验原理(原理图、公式推导和文字说明): 在图M 2′是镜子M 2 经A面反射所成的虚像。调整好的迈克尔逊干涉仪,在 标准状态下M 1、M 2 ′互相平行,设其间距为d.。用凸透镜会聚后的点光源S是 一个很强的单色光源,其光线经M 1、M 2 反射后的光束等效于两个虚光源S 1 、S 2 ′ 发出的相干光束,而S 1、S 2 ′的间距为M 1 、M 2 ′的间距的两倍,即2d。虚光源 S 1、S 2 ′发出的球面波将在它们相遇的空间处处相干,呈现非定域干涉现象,其 干涉花纹在空间不同的位置将可能是圆形环纹、椭圆形环纹或弧形的干涉条纹。 通常将观察屏F安放在垂直于S 1、S 2 ′的连线方位,屏至S 2 ′的距离为R,屏上 干涉花纹为一组同心的圆环,圆心为O。 设S 1、S 2 ′至观察屏上一点P的光程差为δ,则 )1 /) (4 1 ( ) 2 ( 2 2 2 2 2 2 2 2 2 - + + + ? + = + - + + = r R d Rd r R r R r d R δ (1) 一般情况下d R>>,则利用二项式定理并忽略d的高次项,于是有

??? ? ??+++=? ??? ??+-++?+=)(12)(816)(2)(4222 22222222222 2 r R R dr r R dR r R d R r R d Rd r R δ (2) 所以 )sin 1(cos 22θθδR d d + = (3) 由式(3)可知: 1. 0=θ,此时光程差最大,d 2=δ,即圆心所对应的干涉级最高。旋转微调鼓轮使M 1移动,若使d 增加时,可以看到圆环一个个地从中心冒出,而后往外扩张;若使d 减小时,圆环逐渐收缩,最后消失在中心处。每“冒出”(或“消失”)一个圆环,相当于S 1、S 2′的距离变化了一个波长λ大小。如若“冒出”(或“消失”)的圆环数目为N ,则相应的M 1镜将移动Δd ,显然: N d /2?=λ (4) 从仪器上读出Δd 并数出相应的N ,光波波长即能通过式(4)计算出来。 2. 对于较大的d 值,光程差δ每改变一个波长所需的θ的改变量将减小,即两相邻的环纹之间的间隔变小,所以,增大d 时,干涉环纹将变密变细。 五、实验步骤 六、实验数据处理(整理表格、计算过程、结论、误差分析): m m 105-5?=?仪 N=30

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