PASCO物理组合实验系列 高级光学组合实验 (平台部分) 叶庆好编译 上海交通大学物理实验中心
PASCO 物理组合实验系列 高级光学组合实验 (平台部分) 叶庆好编译 上海交通大学物理实验中心
目录 引言…1 设备介绍…2 实验原理… …4 安装与操作… …6 干涉仪使用技巧… …8 实验1：干涉测量法入门… …10 实验2：空气的折射率… …12 实验3：玻璃的折射率… …14 附加实验的建议…I6
目 录 引言……………………………………………………………………1 设备介绍………………………………………………………………2 实验原理………………………………………………………………4 安装与操作……………………………………………………………6 干涉仪使用技巧………………………………………………………8 实验 1：干涉测量法入门……………………………………………10 实验 2：空气的折射率………………………………………………12 实验 3：玻璃的折射率………………………………………………14 附加实验的建议 ……………………………………………………16
引言 OS一9255A精密干涉仪从理论与实践两方面介绍有关的干涉的知识，可以以三种不同 的方式进行精密测量。 迈克耳逊(Michelson)干涉仪 迈克耳逊干涉仪在历史上具有一定的重要性。迈克耳逊干涉仪以其简单的结构揭示了干 涉仪的基本原理，可用来测量光的波长、空气和其它物质的折射率。 特外曼-格临（Twyman-Green)干涉仪 特外曼-格临干涉仪是现代重要的光学元件测试工具。它使得制造精度为零点几个光波 长的光学系统成为可能。 注意：PSCO精密干涉仪没有设计用特外曼-格临方式来测试实际元件，它仅仅简单介绍了 这种干涉测量法的重要应用。 法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪 法布里-珀罗干涉仪也是现代重要的工具，它常用于高分辨率的光谱测量中。由于它的 条纹比迈克耳逊干涉仪的条纹更锐利、更细长，其分布在空间也展的更宽，所以能精确地分 辨波长的微小差别。法布里-珀罗干涉仪在激光理论中也很重要，因为它提供了光放大所需 的谐振腔。 这三种工作方式的转换和元部件的调整比较简单，因为所有的反射镜是用卡片螺丝安装 在基座的固定位置上，透镜、观察屏和其它元件则使用元件支架利用磁性吸附安装在基座上。 这三种工作方式的测量都是精确的。一个重5kg的机制铝基座为实验和测量提供了稳定 的平台。所有反射镜的平整度为1/4波长，内置测微计使反射镜移动的精度小于一微米
引言 OS—9255A 精密干涉仪从理论与实践两方面介绍有关的干涉的知识，可以以三种不同 的方式进行精密测量。 迈克耳逊（Michelson）干涉仪 迈克耳逊干涉仪在历史上具有一定的重要性。迈克耳逊干涉仪以其简单的结构揭示了干 涉仪的基本原理，可用来测量光的波长、空气和其它物质的折射率。 特外曼-格临（Twyman-Green）干涉仪 特外曼-格临干涉仪是现代重要的光学元件测试工具。它使得制造精度为零点几个光波 长的光学系统成为可能。 注意：PASCO 精密干涉仪没有设计用特外曼-格临方式来测试实际元件，它仅仅简单介绍了 这种干涉测量法的重要应用。 法布里-珀罗（Fabry-Perot）干涉仪 法布里-珀罗干涉仪也是现代重要的工具，它常用于高分辨率的光谱测量中。由于它的 条纹比迈克耳逊干涉仪的条纹更锐利、更细长，其分布在空间也展的更宽，所以能精确地分 辨波长的微小差别。法布里-珀罗干涉仪在激光理论中也很重要，因为它提供了光放大所需 的谐振腔。 这三种工作方式的转换和元部件的调整比较简单，因为所有的反射镜是用卡片螺丝安装 在基座的固定位置上，透镜、观察屏和其它元件则使用元件支架利用磁性吸附安装在基座上。 这三种工作方式的测量都是精确的。一个重 5kg 的机制铝基座为实验和测量提供了稳定 的平台。所有反射镜的平整度为 1/4 波长，内置测微计使反射镜移动的精度小于一微米。 1
设备介绍 OS-9255A精密干涉仪包括下列设备： 5kg重内置测微计的基座 2个元件支架 可调反射镜 观察屏 可移动反射镜 焦距为18mm的透镜 分束器 漫射体 补偿板 元部件储藏箱 其它需要的设备： 激光器0S-9171) 激光器光具座(OS-9172) 注意：以上列出了组成基本迈克耳逊干涉仪所需的全部设备，使用这些设备可以得到清晰的 条纹，并精确测量光源的波长。然而，为做本手册所列的全部实验，还需要一些附加元部件， 例如OS-9256A干涉仪附件或类似的一套自备元部件。 其它推荐的设备： OS-9256A干涉仪附件包括： 旋转指针 焦距为48mm的透镜 真空室 玻璃平板 元件支架 2个偏振片 焦距为18mm的透镜 带量表的真空泵 注意：OS-9255A元部件储藏箱可以储藏这些附件。 光源 建议在多数入门实验中使用激光器为光源。 实验中可以使用谱光光源（见附录），但会使实 验复杂化。使用激光容易产生明亮细锐的条纹。 可使用任何低功率的可见光范围内的激光 器。如果要证明偏振在干涉测量中的重要性，应 0S-9172 该使用非偏振的激光器。为便于准直，激光束应 Laser Alignment Bench 高于光具座面约4cm。 2
设备介绍 OS-9255A 精密干涉仪包括下列设备： 5kg 重内置测微计的基座 可调反射镜 可移动反射镜 分束器 补偿板 2 个元件支架 观察屏 焦距为 18mm 的透镜 漫射体 元部件储藏箱 其它需要的设备： 激光器(OS-9171) 激光器光具座（OS-9172） 注意：以上列出了组成基本迈克耳逊干涉仪所需的全部设备，使用这些设备可以得到清晰的 条纹，并精确测量光源的波长。然而，为做本手册所列的全部实验，还需要一些附加元部件， 例如 OS-9256A 干涉仪附件或类似的一套自备元部件。 其它推荐的设备： OS-9256A 干涉仪附件包括： 旋转指针 真空室 元件支架 焦距为 18mm 的透镜 焦距为 48mm 的透镜 玻璃平板 2 个偏振片 带量表的真空泵 注意：OS-9255A 元部件储藏箱可以储藏这些附件。 光源 建议在多数入门实验中使用激光器为光源。 实验中可以使用谱光光源（见附录），但会使实 验复杂化。使用激光容易产生明亮细锐的条纹。 可使用任何低功率的可见光范围内的激光 器。如果要证明偏振在干涉测量中的重要性，应 该使用非偏振的激光器。为便于准直，激光束应 高于光具座面约 4cm。 2
Adjustable Mirror X⊙⊙Filled Case (o(c)io ⊙@oO Viewing Screen Beam Splitter Movable s (2)Co Mirroe Compensator Plate 0S-9255A Precision Interferometer Lens 18mm Component Hiolder Base Lens 48 mm 0S-9256A (2)Polanzer Interferometer Accessories Glass Plate Vacuum Pump with Gauge Vacuum Cell 3
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实验原理 干涉原理 一束光可以被视作为振动的电磁波。当两束或更多束光在空间相遇时，根据叠加原理， 这些场叠加起来。也就是说在空间每一点，其电磁场是由在该点的各光束电磁场的矢量之和 决定。 如果每束光都来自不同的光源，则各光束电磁振动之间通常不存在固定的联系，任一时 刻空间都有一些点的场强被叠加至最大。然而可见光的振动频率大大快于人眼的响应，由于 电磁波的振动之间没有固定关系，某一时刻场强最大的一点，在下一时刻可能场强最小，人 眼平均了这些结果而看到一个统一的光强。 如果各光束来自同一光源，则各光束电磁振动频率和相位之间通常存在一定程度的关 联。若空间某点各光束的光一直是同相的，则叠加场总是最大，将看到一个亮点。而在空间 的其它点，各光束的光一直是反相的，则叠加场总是最小，被看到一个暗点。 托马斯·杨是最早设计产生干涉图案的人之一。他让一窄光束入射在两个相邻近的狭缝 上，在狭缝后面放置一个观察屏，在屏上出现了明暗相间的规则图案。杨氏实验为光的波动 特性提供了重要的证据。 杨氏狭缝可被当作一个简单的干涉仪。如果己知狭缝间距，可利用亮暗条纹的间距来测 定光的波长。反之，如果己知光的波长，可由干涉图案测得狭缝间距。 迈克耳逊干涉仪 1881年，杨氏进行双缝实验78年后，迈克耳逊设计制造了一台类似原理的干涉仪。起 初迈克耳逊设计这一干涉仪是为了测量以太（一种假设的光传播介质）是否存在，部分由于 他的努力，以太被证明是不存在的。此后，迈克耳逊干涉仪被广泛地用于测量光的波长，或 己知光源波长测量微小位移，以及研究光学介质。 图1是迈克耳逊干涉仪的示意图， ViewingScreen 来自激光器的光束入射到分束器后， 50%的入射光被反射，另50%透过分束 Beam Compensator Splitter Plate 器，入射光束被分成两束，透射束射向 可移动的反射镜(M1),反射束射向固 Lens Movable Mirro 定的反射镜(M),这两个反射镜将光 M,) 束直接反射回分束器，来自M的光被分 束器反射至观察屏，来自M2的光透过分 束器射向观察屏。 Adjustable Mirror (M) 被分束的光再汇合，由于光束来自 同一光源，它们的相位有很强的关联。 Figure 1.Michelson Interferometer 这时若在激光器与分束器之间放置一个透镜使光扩束，就 可以在观察屏上看到明暗相间的干涉圆环或条纹（图2）。 由于两干涉光束是由一束光分束得到，它们具有相同 的初始相位，因而在观察屏上任一相遇点的相对相位取决 于它们到达该点的光程差。 通过移动M可以改变其中一束的光程。由于光在M1 和分束器之间走了一个来回，将M移向分束器1/4波长， Figure 2.Fringes
实验原理 干涉原理 一束光可以被视作为振动的电磁波。当两束或更多束光在空间相遇时，根据叠加原理， 这些场叠加起来。也就是说在空间每一点，其电磁场是由在该点的各光束电磁场的矢量之和 决定。 如果每束光都来自不同的光源，则各光束电磁振动之间通常不存在固定的联系，任一时 刻空间都有一些点的场强被叠加至最大。然而可见光的振动频率大大快于人眼的响应，由于 电磁波的振动之间没有固定关系，某一时刻场强最大的一点，在下一时刻可能场强最小，人 眼平均了这些结果而看到一个统一的光强。 如果各光束来自同一光源，则各光束电磁振动频率和相位之间通常存在一定程度的关 联。若空间某点各光束的光一直是同相的，则叠加场总是最大，将看到一个亮点。而在空间 的其它点，各光束的光一直是反相的，则叠加场总是最小，被看到一个暗点。 托马斯·杨是最早设计产生干涉图案的人之一。他让一窄光束入射在两个相邻近的狭缝 上，在狭缝后面放置一个观察屏，在屏上出现了明暗相间的规则图案。杨氏实验为光的波动 特性提供了重要的证据。 杨氏狭缝可被当作一个简单的干涉仪。如果已知狭缝间距，可利用亮暗条纹的间距来测 定光的波长。反之，如果已知光的波长，可由干涉图案测得狭缝间距。 迈克耳逊干涉仪 1881 年，杨氏进行双缝实验 78 年后，迈克耳逊设计制造了一台类似原理的干涉仪。起 初迈克耳逊设计这一干涉仪是为了测量以太（一种假设的光传播介质）是否存在，部分由于 他的努力，以太被证明是不存在的。此后，迈克耳逊干涉仪被广泛地用于测量光的波长，或 已知光源波长测量微小位移，以及研究光学介质。 图 1 是迈克耳逊干涉仪的示意图， 来自激光器的光束入射到分束器后， 50%的入射光被反射，另 50%透过分束 器，入射光束被分成两束，透射束射向 可移动的反射镜（M1），反射束射向固 定的反射镜（M2），这两个反射镜将光 束直接反射回分束器，来自M1的光被分 束器反射至观察屏，来自M2的光透过分 束器射向观察屏。 被分束的光再汇合，由于光束来自 同一光源，它们的相位有很强的关联。 这时若在激光器与分束器之间放置一个透镜使光扩束，就 可以在观察屏上看到明暗相间的干涉圆环或条纹（图 2）。 由于两干涉光束是由一束光分束得到，它们具有相同 的初始相位，因而在观察屏上任一相遇点的相对相位取决 于它们到达该点的光程差。 通过移动M1可以改变其中一束的光程。由于光在M1 和分束器之间走了一个来回，将M1移向分束器 1/4 波长， 4
光程将减少1/2个波长。干涉图案也随之改变，亮环的半径会减小，并占据以前暗环所在的 位置。如果M再向分束器移动14波长，亮环半径将再次减小，亮环和暗环再次交换位置， 这种新的分布与原来的图案完全一样。 将反射镜缓慢移动一段可测量的距离dm,数得条纹图案恢复到原先状态的次数m,则可 计算光的波长： 2d = m 如果已知光的波长，可以用同样的方法来测量dm。 注意：补偿板的使用 在图1中，注意到一束光仅通过分束器的玻璃一次，而另一束光通过它三次。假如使用 类似激光这样的高相干单色光源，这没有问题。但使用其它光源则另当别论了。 被分开的两束光的有效光程差增加了，从而降低了在观察屏位置光束间的相干性，这会 使干涉图案变模糊。 补偿片与分束器相同，仅仅是没有反射涂层。光路中插入补偿器后（图1），两束光通 过相同厚度的玻璃，从而消除了这个问题。 特外曼一格临干涉仪 特外曼-格临干涉仪是迈克耳逊干涉仪的一种变化，用来测试光学元器件。将透镜放置 在光路上，使一束干涉光经过该测试透镜，透镜的任何不规则都可从干涉图案的结果中检测 出，尤其是球差、慧差和象散在干涉图案中表现出特殊的变化。 Partial Mirrors Movable 5a… 4i: :72÷=1 k:2 ”88- 大 03: Screen Figure 3.Twyman-Green Interferometer Figure 4.Fabry-Perot Interferometer 法布里一珀罗干涉仪 在法布里珀罗干涉仪中，两面反射镜平行并列放置，组成一个反射腔。进入腔内的光 在腔内被来回反射（图4），每次反射都会有一部分光被透射，由此入射光束被分束成一系 列光束。由于透射光束是从一条入射光束分束出来，因此它们之间有固定的相位关系（假定 使用高度相干的光源)。 各透射光束之间的相位关系取决于光束进入反射腔的入射角和两面反射镜的间距。得到 的圆环干涉图案与迈克耳逊干涉图案相似，但条纹更细、更亮，其分布在空间也展的更宽。 法布里-珀罗条纹的细锐使得它成为高分辨率光谱测定的有用工具。 类似于迈克耳逊干涉仪，当可移动反射镜相对固定反射镜移动时，干涉条纹会移动。当 移动距离等于光源波长的12时，新的干涉图案与原图案一样
光程将减少 1/2 个波长。干涉图案也随之改变，亮环的半径会减小，并占据以前暗环所在的 位置。如果M1再向分束器移动 1/4 波长，亮环半径将再次减小，亮环和暗环再次交换位置， 这种新的分布与原来的图案完全一样。 将反射镜缓慢移动一段可测量的距离dm，数得条纹图案恢复到原先状态的次数m，则可 计算光的波长： m d m 2 λ = 如果已知光的波长，可以用同样的方法来测量dm。 注意：补偿板的使用 在图 1 中，注意到一束光仅通过分束器的玻璃一次，而另一束光通过它三次。假如使用 类似激光这样的高相干单色光源，这没有问题。但使用其它光源则另当别论了。 被分开的两束光的有效光程差增加了，从而降低了在观察屏位置光束间的相干性，这会 使干涉图案变模糊。 补偿片与分束器相同，仅仅是没有反射涂层。光路中插入补偿器后（图 1），两束光通 过相同厚度的玻璃，从而消除了这个问题。 特外曼-格临干涉仪 特外曼-格临干涉仪是迈克耳逊干涉仪的一种变化，用来测试光学元器件。将透镜放置 在光路上，使一束干涉光经过该测试透镜，透镜的任何不规则都可从干涉图案的结果中检测 出，尤其是球差、慧差和象散在干涉图案中表现出特殊的变化。 法布里-珀罗干涉仪 在法布里-珀罗干涉仪中，两面反射镜平行并列放置，组成一个反射腔。进入腔内的光 在腔内被来回反射（图 4），每次反射都会有一部分光被透射，由此入射光束被分束成一系 列光束。由于透射光束是从一条入射光束分束出来，因此它们之间有固定的相位关系（假定 使用高度相干的光源）。 各透射光束之间的相位关系取决于光束进入反射腔的入射角和两面反射镜的间距。得到 的圆环干涉图案与迈克耳逊干涉图案相似，但条纹更细、更亮，其分布在空间也展的更宽。 法布里-珀罗条纹的细锐使得它成为高分辨率光谱测定的有用工具。 类似于迈克耳逊干涉仪，当可移动反射镜相对固定反射镜移动时，干涉条纹会移动。当 移动距离等于光源波长的 1/2 时，新的干涉图案与原图案一样。 5
安装与操作 激光器的调整 ·如果使用PASCO激光器和激光调整架，安装和调整过程如下。 ·如果使用其它激光器，调整过程类似。调整激光器使激光束应高于光具座面约4cm, 然后按下面第4和第5步调整。 ·如果使用谱光光源取代激光器，参照本书“附加实验的建议”部分。 安装和调整PASCO激光器： 1.把干涉仪基座放在实验桌上，测微计指示旋钮正对自己。 2.把激光器调整架放在基座的左侧，使两者尽可能垂直，把激光器放在调整架上。 3.把可移动的反射镜固定在干涉仪基座的凹槽内。 4.开启激光器，调整激光器调整架上调平螺丝的高度，使激光束基本平行于干涉仪基座面， 并入射在可移动反射镜的中央。（为检查光束与基底是否平行，可在光路上放一张纸， 纸片的一个边缘贴靠基座面，在纸片上标记光束的高度。使用这一纸片，检查光束在基 座两端的高度是否一样。) 5.调整激光器的X-Y位置，使得可移动反射镜反射的光束恰好返回激光器光阑小孔。沿垂 直与调整架轴线的横向轻轻移动激光器的后端，即可容易地使反射光束返回激光器小孔 (如图5)。 接下来可安装三种工作方式中的任何一种干涉仪。 注意：为了便于安装，各工作方式中个别元件的放置位置在标签上都有标明。 迈克耳逊方式 1.如前所述，调整激光器与干涉仪基座。激 Component holder Interierometer base 光光束应基本上与基座面平行，且射到可 移动平面镜的中央，反射光束应返回激光 IEINe INTERFERODE 器的光阑小孔。 Viewing screen Compensator (optona! 2.把可调反射镜安装在干涉仪基座上，将一 个元件支架置于激光器前，另一个元件支 架相对于可调反射镜放置，并吸附上观察 屏，如图6。 3.将分束器与激光束成45°角放置，使激光 holder 束被反射至可调固定反射镜。调整分束器 Lens 18mm FL 角度，使反射光束射在固定反射镜的中央。 4.此时观察屏上应有两组光点，一组来自固 定反射镜，另一组来自可移动反射镜。每 Thumbscrews 组光点都包括一个亮点和两个或更多的次 亮点（由多次反射形成）。调整分束器的角 度，使两组亮点尽可能靠拢在一起，然后 拧紧螺丝固定住分光镜。 5.使用可调反射镜背面的螺丝，调整反射镜 Figure 6.Michelson Mode Setup 的倾斜，直到观察屏上的两组光点重合
安装与操作 激光器的调整 ·如果使用 PASCO 激光器和激光调整架，安装和调整过程如下。 ·如果使用其它激光器，调整过程类似。调整激光器使激光束应高于光具座面约 4cm， 然后按下面第 4 和第 5 步调整。 ·如果使用谱光光源取代激光器，参照本书“附加实验的建议”部分。 安装和调整 PASCO 激光器： 1． 把干涉仪基座放在实验桌上，测微计指示旋钮正对自己。 2． 把激光器调整架放在基座的左侧，使两者尽可能垂直，把激光器放在调整架上。 3． 把可移动的反射镜固定在干涉仪基座的凹槽内。 4． 开启激光器，调整激光器调整架上调平螺丝的高度，使激光束基本平行于干涉仪基座面， 并入射在可移动反射镜的中央。（为检查光束与基底是否平行，可在光路上放一张纸， 纸片的一个边缘贴靠基座面，在纸片上标记光束的高度。使用这一纸片，检查光束在基 座两端的高度是否一样。） 5． 调整激光器的 X-Y 位置，使得可移动反射镜反射的光束恰好返回激光器光阑小孔。沿垂 直与调整架轴线的横向轻轻移动激光器的后端，即可容易地使反射光束返回激光器小孔 （如图 5）。 接下来可安装三种工作方式中的任何一种干涉仪。 注意：为了便于安装，各工作方式中个别元件的放置位置在标签上都有标明。 迈克耳逊方式 1． 如前所述，调整激光器与干涉仪基座。激 光光束应基本上与基座面平行，且射到可 移动平面镜的中央，反射光束应返回激光 器的光阑小孔。 2． 把可调反射镜安装在干涉仪基座上，将一 个元件支架置于激光器前，另一个元件支 架相对于可调反射镜放置，并吸附上观察 屏，如图 6。 3． 将分束器与激光束成 45°角放置，使激光 束被反射至可调固定反射镜。调整分束器 角度，使反射光束射在固定反射镜的中央。 4． 此时观察屏上应有两组光点，一组来自固 定反射镜，另一组来自可移动反射镜。每 组光点都包括一个亮点和两个或更多的次 亮点（由多次反射形成）。调整分束器的角 度，使两组亮点尽可能靠拢在一起，然后 拧紧螺丝固定住分光镜。 5． 使用可调反射镜背面的螺丝，调整反射镜 的倾斜，直到观察屏上的两组光点重合。 6
6.使用激光光源时，产生干涉条纹并不需要补偿板。然而，如果希望使用补偿板，则安装 时使它与分束器垂直，如图所示。 7.在激光器前的元件支架上吸附焦距为18mm的透镜（如图），调整其位置使得发散的激 光束射到分束器的中央。此时可以在观察屏上看到干涉圆环条纹。如果没有出现条纹， 则仔细调节可调反射镜的倾斜，直到出现干涉条纹。 8.如果在得到条纹的过程中问题，则可参照本节最后部分一问题解答。 特外曼格临方式 1.如上所述安装迈克耳逊方式的干涉仪。 2.把指针从旋转元件支架上取走（和垫圈、螺丝一起放入元部件储藏箱）。在分束器和可 移动反射镜之间利用磁性吸附一个元件支架（图7），将另一个焦距为18mm的透镜(L2) 吸附在元件支架上。 3.拿开激光器前的第一个透镜L),查看观察屏上的两组光点，一组来自可移动反射镜， 另一组来自可调整反射镜。调整L2的位置，使得两组光点大小相同。 4.调整可调反射镜的倾斜，使得两组光点重合。 5.重新在激光器前安放透镜L1,将观察屏移至离干涉仪基座边缘至少30cm远处，这时在 观察屏上应出现干涉条纹。若不出现条纹，则微调L,。可用一张白纸或纸板代替观察屏， 用焦距为48mm的凸透镜放大条纹的投影。 Lens Adjustablemirror 18mm FL Movablemirror INTERFERORETER 5 Rotational componenthoider oaeer Figure 7.Twyman-Green Mode Setup Figure 8.Fabry-Perot Mode Setup 法布里一珀罗方式 1.调整激光器和干涉仪基。激光光束应基本上与基座面平行，且射到可移动平面镜的中央， 反射光束应返回激光器的光阑小孔。 2.如图8所示，在干涉仪基座上安装可调反射镜，在可移动反射镜前安装一个元件支架。 3.在可移动反射镜后面安装另一个元件支架，并在元件支架上吸附观察屏，此时可在观察 屏上看到激光束的一些光点。 4.旋转螺丝调整可调反射镜的倾斜，使得观察屏上只有一个亮点。 在前面的元件支架上安装一个焦距为18mm的透镜，在观察屏上可以看到清晰尖锐的千涉 条纹图象。若使用含有两种波长成分的光代替激光，在观察屏上可以区分出两组干涉条纹。 >
6． 使用激光光源时，产生干涉条纹并不需要补偿板。然而，如果希望使用补偿板，则安装 时使它与分束器垂直，如图所示。 7． 在激光器前的元件支架上吸附焦距为 18mm 的透镜（如图），调整其位置使得发散的激 光束射到分束器的中央。此时可以在观察屏上看到干涉圆环条纹。如果没有出现条纹， 则仔细调节可调反射镜的倾斜，直到出现干涉条纹。 8． 如果在得到条纹的过程中问题，则可参照本节最后部分——问题解答。 特外曼-格临方式 1． 如上所述安装迈克耳逊方式的干涉仪。 2． 把指针从旋转元件支架上取走（和垫圈、螺丝一起放入元部件储藏箱）。在分束器和可 移动反射镜之间利用磁性吸附一个元件支架（图 7），将另一个焦距为 18mm的透镜(L2) 吸附在元件支架上。 3． 拿开激光器前的第一个透镜(L1)，查看观察屏上的两组光点，一组来自可移动反射镜， 另一组来自可调整反射镜。调整L2的位置，使得两组光点大小相同。 4． 调整可调反射镜的倾斜，使得两组光点重合。 5． 重新在激光器前安放透镜L1，将观察屏移至离干涉仪基座边缘至少 30cm远处，这时在 观察屏上应出现干涉条纹。若不出现条纹，则微调L1。可用一张白纸或纸板代替观察屏， 用焦距为 48mm的凸透镜放大条纹的投影。 法布里-珀罗方式 1． 调整激光器和干涉仪基。激光光束应基本上与基座面平行，且射到可移动平面镜的中央， 反射光束应返回激光器的光阑小孔。 2． 如图 8 所示，在干涉仪基座上安装可调反射镜，在可移动反射镜前安装一个元件支架。 3． 在可移动反射镜后面安装另一个元件支架，并在元件支架上吸附观察屏，此时可在观察 屏上看到激光束的一些光点。 4． 旋转螺丝调整可调反射镜的倾斜，使得观察屏上只有一个亮点。 在前面的元件支架上安装一个焦距为 18mm 的透镜，在观察屏上可以看到清晰尖锐的干涉 条纹图象。若使用含有两种波长成分的光代替激光，在观察屏上可以区分出两组干涉条纹。 7
干涉仪使用技巧 条纹的准确计数 以下方法有助于精确测量。 1.干涉图案不必完美对称或细锐，只要能清楚地区分出条纹光强的最大值和最小值，就能 进行精确的测量。 2.数条纹时容易数错，以下方法会有帮助。调整固定反射镜背后 的螺丝使干涉图案位于观察屏的中央，在毫米刻度上选一条参 考线，使其对准最大值和最小值间的分界线（图9）。旋转测 微计直到下一个最大值和最小值间的分界线到达原分界线的 位置（条纹图案看上去没有变化），这样就数过了一条条纹。 3.旋转测微计数条纹时，在开始计数之前先将测微计转一圈，随 后继续顺同样的方向旋转测微计并计数。这样可以几乎完全消 除测微计的回程间隙所引起的误差。回程间隙是改变机械仪器 Figure 9. Counting Fringes 运动方向时总会发生的细微滑动。顺时针旋转测微计使可移动 反射镜右移，逆时针旋转测微计使反射镜左移。PA$CO测微计的设计使回程间隙减到 最小，然而使用上述方法，几乎可以消除实验中回程间隙带来的所有影响。 4.多次读数取平均来提高精度。 5.测微计底部的滑动环是用来调整转盘的张力。在测量之前，要确定张力调整至控制反射 镜移动的最佳状态。 测微计的校准 为了更精确测量反射镜的移动，可使用激光来校准测微计。安装迈克耳逊或法布里珀 罗方式的干涉仪。旋转测微计旋钮，数过至少20条条纹，注意测微计读数的变化，记下这 个数值d。实际反射镜的移动距离d等于Nλ2，在此λ是已知的光波长（对于标准氢氖激 光是0.6328μm),N是条纹的计数。在以后的测量中，用d/d'乘测微计的读数，可得到更 精确的测量结果。 注意：也可用机械方法校准测微计，其步骤不难。但为了得到最精确的结果，仍然推荐上述 的方法。 演示 PASCO干涉仪不是为大型演示而设计的，但对于小型演示，可使用焦距为48mm的透 镜（包括在干涉仪附件中）放大条纹图案并将它投影到墙壁或屏幕上。对于大型投影应使用 大功率的激光器。 使用漫射体 有时用漫射体比观察屏更容易观察干涉图象。把漫射体放在观察屏的通常位置，并通过 漫射体朝干涉仪方向观察。 实验误差的来源 回程间隙一虽然PA$CO仔细设计反射镜的移动一定程度减小回程间隙，但每个机械系统总 有回程间隙。然而当计数条纹时，使用适当的方法几乎可以消除回程间隙的影响（见“条纹 的准确计数”第3条)
干涉仪使用技巧 条纹的准确计数 以下方法有助于精确测量。 1． 干涉图案不必完美对称或细锐，只要能清楚地区分出条纹光强的最大值和最小值，就能 进行精确的测量。 2． 数条纹时容易数错，以下方法会有帮助。调整固定反射镜背后 的螺丝使干涉图案位于观察屏的中央，在毫米刻度上选一条参 考线，使其对准最大值和最小值间的分界线（图 9）。旋转测 微计直到下一个最大值和最小值间的分界线到达原分界线的 位置（条纹图案看上去没有变化），这样就数过了一条条纹。 3． 旋转测微计数条纹时，在开始计数之前先将测微计转一圈，随 后继续顺同样的方向旋转测微计并计数。这样可以几乎完全消 除测微计的回程间隙所引起的误差。回程间隙是改变机械仪器 运动方向时总会发生的细微滑动。顺时针旋转测微计使可移动 反射镜右移，逆时针旋转测微计使反射镜左移。PASCO 测微计的设计使回程间隙减到 最小，然而使用上述方法，几乎可以消除实验中回程间隙带来的所有影响。 4． 多次读数取平均来提高精度。 5． 测微计底部的滑动环是用来调整转盘的张力。在测量之前，要确定张力调整至控制反射 镜移动的最佳状态。 测微计的校准 为了更精确测量反射镜的移动，可使用激光来校准测微计。安装迈克耳逊或法布里-珀 罗方式的干涉仪。旋转测微计旋钮，数过至少 20 条条纹，注意测微计读数的变化，记下这 个数值 d'。实际反射镜的移动距离 d 等于 Nλ/2，在此λ是已知的光波长（对于标准氦氖激 光是 0.6328μm），N 是条纹的计数。在以后的测量中，用 d/d'乘测微计的读数，可得到更 精确的测量结果。 注意：也可用机械方法校准测微计，其步骤不难。但为了得到最精确的结果，仍然推荐上述 的方法。 演示 PASCO 干涉仪不是为大型演示而设计的，但对于小型演示，可使用焦距为 48mm 的透 镜（包括在干涉仪附件中）放大条纹图案并将它投影到墙壁或屏幕上。对于大型投影应使用 大功率的激光器。 使用漫射体 有时用漫射体比观察屏更容易观察干涉图象。把漫射体放在观察屏的通常位置，并通过 漫射体朝干涉仪方向观察。 实验误差的来源 回程间隙—虽然 PASCO 仔细设计反射镜的移动一定程度减小回程间隙，但每个机械系统总 有回程间隙。然而当计数条纹时，使用适当的方法几乎可以消除回程间隙的影响（见“条纹 的准确计数”第 3 条）。 8