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: 等厚干涉 等倾干涉 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:) 陕验目的与要求 园克尔逊干涉仪的构週 远克尔逊干涉仪的原理 克尔逊干涉仪的使用
用迈克尔逊干涉仪测量激光波长 1 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 等厚干涉 等倾干涉
用迈克尔逊干涉仪测量激光波长 实验原理 1.迈克尔逊干涉仪的构造 补偿板 MI 分光板 主尺 小 轮 2.迈克尔逊干涉仪的原理 (1)光路图 光源S发出的光到 振幅(强度)几乎相等 的反射光(1)和透射 光(2)。光束(1)向 半透展 着M1前进,光束(2) 经过G2后向着M2前 进,这两束光分别在 M1和M2上反射后逆 着各自的入射方向返 回,最后到达光屏 由于这两束光是来自 (1) 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 图30—2迈克尔逊干涉仪光路图
用迈克尔逊干涉仪测量激光波长 2 实验原理 1. 迈克尔逊干涉仪的构造 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 G1 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 M1 前进，光束（2） 经 过 G2 后向着 M 2 前 进，这两束光分别在 M1 和 M 2 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
用迈克尔逊干涉仪测量激光波长 (1) 由于光在分光板G的 第二面反射,使M,在M 半透 附近形成以平行与M,的 虚像M,′,因而光在迈克 尔逊干涉仪中自 的反射就相当于 M2的 和M,′的反射。故迈克尔 逊干涉仪产生的干涉等效 于M,和M,′所构成的 虚光板产生的干涉,即相 当于厚度为d的空气薄膜 所产生的干涉。 (2)光程差的计算 和M2平行时(M1⊥M2) 将观察屏垂直置于S,和S,连线 处,就可以观察到等倾干涉圆环条 纹。由于M1和M2之间为空气 折射率n=1,故光程差δ=2a 图30-4非定域等倾干涉 并且有 明条纹 (k+1/2)λ----暗条纹
用迈克尔逊干涉仪测量激光波长 3 (2) 光程差的计算 当 M1 和 M2 ˊ平行时（ M1 ⊥ M2 ）， 将观察屏垂直置于 S 1 和 S 2 ˊ连线 处，就可以观察到等倾干涉圆环条 纹。由于 M1 和 M2 ˊ之间为空气， 折射率 n =1，故光程差 = 2d cos 。 并且有： = 2d cos = + − − − − − − − − − − − − 暗条纹 明条纹 (k 1/ 2) k （ k=0、1、2…） 图 30—2 迈克尔逊干涉仪光路图 由于光在分光板 G1 的 第二面反射，使 M 2 在 M1 附近形成以平行与 M1 的 虚像 M 2 ′，因而光在迈克 尔逊干 涉仪中 自 M1 和 M 2 的反射就相当于 M1 和 M 2 ′的反射。故迈克尔 逊干涉仪产生的干涉等效 于 M1 和 M 2 ′所构成的 虚光板产生的干涉，即相 当于厚度为 d 的空气薄膜 所产生的干涉。 图 30—4 非定域等倾干涉
用迈克尔逊干涉仪测量激光波长 对光程差δ作进一步的分析 当d一定时,δ之取决于入射角O。 例如:在0点处,0=0,δ=2d为最大值,中心处干涉条纹的级次k最大, 随着θ角的增大,干涉条纹的级次k逐渐减小。 对于具有相同角的各点,干涉条纹相同,故称这样的干涉为等倾干涉,干 涉条纹又称等倾角线。因此,等倾干涉条纹必然是以0点为圆心的明暗相间 的同心圆环。 当d增大时,要保持某一干涉条纹的级次k不变,必须使cosθ减小,即增大 0角,从而使得k级条纹从中心向外移动,在屏E上会看到干涉圆环一个个 从中心向外“吐出”的现象,并且圆环条纹逐渐变密,变细 当d减小时,在屏E上看到干涉圆环一个个从中心“吞入”的现象,并且圆 环条纹逐渐变疏,变粗 因此,移动平面镜M1,就会在观察屏E上看到干涉圆环吞吐的现象,当M1 移动λn2的距离,即d每改变λ2的距离,就会在观察屏上看到有一个圆环 条纹从中心“吞入”或“吐出”,也就是说,每当“吞入”或“吐出”一个 圆环条纹,M1就移动了半个波长,所以根据干涉圆环的吞吐就可以测量光 源的波长,这也就是干涉仪测量长度或长度变化的理论依据。只要数出圆环 吞入”或“吐出”的数目N,并且记录下M1移动的距离△d,就可以计 算出光源的波长,即:
用迈克尔逊干涉仪测量激光波长 4 对光程差 作进一步的分析： 当 d 一定时， 之取决于入射角θ。 例如：在 O 点处，θ=0， =2 d 为最大值，中心处干涉条纹的级次 k 最大， 随着θ角的增大，干涉条纹的级次 k 逐渐减小。 对于具有相同θ角的各点，干涉条纹相同，故称这样的干涉为等倾干涉，干 涉条纹又称等倾角线。因此，等倾干涉条纹必然是以 O 点为圆心的明暗相间 的同心圆环。 当 d 增大时，要保持某一干涉条纹的级次 k 不变，必须使 cos 减小，即增大 θ角，从而使得 k 级条纹从中心向外移动，在屏 E 上会看到干涉圆环一个个 从中心向外“吐出”的现象，并且圆环条纹逐渐变密，变细。 当 d 减小时，在屏 E 上看到干涉圆环一个个从中心“吞入”的现象，并且圆 环条纹逐渐变疏，变粗。 因此，移动平面镜 M1 ，就会在观察屏 E 上看到干涉圆环吞吐的现象，当 M1 移动λ/2 的距离，即 d 每改变λ/2 的距离，就会在观察屏上看到有一个圆环 条纹从中心“吞入”或“吐出”，也就是说，每当“吞入”或“吐出”一个 圆环条纹， M1 就移动了半个波长，所以根据干涉圆环的吞吐就可以测量光 源的波长，这也就是干涉仪测量长度或长度变化的理论依据。只要数出圆环 “吞入”或“吐出”的数目 N，并且记录下 M1 移动的距离Δ d ，就可以计 算出光源的波长，即： Δ d =N· 2 λ= N 2d
用迈克尔逊干涉仪测量激光波长 实验步 1.打开激光器,粗略调节迈克尔逊干涉仪与激光器大致处于同一水平高度,并使 其大致垂直,让激光束通过分光板、补偿板(注:最好射到中间位置)垂直入 射到平面镜M2上 2.将平面镜M1和M2背后的倾度粗调螺钉置于中间位置,再调节干涉仪的水平 调节螺母,使两平面镜反射的光点都处在激光器发射孔附近 3.用遮光罩遮住M1,调节M2背后的倾度粗调螺钉,使其反射的光点正好射回 激光器的发射孔中 4.把遮光罩换止M2,调节M1背后的倾度调节螺钉,使M反射的三个光点中 间的一个(最亮)射回激光器的发射孔,即M⊥M2 5.将扩束透镜放置在激光器与分光板之间的适当位置一一让透射光照射到分光 板上,在观察屏E的背面就可以观察到等倾干涉圆环条纹,这时的条纹可能 不够圆或者中心偏移,再调节M的倾度微调螺丝,使条纹变圆、居中 6.转动大轮使M1前后移动来改变d,观察等倾圆环条纹的变化规律并记录, 与大学物理中所学的理论进行比较; 增大d,使干涉圆环略细,转动小轮使中央亮斑最大,记下主尺、大轮、小 轮的读数d1,继续转动小轮,同时记下干涉环“吞入”或“吐出”的数目M, 般取№50,每隔50环记一次主尺、大轮、小轮的读数d,测9次; 8.在利用等倾干涉条纹测定l-№e激光波长的基础上,转动手轮,使环形条纹粗 而疏时即减小M1和M2′之间的距离,调节M2的倾度微调螺丝,让M与 M2′有一个很小夹角,继续转动手轮使弯曲条纹往圆心方向移动,在观察屏 上就会出现等厚干涉条纹,再改变M和M2′之间的距离,观察等厚干涉条 纹的变化规律并与大学物理中的理论进行比较说明
用迈克尔逊干涉仪测量激光波长 5 实验步骤 1. 打开激光器,粗略调节迈克尔逊干涉仪与激光器大致处于同一水平高度,并使 其大致垂直,让激光束通过分光板、补偿板（注：最好射到中间位置）垂直入 射到平面镜 M 2 上. 2. 将平面镜 M1 和 M 2 背后的倾度粗调螺钉置于中间位置，再调节干涉仪的水平 调节螺母，使两平面镜反射的光点都处在激光器发射孔附近； 3. 用遮光罩遮住 M1 ，调节 M 2 背后的倾度粗调螺钉，使其反射的光点正好射回 激光器的发射孔中 4. 把遮光罩换止 M 2 ，调节 M1 背后的倾度调节螺钉，使 M1 反射的三个光点中 间的一个（最亮）射回激光器的发射孔，即 M1 ⊥ M 2 ； 5. 将扩束透镜放置在激光器与分光板之间的适当位置——让透射光照射到分光 板上，在观察屏 E 的背面就可以观察到等倾干涉圆环条纹，这时的条纹可能 不够圆或者中心偏移，再调节 M 2 的倾度微调螺丝，使条纹变圆、居中； 6. 转动大轮使 M1 前后移动来改变 d ，观察等倾圆环条纹的变化规律并记录， 与大学物理中所学的理论进行比较； 7. 增大 d ，使干涉圆环略细，转动小轮使中央亮斑最大，记下主尺、大轮、小 轮的读数 1 d ，继续转动小轮，同时记下干涉环“吞入”或“吐出”的数目 N， 一般取 N=50，每隔 50 环记一次主尺、大轮、小轮的读数 i d ，测 9 次； 8. 在利用等倾干涉条纹测定 He-Ne 激光波长的基础上，转动手轮,使环形条纹粗 而疏时即减小 M1 和 M 2 ′之间的距离，调节 M 2 的倾度微调螺丝， 让 M1 与 M 2 ′有一个很小夹角，继续转动手轮使弯曲条纹往圆心方向移动，在观察屏 上就会出现等厚干涉条纹，再改变 M1 和 M 2 ′之间的距离，观察等厚干涉条 纹的变化规律并与大学物理中的理论进行比较说明
用迈克尔逊干涉仪测量激光波长 您注意事项 1切勿用眼晴直视激光 2切勿用手或别的东西触摸各种镜的光学表面 3粗调螺钉事先放到中间位置,调节不可太紧,也勿旋出; 4测量时手轮只能向一个方向转动,以免引起空回误差 5计数要准且读数应在中央亮最大的进行 6实验时切勿震动实验桌 纷小门 1当调迈克尔逊于涉仪M1⊥M2时,也可以同时调芬M和 M,背后的倾度调节螺钉,先让使M,反射的三个光点中间的 个(最亮)与M2的反射光重合;再通过调艿底角螺钉,让重 合光点射入激光孔 2如果在现屏上看不到于涉圆环可将扩束透镜拿开在现蔡 屏上现察,M1反射的三个光点中间的一个(最亮)与M2的 反航光点是否重合,如不重合,继续调芹M1和M2背后的倾度 调艿螺钉
用迈克尔逊干涉仪测量激光波长 6 1 切勿用眼睛直视激光； 2 切勿用手或别的东西触摸各种镜的光学表面； 3 粗调螺钉事先放到中间位置，调节不可太紧，也勿旋出； 4 测量时手轮只能向一个方向转动，以免引起空回误差； 5 计数要准且读数应在中央亮斑最大时进行； 6 实验时切勿震动实验桌。 1 当调节迈克尔逊干涉仪 M1 ⊥ M 2 时，也可以同时调节 M1 和 M 2 背后的倾度调节螺钉，先让使 M1 反射的三个光点中间的一 个（最亮）与 M 2 的反射光重合；再通过调节底角螺钉，让重 合光点射入激光孔。 2 如果在观察屏上看不到干涉圆环，可将扩束透镜拿开，在观察 屏上观察， M1 反射的三个光点中间的一个（最亮）与 M 2 的 反射光点是否重合，如不重合，继续调节 M1 和 M 2 背后的倾度 调节螺钉