实验十四    迈克耳孙干涉仪的调节和使用

迈克耳孙干涉仪在近代物理学的发展中起过重要作用。19世纪末，迈克耳孙（A.A.Michelson）与其合作者曾用此仪器进行了“以太漂移”实验、标定米尺及推断光谱精细结构等三项著名的实验。第一项实验解决了当时关于“以太”的争论，并为爱因斯坦创立相对论提供了实验依据；第二项工作实现了长度单位的标准化。迈克耳孙发现镉红线（波长λ=643.84696nm）是一种理想的单色光源。可用它的波长作为米尺标准化的基准。他定义1m=1553164.13镉红线波长，精度达到10^-9,这项工作对近代计量技术的发展作出了重要贡献；迈克耳孙研究了干涉条纹视见度随光程差变化的规律，并以此推断光谱线的精细结构。

今天，迈克耳孙干涉仪已被更完善的现代干涉仪取代，但迈克耳孙干涉仪的基本结构仍然是许多现代干涉仪的基础。

【实验目的与要求】

1.学习迈克耳孙干涉仪的原理和调节方法。

2.观察等倾干涉和等厚干涉图样。

3.用迈克耳孙干涉仪测定He－Ne激光束的波长和钠光双线波长差。

【实验仪器】

迈克耳孙干涉仪，He－Ne激光束，钠光灯，扩束镜，毛玻璃

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HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY

物理实验报告

实验题目：     迈克尔逊干涉仪             

姓       名：                               

物理实验教学中心

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

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迈克尔逊干涉实验

                       39042122  吴淼

摘要：迈克尔逊干涉仪是一个经典迈克尔逊和莫雷设计制造出来的精密光学仪器，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，认识电光源非定域干涉条纹的形成与特点，部分从并利用干涉条纹的变化测定光源的波长。

实验原理：

    (1)迈克尔逊干涉仪的光路

迈克尔逊干涉仪的光路图如图（一）所示。从光源S发出的一束光摄在分束板G1上，将光束分为两部分：一部分从G1半反射膜处反射，射向平面镜M2；另一部分从G1透射，射向平面镜M1。因G1和全反射平面镜M1、M2均成45°角，所以两束光均垂直射到M1、M2上。从M2反射回来的光，透过半反射膜；从M2反射回来的光，为半反射膜反射。二者汇集成一束光，在E处即可观察到干涉条纹。光路中另一平行平板G2与G1平行，其材料厚度与G1完 全相同，以补偿两束光的光程差，称为补偿板。在光路中，M1’是M1被G1半反射膜反射所形成的虚像，两束相干光相当于从M1’和M2反射而来，迈克尔逊干涉仪产生的干涉条纹如同M2和M1’之间的空气膜所产生的干涉条纹一样。

（2）单色电光源的非定域干涉条纹

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实验一迈克尔逊干涉仪实验

一、实验目的

1.认识光的单色性对光的干涉性的影响；

2.观察光学拍现象，建立相干长度的概念；

3.了解白光干涉的特点及其应用。

二、实验仪器

迈克尔逊干涉仪、钠钨灯、升降台、钢板尺、盖玻片。

三、实验原理

图1－1 迈克尔逊干涉仪的外形

    迈克尔逊干涉仪是最常用的光学干涉仪之一。如图1－1所示，它的主要结构包括：分光板10、补偿板11、固定反射镜9、移动反射镜8、丝杠14、粗位移旋钮6、微位移旋钮7，反射镜倾斜度粗调节钮4，固定反射镜倾斜度微调节钮15，等等。其中，分光玻璃板10的前表面（面对观察者的一侧）镀有半透半反膜，而补偿板11的厚度、玻璃材料与分光玻璃板10一致，但没有镀膜。

    来自点光源或扩展光源的球面波经过分光板后，分为两路：一路透射光穿过补偿板到达固定反射镜，反射后返回分光板前表面；另一路反射光在呈45度角的分光板前表面反射后，折向移动反射镜8，反射后再穿过分光板到达其前表面。两路光在分光板的前表面形成干涉。

如果固定反射镜9和移动反射镜8的表面都调节得与水平面垂直，且二者通过分光板成像后相互平行，且两镜与分光板前表面的距离之差小于光源的相干长度，则此时将产生等倾干涉条纹。等倾干涉条纹的特点是呈同心环状分布，且两镜与分光面的距离之差越大，条纹越密。

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【实验名称】迈克耳孙干涉仪

【目的要求】

1.       掌握M-干涉仪的调节方法;

2.       调出非定域干涉和定域干涉条纹;

3.       了解各类型干涉条纹的形成条件, 花纹特点, 变化规律及相互间的区别;

4.       用M-干涉仪测量气体折射率.

【仪器用具】

M-干涉仪(旧仪器第3组), He-Ne激光器及其电源, 扩束透镜, 小孔光阑, 白炽灯, 毛玻璃, 小气室, 打气皮囊, 气压表, 凸透镜.

【实验原理】

1.M-干涉仪光路

M-干涉仪是一种分振幅双光束的干涉仪. 其光路如图. 期中M1可以移动. G1为分束板.  

2.干涉花纹的图样

(1)    点光源照明——非定域干涉条纹

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实验总结：

1．在实际测量中，出现了一下情况：随测量次数的增多，圆心位置发生了变化，这种现象是与理论相悖的，原因是由于M1与M2’未达到完全平行或调整仪器时未调整好，而且圆心偏移速度越快越说明M1与M2’平行度越差。

2．在测量完第一组数据后，反向旋转时会在旋转相当多圈后才会出现中心圆环的由吞吐变吐，这个转变不是立即就完成的，这是因为仪器右侧的旋钮为微调旋钮，使用它对干涉仪的性质改变影响较小，故有吞变吐需要旋转相当一段时间，此时应旋转中部大旋钮，再使用微调，但不要忘记刻度盘调零。

3．两组数据所测得的结果相差较大，这可能是由于测量过程的误差或操作失误所引起的，应尽量避免。

4．实验中还观察到许多现象，如M1上出现很多光斑，其中有亮有暗，同心圆的粗细和疏密变化等等。但由于理论知识的缺乏，我们尚无法给出上述问题的完美解释，需要我们进一步的学习与探索。

一 进行分析讨论。

从数据表格可以看到，在误差允许范围内，测量波长与理论波长一致，验证了这种测试方法的可行性。

误差分析：

①实验中空程没能完全消除；②实验对每一百条条纹的开始计数点和计数结束点的判定存在误差；③实验中读数时存在随机误差；④实验器材受环境中的振动等因素的干扰产生偏差。

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迈克尔逊干涉仪的调整与应用

 

1.  原始数据及处理

1.1 测量钠光灯波长（）

不确定度计算：

=0.00010,   

=0.00011

=4.4,   =0.74%.

1.2 双线的波长差：

2．思考题及分析：

2.1、为什么白光干涉不易观察到？

答：两光束能产生干涉现象除满足同频、同向、相位差恒定三个条件外，其光程差还必须小于其相干长度。而白光的相干长度只有微米量级，所以只能在零光程附近才能观察到白光干涉。

2.2、为什么M1和M2没有严格垂直时，眼睛移动干涉条纹会吞吐？

答：因为没有严格垂直时，会形成一个披肩状的光学腔。各处的光程差不相同，其干涉条纹的级数也会不同。所以眼睛移动时，干涉条纹会吞吐。

2.3、讨论干涉条纹吐出或吞入时的光程差变化情况。

答：吞入时，光程差变小。而吐出时，光程差则变大。

2.4、为什么要加补偿板？

答：因为分束板的加入，使其中一路光束比另一光束附加了一定的光程。所以加入与分束板厚度相同的补偿板来补偿这部分光程差。

2.5、如何设计一个实验，利用迈克尔逊干涉仪测玻璃的折射率？

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迈克耳孙干涉仪实验报告

摘要：迈克耳孙干涉仪设计精巧、用途广泛，是许多现代干涉仪的原型。本实验利用迈克耳孙干涉仪对光的干涉基本现象进行了观察，对单色光波长进行了测定，并对光场的时间相干性进行了研究。

关键词：迈克耳孙干涉仪；光的干涉；单色波波长；光场的时间相干性

The Report of Michelson Interferometer Experiment

Abstract: The Michelson interferometer is the model of many modern interferometers because of its elaborate design and widespread use. The experiment observed the basic phenomenon of interference of light, measured the wavelength of monochromatic light and studied the temporal coherence of light field.

Key words: Michelson interferometer; interference of light; wavelength of monochromatic light; temporal coherence of light field

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