HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY

物理实验报告

实验题目：     迈克尔逊干涉仪         

姓       名：       张志林              

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

四、实验原理（原理图、公式推导和文字说明）：

在图M₂′是镜子M₂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M₁、M₂′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M₁、M₂反射后的光束等效于两个虚光源S₁、S₂′发出的相干光束，而S₁、S₂′的间距为M₁、M₂′的间距的两倍，即2d。虚光源S₁、S₂′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S₁、S₂′的连线方位，屏至S₂′的距离为R，屏上干涉花纹为一组同心的圆环，圆心为O。

设S₁、S₂′至观察屏上一点P的光程差为δ，则

                                （1）

一般情况下，则利用二项式定理并忽略d的高次项，于是有

                                （2）

所以

                                                       （3）

由式(3)可知：

1. ，此时光程差最大，，即圆心所对应的干涉级最高。旋转微调鼓轮使M₁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S₁、S₂′的距离变化了一个波长大小。如若“冒出”(或“消失”)的圆环数目为N，则相应的M₁镜将移动Δd，显然：

                                               （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、实验数据处理（整理表格、计算过程、结论）：

                                    单位：

     

六、总结及可能性应用（误差分析、收获、体会及本实验的应用）：

    实验数据基本达到要求。

 

第二篇：物理实验迈克尔逊干涉仪实验误差分析及结果讨论

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。

3)实验结果：

经分析，当顺时针转动旋钮时，“吐”出圆环，此时测得一波长，当逆时针转动旋钮时，“吞”出圆环，此时亦测得一波长。

将二者取平均值得测得光的波长： ，P=0.95。

5.一个迈克尔逊实验，不但让我领悟到迈克尔逊设计干涉仪的巧妙和智慧，也更让我知道了做实验要有耐心和恒心，哪怕实验再麻烦，也必须坚持不懈，注重细节，这样才能真正地把实验做

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。

2.3、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。

2.9、试总结迈克尔逊尔涉仪的调整要点及规律．

答：调整要点：1、粗调时，尽量使两像点重合在一起，为后面的细调节省时间。2、细调时，

朝吞吐减少的方向调，需耐心及细心。3、鼓轮测量前须调零，且朝同一方向调节，以免产生空回误差。4、做白光干涉实验，调粗调鼓轮，使干涉条件不断地在吞，此时即为向零光程位置调节。

 

第三篇：“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。

（2）粗动手轮：每转一圈可动全反镜移动1mm，读数窗口内刻度盘转动一圈共100个小格，每小格为0.01mm，□□由读数窗口内刻度盘读出。

（3）微动手轮：每转一圈读数窗口内刻度盘转动一格，即可动全反镜移动0.01mm，微动手轮有100格，每格0.0001mm，还可估读下一位。△△△由微动手轮上刻度读出。

注意螺距差的影响。

3.He-Ne激光器激光波长测试原理及方法

光程差为：

当θ=0时的光程差δ最大，即圆心所对应的干涉级别最高。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（或圆锥角），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M1与M2’之间距离变化了半个波长。

若将M1与M2’之间距离改变了△d时，观察到N个干涉环变化，则

  或

由此可测单色光的波长。

4.钠双线波长差的测量原理和测量方法

从条纹最清晰到条纹消失由于M1移动所附加的光程差：

钠双线波长差:

Lm是视场中的条纹连续出现两次反衬度最低时M1所移动的距离。

【实验内容】

1.测He-Ne激光的波长

(1)激光直接照射到分光板中部，调整调节螺丝使观察屏上的最大最亮的2个反射点严格重合。

(2)放入扩束镜,使光斑均匀地射到分光板上，调节拉簧螺丝，使屏上出现的圆环的圆心移动到观察屏中央。

(3)调节微调鼓轮向一个方向转动几圈，当看到观察屏上有条纹吞吐了,记录M1的初试位置d1。

(4)继续转动微调鼓轮，每吞吐50个条纹记录一次M1的位置, 连续记录8组数据。

2.测钠光的双线波长差                               

(1)点亮钠光灯，使光源与分光板等高并且位于分光板和M2镜的中心连线的延长线上。转动粗调手轮，使M1和M2至G1的距离大致相等。

(2)取下并轻轻放置好观察屏，直接用眼睛观察。仔细调节M2后面或下方的调节螺丝，应能看到钠光的等倾条纹。

(3)转动粗调手轮，找到条纹变模糊位置，调好标尺零点。用微调手轮继续缓缓移动M1，同时仔细观察至条纹反衬度最低时记下M1的位置。随着光程差的不断变化，按顺序记录六次条纹反衬度最低时M1的位置读数。相邻两次读数差等于Lm的值。

【数据处理】

1.测He-Ne激光的波长

 ，

 。

2.测钠光的双线波长差

 ，

 。

 ，

 。

【注意事项】

 1、迈克尔逊干涉仪是精密仪器，在旋转调整螺丝和手轮时手要轻，动作要稳。切勿用手触摸镜片。

2、调测微尺零点方法：先将微调鼓轮沿某一方向（按读数的增或减）旋转至零线，然后以同方向转动粗调鼓轮对齐读数窗口中某一刻度，以后测量时使用微调鼓轮须向同一方向旋转。

3、微调鼓轮有方向空程，实验中如果中途反向转动，则须重新调整零点。

4、用激光束调节仪器时，应防止激光束射入眼睛，使视网膜受伤。

【预习思考题】

（1）说明迈克尔逊干涉仪各光学元件的作用，并简要叙述调出等倾干涉条纹的方法及注意事项。

答：在迈克尔逊干涉仪光路图中，分光板G1将光线分成反射与透射两束；补偿板G2 使两束光通过玻璃板的光程相等；定镜M_２和动镜M_１分别反射透射光束和反射光束；凸透镜将激光汇聚扩束。

    要获得等倾干涉条纹花样，就必须使M_１和M₂^/（M₂ 的虚像）相互平行，即M_１ 和M₂ 相互垂直。另外还要有较强而均匀的入射光。调节的主要程序是：

① 用水准器调节迈氏仪水平；目测调节激光管（本实验室采用激光光源）中心轴线，凸透镜中心及分束镜中心三者的连线大致垂直于定镜M_２ 。

② 开启激光电源，用纸片挡住M_１ ，调节M_２背面的三个螺钉，使反射光点中最亮的一点返回发射孔；再用同样的方法，使M_１ 反射的最亮光点返回发射孔，此时M_１ 和M₂^/ 基本互相平行。

③ 微调M_２ 的互相垂直的两个拉簧，改变M_２ 的取向，直到出现圆形干涉条纹，此时可以认为M_１ 与M_２^/ 已经平行了。同方向旋动大、小鼓轮，就可以观察到非定域的等倾干涉环纹的“冒”或“缩”。

注意事项：

①迈克尔逊干涉仪是精密仪器，在旋转调整螺丝和手轮时手要轻，动作要稳。切勿用手触摸镜片。

②调测微尺零点方法：先将微调鼓轮沿某一方向（按读数的增或减）旋转至零线，然后以同方向转动粗调鼓轮对齐读数窗口中某一刻度，以后测量时使用微调鼓轮须向同一方向旋转。

③微调鼓轮有方向空程，实验中如果中途反向转动，则须重新调整零点。

④用激光束调节仪器时，应防止激光束射入眼睛，使视网膜受伤。

（2）如何利用干涉条纹的“冒出”和“缩进”现象，测定单色光的波长？

答：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M1与M2’之间距离变化了半个波长。若将M1与M2’之间距离改变了△d时，观察到N个干涉环变化，则

  或

由此可测单色光的波长。

【讨论思考题】

（1）在观察等倾干涉条纹时，使M1和M2’逐渐接近直至零光程，试描述条纹疏密变化情况。

答：光程差逐渐减小，干涉条纹不断“缩进”，条纹由密变稀。当光程差减小到零时，条纹在视场中变模糊，视场变成一片亮场。

（2）在测定钠双线波长差的实验中，你是如何理解条纹反衬度随光程差的变化规律的？

答： 与的干涉图样同时加强，条纹最清晰，条纹反衬度V=1，此时移动M1以改变光程差，当一个光波的明条纹与另一光波的暗条纹恰好重叠时，干涉条纹消失，条纹反衬度V=0。这时由于M1移动为Lm。从条纹最清晰（条纹反衬度V=1）到下次条纹最清晰（条纹反衬度V=1），由于M1移动所附加的光程差为2Lm。干涉条纹反衬度随光程差作周期变化。