广东第二师范学院实验预习报告

 

第二篇：迈克尔逊干涉仪实验预习报告

物理实验报告

实 验 题 目： 迈克尔逊干涉仪的使用

院 系 名 称： 材料学院 班 级： 09应用物理 学 号： 200910250115 姓 名： 彭文佳

物理实验教学中心

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。

一 实验目的

（1）.了解迈克耳逊干涉仪的基本构造，学习其调节和使用方法，学习按照

一定原理组装仪器的技能，通过自行组装迈克耳干涉仪学习光路的调整。

（2）.观察各种干涉条纹，加深对薄膜干涉、等倾干涉、等厚干涉现象原理

的理解，开拓学习应用的技能。

（3）.学会用迈克耳逊干涉仪测量物理量，在组装好的个迈克耳干涉仪上进

行压电晶片电致伸缩效应的观测。粗略测出压电晶片的压电系数。

（4）. 利用迈克尔逊干涉仪测量He-Ne激光器的波长。

二 实验原理

1、迈克耳逊干涉仪的原理。

迈克耳逊干涉仪是应用分振幅法产生双光束以实现干涉的仪器，仪器的光

学系统由两个平面反射镜M1和M2及两块材质相同、厚度相等的平行平面玻璃板G1和G2所组成，如上图所示。从光源S发出的光，射到分光板G1上，分光板G1后表面有半反射膜，将一束光分解成两束光；一束为反射光（1），另一束为透射光（2）,他们的强度近似相等。由于G1与M1、M2均成45度角，所以两束光都垂直的射到M1和M2，并经反射后回到G1上的半反射膜，再在观察处E相遇。因为光束（1）、（2）是相干光，若仪器调整得当，便可在E处观察到干涉图样。G2为补偿板，其物理性能和几何形状与G1相同，它的作用是为了补偿光束（2）的光程，使光束（1）和光束（2）在玻璃中的光程完全相等。

2、干涉条纹的形成。

由于半反射膜实质上是一块反射镜，它M2 在M1附M2近形成一个虚像M'2。由于是从观察处E看到的两束光好像是从M1和M'2射来的，故可将M'2看成一个虚平面。因M'2不是实物，它的表面和M1的表面所夹的空气薄膜可以 任意调节如使其平行则形成等厚的空气薄膜，产生等倾干涉；若不平行则形成空气劈尖，成等厚干涉。从而在实验过程中可以观察到不同的干涉图样。

（1）等倾干涉 使M2

垂直M1（即M1平行M'2），S

又为面光源时，这就相当于空气

平面板所产生的等倾干涉。自

M1和M2反射后两光束的光程

差（如果光束（1）、（2）在半反射膜上反射时无附加光程差）为??2dCosi?，式中ｄ为M1和M'2间的距离，即为空气膜厚度。

I为入射光M1、M'2镜表2d S1’S2d φ M1’ 2 L S E P

面的入射角。由上式可知，当d一定时，光程差只决定于入射角。面光源上具有相同倾角I的所有光束的光程差?也相同，它们在干涉区域里将形成同一条干涉条纹，这种干涉即为等倾干涉。对应不同入射角的光束光程差不相同，形成不同级次的干涉条纹，便得到一组明暗相间的同心圆环，条纹定域在无穷远处，在E处直接用眼睛就可以观察到等倾干涉的同心圆环。

（2）等厚干涉 当M1、M'2相距很近，并把

M'2调成与M1相交呈很小的角度时，就形成一空气

劈尖。在劈尖很薄的情况下，从E处便可看到等厚

干涉条纹。这时，两相干光程差仍可近似的表示为

?=2dcosi，，在M1和M'2的交线处的直线纹称为中央条纹。在交线上，d=0，光程差?为零，条纹为一条直线；在交线附近d很小，i的变化可以忽略，即cosi视为常数，条纹为一组近似与中央条纹平行的等间距的直条纹，可视为等厚条纹；离交线较远处d变大，光程差?的改变，除了与膜厚度d有关外，还受i角的影响，cosi的影响不能忽略。实际上i很小，?=2dcosi≈2d(1-i2/2)，条纹发生弯曲。

三 实验背景

历史背景

迈克耳逊干涉仪,是1883年美国物理学家迈克耳逊和莫雷合作，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，若观察到干涉条纹移动一条，便是M2的动臂移动量为λ/2，等效于M1与M2之间的空气膜厚度改变λ/2。在

近代物理和近代计量技术中，如在光谱线精细结构的研究和用光波标定标准米尺等实验中都有着重要的应用。利用该仪器的原理，研制出多种专用干涉仪。

具体应用

1. 微小位移量和微振动的测量

采用迈克耳逊干涉技术,通过测量ＫＤＰ晶体生长的法向速率和台阶斜率来研究其台阶生长的动力学系数、台阶自由能、溶质在边界层内的扩散特征以及激发晶体生长台阶的位错活性。He-Ne激光器的激光通过扩束和准直后射向分束镜,参考光和物光分别由反射镜和晶体表面反射,两束光在重叠区的干涉条纹通过物镜成像,该像用摄像机和录像机进行观察和记录.滤膜用于平衡参考光和物光的强度.

2. 压电材料的逆压电效应研究

压电陶瓷材料在电场作用下会产生伸缩效应,这就是所谓压电材料的逆压电现象,其伸缩量极微小。将迈克耳逊干涉仪的动镜粘在压电陶瓷片上,当压电陶瓷片受到电激励产生机械伸缩时就带动动镜移动。而动镜每移动λ/2的距离，就会到导致产生或消失一个干涉环条纹，根据干涉环条纹变化的个数就可以计算出压电陶瓷片伸缩的距离。

3. 引力波探测(超大型迈克耳逊干涉仪)

引力波存在是广义相对论最重要的预言，对爱因斯坦引力波的探测是近一个世纪以来最重大的基础探索项目之一。目前还没有直接证据来证明引力波的存在。目前，许多科学家正致力于利用激光干涉引力波探测仪来探测引力波。该仪器的主体是一台激光迈克耳逊干涉仪。在无引力波存在时，调整

臂长使从互相垂直的两臂返回的两束相干光在分光镜处相干减弱，输出端的光电二极管接收的是暗纹，无输出信号。引力波的到来会使一个臂伸长另一臂缩短，使两束相干光有了光程差，破坏了相干减弱的初始条件，光电二极管有信号输出，该信号的大小与引力波的强度成正比。20世纪90年代中期，华盛顿州的Hanford和路易斯安娜州的Livingston开始建造引力波探测站，并于21世纪初相继建成臂长4000米、2000米的激光干涉仪引力波探测仪。据估计，引力波探测极有可能在今后10-20年内取得重大突破。

四、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 五：实验内容与步骤：

1、迈克耳逊干涉仪的基本调节

（1）点燃氦氖激光器，调节其高度和方向，使激光束大致照到两平面镜M1、M2及屏E的中部，并使从两平面镜反射来的两束光能尽量原路返回，即尽可能回到激光器的出光口。

（2 ）屏上可以看到两排光点，都以最亮者居中。调节M1和M2后面 的三个螺丝，使两个最亮点重合（此时M1和M2相互垂直）。此时要检查回到激光器的两束光是否仍照在出光口或附近。

2：测量激光光波波长

（1）读数基准线的调整。调整微调鼓轮旋钮，使0刻度线对准基线，以方便读数。

（2）转动微动旋钮，可以清晰地看到条纹一个一个地“涌出”或“淹没”。待操作熟练后开始测量，记下刻度鼓轮上的读数d,每次“涌出”或“淹没”N=100个圈

时读下d ，连续测量19次，记下19个值d.每测一次算出相应的△d,并及时核对检查N是否数错。

3：粗率测出压电晶片的压电系数

压电陶瓷材料在电场作用下会产生伸缩效应,这就是所谓压电材料的逆压电现象,其伸缩量极微小。将迈克耳逊干涉仪的动镜粘在压电陶瓷片上,当压电陶瓷片受到电激励产生机械伸缩时就带动动镜移动。而动镜每移动λ/2的距离，就会到导致产生或消失一个干涉环条纹，根据干涉环条纹变化的个数就可以计算出压电陶瓷片伸缩的距离。

六： 注意事项

（1 ）实验中，请勿正视激光光源，以免损伤眼睛。

（2）仪器上的光学元件精度极高，不要用手抚摩或让赃物沾上，切勿正对着光学表面讲话。

（3）一起传动机构相当精密，使用时要轻缓小心，在实验过程中，保持安静，动作要轻，不可有大，重动作，不能随意走动和对着防震台

说话。否则，会引起震动，影响实验，调好光路后，应静止1分钟，

让防震台静止下来。

（4） 测量过程中，由于仪器存在空程误差，一定要条纹的变化稳定后才能开始测量。而且,测量一旦开始，微调鼓轮的转动方向就不能

中途改变