大学物理下 迈克尔逊干涉仪实验报告
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大学物理实验报告
实验名称：迈克尔逊干涉仪
学院： 专业： 班级：
学号： 姓名： 电话：
实验日期：
实验室房间号：
实验组号：
成绩
指导教师
批阅日期
年 月 日
1. 实验目的：
(1)了解迈克尔逊干涉仪的结构、原理及调节和使用方法；
(2)观察等倾干涉条纹，学会测量He-Ne激光的波长；
(3)学会测定钠光双线的波长差。
2. 实验器材：
名称 编号 型号 精度
迈克尔逊干涉仪
He-Ne激光光源
钠光灯
会聚透镜
3. 实验原理（请用自己的语言简明扼要地叙述，注意原理图需要画出，测试公式需要写明）
(1) 迈克耳孙干涉仪的结构与光路
如图5.3. 1所示为迈克耳孙干涉仪的侧视图图与俯视图，导轨7固定在一只稳定的底座上，底座由三颗调平螺丝9及其锁紧螺丝10来调平。丝杠6螺距为1mm，转动粗调手轮2，经一对齿轮带动丝杠转动，进而带动移动镜M在导轨上滑动。移动距离可在毫米刻度尺 5上读到1 mm,在窗口3中的刻度盘上读到0.01 mm。转动微调手轮1,经1:100的蜗轮传动，可实现微动。微动手轮上的最小刻度为0.0001 mm，可估读到0.00001 mm 。分光板G1和补偿板G2固定在基座上，不得强扳，且不能用手接触其光学表面。固定参考镜(定镜)13和移动镜(动镜)11后各有三颗螺丝,用于粗调两者相互垂直，不能拧得太紧或太松，以免使其变形或松动。固定参考镜13的一侧和下部各有一 颗微调螺丝 14和15,可用来微调13的左右偏转和俯视，微调螺丝也不能拧得太松或太紧。丝杠的顶进力由丝杠顶进螺帽8来调整。
迈克尔逊干涉仪的实验原理如图5.3.2所示。由光源S发出一束光，射到分光板G1的半透半反膜L上，L使反射光和反射的光强基本相同，所以称G1为分光板。透过膜层L的光束(1)经G2到达参考镜M1后，被反射回来；被反射的光束(2) 到达移动镜M2后,也被反射回来。由于(1)、(2)两束光满足光的相干条件，各自反射回来在膜层L所在表面相遇后，就发生干涉,在E处即可观察到干涉条纹。G2是补偿板，它使光束(1)和(2)经过玻璃的次数相同，当使用白光作为光源时,G2还可以补偿G1的色散。M1’是在G1中看到的M1的虚像。
(2) 单色点光源等倾干涉条纹的观察及波长的测量
如图5.3.3所示，由He-Ne激光器发出的细束平行激光经过会聚透镜聚焦于一点,相当于一个强度足够大的点光源.当M1’与M2互相平行，即M1与M2互相垂直时,对于与M2的
法线和M1’的法线夹角皆为θ的入射光，经M1’与M2反射后，两束光的光程差为∆= 2dcos θ，式中d为M1’与M2间的空气膜的厚度，在E处可以观察到明暗相间的同心圆环(图
5.3.4)，每一个圆环对应一个恒定的倾角θ,称这种干涉为等倾干涉.观察这些同心圆的圆心处，此处有∆=2d, θ=0,由干涉条纹的明暗条件
),3,2,1(,2)12k(,2dkk暗纹明纹
可知，圆心处干涉条纹的级数最高,并且当移动M2使d改变时，中心处条纹数随之增减,可观察到条纹由中心处“冒出”或“缩入”.而每当中心处“冒出”或“缩入”一个条纹,光程∆就增加或减少一个波长λ ,d就增加或减少了λ/2，即M2移动了λ/2。根据M2移动的距离|∆d|及条纹级数改变的次数|∆k|,可以测出入射光的波长
kd2
(3) 钠光双线波长差的测定
若实验中使用的不是单色光，则不同色光将按照式(5.3.1)各自形成一套干涉条纹，从而形成特殊的干涉图样.。如本实验以钠光入射，它有两条谱线，对应空气中波长分别为λ 1和λ
2(设λ 1>λ 2)，彼此十分接近，就会出现这样一种情况: 当d为某一定值d1时,对同一入射角θi,有2d1cos θi=kλ2,且2d1cosθi=(k+1/2) λ 1,此时λ 2的k级明条纹与λ1的k级暗条
纹重叠，视场中干涉条纹的可见度最低，如图5.3.5所示。
逐渐增大d,存在一个d2值,使2d2cosθi=(k+∆k+1)λ1,此时λ1与λ2的亮纹重叠 ，视场中干涉条纹具有最好的可见度。可见，在两次可见度最低之间，有
∆k1=∆k 2+1
式中∆k1, ∆k2分别是两次混叠之间λ1和λ2所改变的级数.
实验中,可在可见度良好的区域测出∆d，得到钠光谱双线的平
均波长
kd222112 设两混叠区问距∆d0,相应的∆k记作∆k0，对λ1来说，101d2k
;对λ2来说, λ2=20d2k
从而021220022021221d2-dkdkk
其中2022)1(kkk
故有22-122121
由此即可测定钠光的平均波长λ12和两波长的波长差∆λ.
4. 实验内容与步骤
1.调整迈克耳孙干涉仪及其光路
(1)由导轨毫米标尺观察动镜M2是否在零程差附近(由实验室给出) ,若不在，则转动手轮2,以使调出的干涉环纹较宽,减少测量误差.点亮He-Ne激光器，调整其倾角与方位,使射出光束透过G1、G2的中心,垂直地射到定镜M1的中心部位，由G1反射到动镜M2的光也处于M2的中心部位.安装上毛玻璃观察屏,其上将会出现两排光斑，
(2)调节M1背后的三颗螺丝,直到两排光斑中相对应的两个较亮光斑完全重合，此时仔细观察，可隐约看到重叠的光斑上有干涉条纹.
(3)将会聚透镜放在激光出射口之前，调整其高低方位，使观察屏上出现照明均匀的干涉图样，再继续调节M1背后的三
颗螺丝，使屏上呈现圆形干涉条纹.调节两颗倾度微调螺丝,使干涉条纹中心在视场中央.
2.观察激光的非定域干涉现象
(1)观察条纹的“冒出"和“缩入”与d的变化关系，
(2)观察条纹的粗细和间距如何随θ与d而变化.
(3)将观察屏放在不同的位置，观察是否均可出现干涉条纹。
3.测量He-Ne激光的波长
(1)将M2重新移至零程差附近转动微调手轮，在观察屏上看到“冒出”或“缩入”几个圆环以后,记下M2的位置. (2)同方向转动微调手轮，使中心圆环“冒出”或“缩入”N= 60个条纹时，记下M2的新位置.测量8次.
(3)计算He-Ne激光波长λ，并与公认值λs进行百分差比较.
4.观察钠光的视见度变化，测量钠双线的波长差
(1)将激光器换成钠光灯,并去掉观察屏,用眼睛直接观察扩展光源的等倾干涉图样.如看不到干涉条纹的中心部位，可细心调节两个微调螺旋.
(2)转动微调手轮,观察视见度的变化情况，并调至视见度最低的位置,记下M2的位置S1.继续同方向转动微调手轮，调到视见度再次达到最低时M2的位置S2.
(3)转动粗调手轮，使动镜M2位于零程差位置，记下M2的位置S1',然后顺时针转动粗调手轮，直到干涉条纹完全消失,记下M2的新位置S2’.
(4)计算钠双线的波长差，并与其公认值进行百分差比较.计算钠光相干长度粗略测量值. 5. 实验记录（注意：单位、有效数字、列表）
请粘贴“原始数据模板”照片（有教师盖章）
6. 数据处理及误差分析
7. 思考题及实验小结
思考题
如何使用迈克尔逊干涉仪测量材料的微小长度的变化？
迈克尔逊干涉仪把一束激光分成两束，经过平面镜分别反射,再干涉,形成干涉环,如果有材料的长度的变化,反映出光程差的变化这样,原来干涉相消的位置可能就会干涉相长,看起来就像环溢出或者收回,通过数干涉环溢出或者收回的个数,就可以计算长度变化的多少.折射率*变化的长度/激光波长=相位差=2*3.14*变化的干涉环数.
实验小结
1. 在调整迈克尔逊干涉仪时需要注意将反射回来的光调整到He-Ne激光器上；
2. 通过本次实验，我了解了迈克尔逊干涉仪的结构、原理，掌握了迈克尔逊干涉仪的调节和使用方法，加深了对逐差法的认识。
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