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迈克尔逊干涉仪》实验报告一、引言迈克尔逊曾用迈克尔逊干涉仪做了三个闻名于世的实验：迈克尔逊-莫雷以太漂移、推断光谱精细结构、用光波长标定标准米尺。
迈克尔逊在精密仪器以及用这些仪器进行的光谱学和计量学方面的研究工作上做出了重大贡献，荣获1907年诺贝尔物理奖。
迈克尔逊干涉仪设计精巧、用途广泛，是许多现代干涉仪的原型，它不仅可用于精密测量长度，还可以应用于测量介质的折射率，测定光谱的精细结构等。
二、实验目的（1）了解迈克尔逊干涉仪的光学结构及干涉原理，学习其调节和使用方法（2）学习一种测定光波波长的方法，加深对等倾的理解（3）用逐差法处理实验数据三、实验仪器迈克尔逊干涉仪、He-Ne激光器、扩束镜等。
四、实验原理迈克尔逊干涉仪是l883年美国物理学家迈克尔逊（A.A.Michelson）和莫雷（E.W.Morley）合作，为研究“以太漂移实验而设计制造出来的精密光学仪器。
用它可以高度准确地测定微小长度、光的波长、透明体的折射率等。
后人利用该仪器的原理，研究出了多种专用干涉仪，这些干涉仪在近代物理和近代计量技术中被广泛应用。
1.干涉仪的光学结构迈克尔逊干涉仪的光路和结构如图1与2所示。
M1、M2是一对精密磨光的平面反射镜，M1的位置是固定的，M2可沿导轨前后移动。
G1、G2是厚度和折射率都完全相同的一对平行玻璃板，与M1、M2均成45°角。
G1的一个表面镀有半反射、半透射膜A，使射到其上的光线分为光强度差不多相等的反射光和透射光；G1称为分光板。
当光照到G1上时，在半透膜上分成相互垂直的两束光，透射光（1）射到M1，经M1反射后，透过G2，在G1的半透膜上反射后射向E；反射光（2）射到M2，经M2反射后，透过G1射向E。
由于光线（2）前后共通过G1三次，而光线（1）只通过G1一次，有了G2，它们在玻璃中的光程便相等了，于是计算这两束光的光程差时，只需计算两束光在空气中的光程差就可以了，所以G2称为补偿板。
利用迈克耳孙干涉仪测量光波长的技巧光是我们日常生活中常见的现象之一，但想要精确测量光的波长却不是一件容易的事情。
深入了解利用迈克耳孙干涉仪测量光波长的技巧，将帮助我们更好地理解光的性质和实现精确测量。
1. 介绍迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪是一种基于干涉原理的光学仪器，用于测量光的波长和其他相关参数。
它包括一束分幅光源和两个反射镜。
通过调节其中一个反射镜的位置，可以产生干涉现象，进而实现光波长的测量。
2. 干涉现象及原理干涉现象是指两束或多束波共同作用而产生的干涉图样。
利用迈克耳孙干涉仪进行测量时，光通过反射镜反射并折返形成干涉现象。
这种干涉在光学上称为迈克耳孙干涉。
迈克耳孙干涉的原理是光的相干性。
相干性是指两个光波之间存在着固定的相位关系。
当光波的相位差为整数倍的情况下，波峰与波峰或波谷与波谷相遇，使得光强增强；当相位差为半波长的情况下，波峰与波谷相遇，使得光强衰减。
3. 利用迈克耳孙干涉仪测量光波长的过程利用迈克耳孙干涉仪测量光波长需要经过以下几个步骤：（1）调整迈克耳孙干涉仪的光源：保证光源稳定且光强足够强，以获得清晰的干涉条纹。
（2）调整反射镜位置：利用反射镜移动控制干涉程度，使得干涉图样清晰可见。
当干涉图样完全重合时，可确定此时的反射镜位置。
（3）测量干涉条纹间距：使用显微镜或其他相应的测量仪器，精确测量干涉条纹间距。
（4）计算光波长：根据迈克耳孙干涉的公式，通过测量得到的干涉条纹间距和其他参数，可以计算出光的波长。
4. 优化测量结果的技巧在利用迈克耳孙干涉仪进行光波长测量时，有一些技巧可以帮助优化测量结果的精确性：（1）调整干涉仪的环境条件：保持实验室或实验环境的稳定性，避免干扰源的影响。
（2）使用高质量的反射镜和光源：优质的反射镜和光源可以提高测量的准确性和稳定性。
（3）准确测量干涉条纹间距：使用合适的测量仪器，如显微镜、干涉计等，以获得尽可能准确的干涉条纹间距。
（4）多次测量取平均：进行多次测量并取平均值，可以降低误差和提高数据的可靠性。
迈克尔孙干涉的原理与应用1. 简介干涉是一种重要的光学现象，可用于研究光的波动性和粒子性。
迈克尔孙干涉是一种特殊的干涉现象，由迈克尔孙干涉仪实现。
本文将介绍迈克尔孙干涉的原理，同时探讨其在科学研究和工程应用中的实际应用。
2. 原理迈克尔孙干涉的原理基于干涉现象和干涉仪的工作原理。
干涉指的是两束或多束光的叠加，产生出一系列明暗交替的干涉条纹。
干涉仪则是一种用于实现干涉的光学仪器。
迈克尔孙干涉仪由一束分束器和一束合束器组成。
分束器将光分为两束，其中一束经过一块透明的光程差附件，另一束直接通过。
合束器将两束光重新合束，通过观察干涉条纹来研究光的性质。
干涉条纹的形成是因为存在光程差。
光程差是指光线在两个路径上传播所经历的路程差异。
当两束光重新合束时，如果它们的相位差为整数倍的2π，那么它们将相干叠加，形成亮条纹。
相位差为奇数倍的2π时，它们将相消干涉，形成暗条纹。
3. 应用迈克尔孙干涉在科学研究和工程应用中具有广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：3.1. 显微术迈克尔孙干涉在显微术中起着重要的作用。
通过观察和分析干涉条纹，可以测量物体的折射率、薄膜的厚度等。
这对于研究细胞结构、材料特性等具有重要意义。
因此，在生物学、材料科学等领域中广泛应用迈克尔孙干涉。
3.2. 光学元件表面检测迈克尔孙干涉可以用于光学元件表面质量检测。
通过观察干涉条纹的形貌，可以判断光学元件表面是否平整、光滑。
同时，还可以定量地测量表面的凹凸度、平整度等参数，对于生产工艺和产品质量控制具有重要意义。
3.3. 激光干涉测量迈克尔孙干涉可以应用于激光干涉测量中。
通过激光束的干涉，可以实现高精度的位移测量、形状测量等。
在工程测量中，激光干涉测量广泛应用于位移测量、表面形貌测量等领域。
3.4. 光学玻璃的热膨胀系数测量迈克尔孙干涉方法还可用于测量光学玻璃的热膨胀系数。
通过观察干涉条纹的变化，可以计算出光学玻璃在热变形过程中的膨胀系数，为光学元件的设计和应用提供参考。
利用迈克尔孙干涉仪研究光的干涉和光场的时间相干性摘要：迈克尔孙干涉仪是非常有用的实验仪器，它是很多干涉仪的原型，本实验利用迈克尔孙干涉仪研究了光的干涉和光场的时间相干性，取得了不错的效果。
成功地测得了氦氖激光的波长，观察到了等倾干涉与等厚干涉的图像变化，并利用仪器研究了光拍现象，测出了钠黄光两条谱线之间的波长差，估测了白光的相干长度和谱线宽度。
实验进行得较成功，取得了较理想的结果。
关键词：迈克尔孙干涉仪时间相干性光拍波长差相干长度谱线宽度Research on interference of light and temporal coherence of light field by Michelson interferometerAbstract: Michelson interferometer is a very useful instrument. It is the prototype of many other interferometers. This experiment use Michelson interferometer to study interference of light and temporal coherence of light field. The experiment succeeded in measuring Helium-neon laser wavelength, watching the change of equal inclination interference and equal thickness interference, studying optical phenomenon, measuring wavelength difference between two spectral lines of sodium yellow light, and estimating coherence length and line width of white light. The result is good and accurate.Key Words: Michelson interferometer temporal coherence optical phenomenon wavelength difference coherence length line width1 引言迈克尔孙是世界著名的实验物理学家，他进行了三项闻名于世的实验：迈克尔孙—莫雷以太零漂移、推断光谱的精细结构、用光波波长标定标准米尺。
物理实验迈克尔逊干涉仪实验迈克尔逊干涉仪是一种基于干涉现象的物理实验装置，由美国物理学家阿尔伯特·迈克尔逊于1881年发明。
通过迈克尔逊干涉仪实验，我们可以观察到光的干涉现象，并进一步了解光的波动性和光的性质。
在本文中，我们将介绍迈克尔逊干涉仪的实验原理、实验步骤和实验结果的分析。
实验原理：迈克尔逊干涉仪的实验原理基于光的干涉现象和分光反射镜的特性。
迈克尔逊干涉仪由两面相互垂直的镜子组成，其中一面是半透明的分光反射镜。
当光线照射到分光反射镜上时，一部分光线透射通过，一部分光线反射掉。
透射光线和反射光线沿不同的路径传播，最终再次相遇形成干涉现象。
实验步骤：1. 准备实验材料和仪器，包括迈克尔逊干涉仪、光源、干涉纹检测器等。
2. 将迈克尔逊干涉仪放置在水平台上，并确保镜子垂直地安装在支架上。
3. 将光源置于适当的位置，使得光线能够照射到分光反射镜上。
4. 调整分光反射镜的角度，使得反射光线和透射光线的路径长度相等。
5. 打开干涉纹检测器，观察干涉纹的出现和变化。
6. 调整迈克尔逊干涉仪的一面镜子的位置，观察干涉纹的变化，记录实验结果。
实验结果分析：通过迈克尔逊干涉仪的实验，我们可以观察到干涉纹的出现和变化。
干涉纹是由光的干涉产生的亮暗交替的条纹，用于表示光的波动性和光的相位变化。
在实验中，当两束平行光线从迈克尔逊干涉仪的分光反射镜射出后，经过两面镜子的反射和透射，再次相遇时，光线的相位差会引起干涉现象。
如果两束光线的光程差是波长的整数倍，将会有加强干涉现象的出现，形成明条纹；而如果光程差是波长的半整数倍，将会有干涉现象的减弱甚至消失，形成暗条纹。
通过观察干涉纹的出现和变化，我们可以判断出光线的相位差和波长的关系，从而进一步了解光的波动性和干涉现象。
总结：迈克尔逊干涉仪实验是一种基于光的干涉现象的物理实验。
通过观察干涉纹的出现和变化，我们可以了解光的波动性和光的性质。
在实验中，我们需要准备实验材料和仪器，并按照实验步骤进行操作。
利用迈克尔孙干涉仪研究光的干涉和光场的时间相干性摘要：迈克尔孙干涉仪是非常有用的实验仪器，它是很多干涉仪的原型，本实验利用迈克尔孙干涉仪研究了光的干涉和光场的时间相干性，取得了不错的效果。
成功地测得了氦氖激光的波长，观察到了等倾干涉与等厚干涉的图像变化，并利用仪器研究了光拍现象，测出了钠黄光两条谱线之间的波长差，估测了白光的相干长度和谱线宽度。
实验进行得较成功，取得了较理想的结果。
关键词：迈克尔孙干涉仪时间相干性光拍波长差相干长度谱线宽度Research on interference of light and temporal coherence of light field by Michelson interferometerAbstract: Michelson interferometer is a very useful instrument. It is the prototype of many other interferometers. This experiment use Michelson interferometer to study interference of light and temporal coherence of light field. The experiment succeeded in measuring Helium-neon laser wavelength, watching the change of equal inclination interference and equal thickness interference, studying optical phenomenon, measuring wavelength difference between two spectral lines of sodium yellow light, and estimating coherence length and line width of white light. The result is good and accurate.Key Words: Michelson interferometer temporal coherence optical phenomenon wavelength difference coherence length line width1 引言迈克尔孙是世界著名的实验物理学家，他进行了三项闻名于世的实验：迈克尔孙—莫雷以太零漂移、推断光谱的精细结构、用光波波长标定标准米尺。
他因在实验物理上的巨大贡献获得了1907年的诺贝尔物理奖。
由他设计的迈克尔孙干涉仪设计精巧、用途广泛，是许多现代干涉仪的原型，它不仅可用于精密测量长度，还可用于测量介质的折射率，测定光谱的精细结构等。
迈克尔孙干涉仪在设计时运用了多种物理学思想，学习使用它进行科学研究对大学生物理素养的提高有很大的帮助。
2 实验原理与方法2.1 迈克尔孙干涉仪的使用图一图一即为迈克尔孙干涉仪的示意图，图二为迈克尔孙干涉仪的光路图。
图二由光源S发出的光束，射入G1，被其后表面的半反射膜分成光强近似相等的光束1和光束2，光束1近于垂直地入射到平面镜M1，经反射沿原路返回，透过G1而到达E处。
光束2在透过G2后，近于垂直地入射到平面镜M2上，经反射沿原路返回，在G 1后表面反射，在E 处与光束1相遇而发生干涉。
G 2的作用在于使光束2在玻璃中的光程与光束1相同。
这就是迈克尔孙干涉仪的基本原理。
图二中M 2′是M 2由G 1的半反射膜形成的虚像。
观察者从E 处去看，光束2好像是从M 2′射来的。
因此干涉仪所产生的干涉条纹可以看成是由M 1、M 2′之间的空气薄膜所产生的薄膜干涉条纹。
因为M 2′不是实物，所以可方便地改变M 1和M 2′的距离（即薄膜的厚度），可以重叠或相交，在某一镜面前还可放置其他被研究的物体，这为干涉仪的广泛应用提供了方便。
2.2 光的干涉基本现象和单色光波长的测定2.2.1 点光源的非定域干涉激光束经短焦距凸透镜扩束后可得到点光源S ，它发出的球面波经G 1反射可等效为由虚光源S 1、S 2发出的两列球面波。
这两列球面波在它们相遇的空间里产生干涉条纹，这种干涉称为非定域干涉，如图三所示。
图三S 1、S 2发出的球面波在接受屏上任一点P 的（对应于入射角为θ）光程差为：∆=S 1P ̅̅̅̅̅−S 2P ̅̅̅̅̅θ=√(Z+2d)2+R2−√Z2+R2由于Z≫d，且在入射角θ很小时，上式可简化为∆=2d cosθ由上式可知，θ=0时，干涉圆环的中心处光程差有极大值，即中心处相干级最高。
所以当d增加时，在屏上将显示一个个从中心吐出向外扩张的活动的干涉环纹使整个图案环纹逐渐变密：当d减小时，在屏上将显示一个个环纹向中心吞进而消失，整个图案环纹逐渐变疏直至消失。
每吐出或吞进一圈环纹，说明相干光光程差改变了一个波长λ。
吐出或吞进N个环纹，相干光光程差改变为：δ∆=2δd=Nλ由此可得：δd=N λ22.2.2 扩展光源、定域干涉条纹在点光源后放置毛玻璃屏即得到扩展光源。
来自扩展光源上不同的点在薄膜表面产生的干涉条纹不完全相同，致使扩展光源所生成的干涉条纹只在一定的位置上出现，这种干涉称为定域干涉。
定域干涉又分为等倾干涉和等厚干涉。
图四图四即位等倾干涉。
当M1与M2′互相平行，用扩展光源照明。
对倾角θ相同的各光束，分别由M1、M2′表面反射形成两束光。
此时在E 方，用眼睛直接观察，θ可以看到一组同心圆，扩展光源生成的等倾干涉条纹定域于无穷远。
图五图五即为等厚干涉。
当M 1与M 2′有一很小角度α，且M 1、M 2′所形成的空气很薄时，用扩展光源照明就出现等厚干涉条纹。
2.3 光场的时间相干性研究2.3.1 光源的时间相干性在迈克尔孙干涉仪的实际操作中,M 1与M 2′的距离超过一定范围使得光程差过大时，就会导致干涉条纹模糊甚至消失，这是与光源的时间相干性有密切关系的。
时间相干性是光源相干程度的一种描述，相干长度L m 和t m 是描写光源时间相干性的两个物理量，L m 和t m 与单色光的中心波长λ0和谱线宽度δλ之间的关系为L m ≈λ02δλ; t m =L m c ≈λ02cδλ可见，光源的单色性越好、δλ越小，相干长度就越长、光源的时间相干性就越好。
2.3.2 干涉条纹的可见度、光拍现象(1) 干涉条纹的可见度定义为 γ=I max −I min I max +I min其中I max 为观察点附近的极大光强，I min 为观察点附近的极小光强。
显然I min =0，I max ≠0时，γ=1，可见度最大，干涉条纹最清晰；I min =I max 时，γ=0，α此时看不到干涉条纹。
(2)双线结构的光源使干涉条纹的可见度随光程差作周期性变化——光拍现象双线结构的钠黄光照射迈克尔孙干涉仪时，波长λ1和λ2的单色光分别产生一套自己的干涉图像，实际观察到的干涉图像是这两套图像的非相干叠加。
叠加的结果使得干涉条纹的可见度随镜面M1与M2′之间光程差的变化作周期性变化，即在增加光程差的过程中，干涉条纹由清晰→消失→清晰→消失，条纹可见度呈周期性变化，出现了“拍”现象。
分析光拍现象中各物理量关系可得：∆λ=λ2−λ1≈λ̅2 2∆d式中∆d为相邻两次可见度最小时对应的动反射镜M1移动的距离，λ̅=12(λ1+λ2)。
3 实验内容(1)调试迈克尔孙干涉仪的光路;(2)观察非定域干涉条纹;(3)利用非定域干涉的条纹测量氦氖激光器的波长λ;(4)观察定域干涉条纹;(5)研究光源的时间相干性，估测白光光源的相干长度L m和谱线宽度δλ；(6)研究光拍现象，测量钠黄光两条谱线之间的波长差∆λ及其不确定度U∆λ。
4 实验结果与讨论4.1 氦氖激光波长λ的测量进行相关实验后，得到如下结果：λ̅=6.24594×10−7mλ的不确定度：Uλ=1.9×10−9m实验结果：λ=λ̅±Uλ=(62.46±0.19)×10−8m4.2 定域干涉条纹的干涉图像(1)M1与M2′平行当M1与M2′靠近时，干涉条纹由密变疏，且变得不清晰，当M1与M2′重合时，干涉条纹消失，当M1与M2′再度分开时，干涉条纹又出现，变清晰，且由疏变密。
(2)M1与M2′不平行当M1在M2′后方时，干涉条纹向左弯，当M1靠近M2′时，条纹向左移动，且变密，当M1与M2′相交时，条纹近似平行，当M1在M2′前方且逐渐远离时，条纹向左移动，变疏，且向右偏。
4.3 光拍现象δd̅̅̅=0.850×10−3m∆d=δd̅̅̅3=0.283×10−3mUδd̅̅̅̅=0.005×10−3m U∆d=0.0017×10−3mU∆λr=U∆d∆d=0.006∆λ=λ̅22Δd=0.6136nmU∆λ=0.004nmΔλ=(0.614±0.004)nm 与理论值0.6nm符合得较好。
4.4 白光的时间相干性由实验得：d1=40.90606mm,d2=40.91081mm.则L m=0.00475mm数量级正确。
谱线宽度δλ≈6.37×10−8m5 参考文献。
