分振幅法双光束干涉

1 迈克尔逊干涉仪是1883年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作设计制作出来的精密

光学仪器。它利用分振幅法产生双光束以实现光的干涉，可以用来观察光的等倾、

等厚和多光束干涉现象，测定单色光的波长和光源的相干长度等。在近代物理和计量技术中有广泛的应用。 1．了解迈克尔逊干涉仪的特点，学会调整和使用。 2．学

习用迈克尔逊干涉仪测量单色光波长及薄玻璃片厚度的方法。 WSM-100型迈克尔

逊干涉仪，HNL－55700型He-Ne激光器、扩束镜，白赤灯，毛玻璃片，光具座，薄

玻璃片。 迈克尔逊干涉仪工作原理：如图10-1所示。在图中S为光源，G1是分束板，G1的一面镀有半反射膜，使照在上面的光线一半反射另一半透射。G2是补偿板，M1、M2为平面反射镜。 光源He-Ne激光器S发出的光经会聚透镜L扩束后，射入G1

板，在半反射面上分成两束光：光束1经G1板内部折向M1镜，经M1反射后返回，再

次穿过G1板，到达屏E；光束2透过半反射面，穿过补偿板G2射向M2镜，经M2反射

后，再次穿过G2，由G1下表面反射到达屏E。两束光相遇发生干涉。 补偿板G2的

材料和厚度都和G1板相同，并且与G1板平行放置。考虑到光束1两次穿过玻璃板，G2的作用是使光束2也两次经过玻璃板，从而使两光路条件完全相同，这样，可以

认为干涉现象仅仅是由于M1镜与M2镜之间的相对位置引起的。 为清楚起见，光路

可简化为图10-2所示，观察者自E处向G1板看去，透过G1板，除直接看到M1镜之外，

还可以看到M2镜在G1板的反射像M2??，M1镜与M2??构成空气薄膜。事实上M1、M2镜所引起的干涉，与M1、M2??之间的空气层所引起的干涉等效。 1．干涉法测光波波长原理： 考虑M1、M2??完全平行，相距d时的情况。点光源S在镜M1、M2??

中所成的像s??、s构成相距d2的相干光源，光路如图10-3所示。设s到0点的

距离为h。这种情况下，干涉现象发生在两光相遇的所有空间中，因此干涉是非定域

第34卷󰀁第2期西南师范大学学报(自然科学版)2009年4月

Vol󰀁34󰀁No󰀁2󰀁󰀁JournalofSouthwestChinaNormalUniversity(NaturalScienceEdition)Apr󰀁2009

文章编号:1000󰀂5471(2009)02󰀂0193󰀂04

多光束干涉法精确测量金属线胀系数󰀂

史宏凯1,󰀁史宏亮2,󰀁胡󰀁强3,󰀁谢文波1,󰀁王󰀁跃1

1󰀁西南大学物理科学与技术学院,重庆400715;2󰀁兰炼第一中学,兰州730060;3󰀁中国科学院近代物理研究所,兰州730000

摘要:根据光学等倾干涉的原理,设计了一种新的测量金属线胀系数的装置与方法.自行设计了测量金属线胀系

数的多光束干涉装置.利用多光束干涉产生的同心圆环的吞吐量精确测量了黄铜的线胀系数,相对误差为0󰀁07%.并分析了多光束干涉法测金属线胀系数的优点.关󰀁键󰀁词:多光束干涉;线胀系数;等顷干涉

中图分类号:O4󰀂3文献标识码:A

在日常生活与实际生产中,通常将固体受热后在一维方向上长度的增加称为线膨胀[1].在相同条件

下,不同材料的固体,其线膨胀程度一般都不同.线胀系数作为材料膨胀属性的一种表征,其测量不仅是

物理实验教学的一个重要内容,而且在道路、桥梁、建筑、精密仪器、仪表等设计及材料的焊接、加工等各

种领域都有十分广泛的应用.

目前,对金属线胀系数的测定有光杠杆法[2]、读数显微镜法[3]、电热法[4]等测量方法.在用这些方法

测量的过程中,由于需要直接测量的量过多,操作较复杂,以至于实验的系统误差与偶然误差偏大,例如,

用光杠杆法测金属线胀系数时由于近似公式的采用与复杂的操作使其系统误差偏大,同时由于读数装置配

备不合理引入的偶然误差也较大,以至于其相对误差达4󰀁4%[2].而读数显微镜法因为视觉引起的偶然误

差与电热法实际温度与传感器的延迟引起的系统误差等都极大的限制了其测量精度.

实验八 迈克尔逊干涉仪的调节和使用

迈克尔逊干涉仪是一种典型的用分振幅法产生双光束以实现干涉的精密光学

仪器．通过调整该干涉仪，可以产生等倾条纹，也可以产生等厚条纹和非定域条

纹，还可以用来研究普通光源的时间相干性．相干光源的获取除用激光外，在实

验室中一般是将普通钠光源采用分振幅法使其在空间经不同路径会合后产生干

涉． ·实验目的

1．了解迈克尔逊干涉仪的结构及特点、学会调节和使用方法；

2．调出面光源的等倾条纹，观察其特点，掌握条纹随动臂的变化规律；测量

钠D双线的平均波长及波长差，加深对时间相干性的理解；

3．调出点光源非定域条纹，并测量激光源的波长；了解观察复色白光的零级

等厚条纹和面光源的等厚干涉条纹．（选做） ·实验仪器

迈克尔逊干涉仪，钠灯，毛玻璃屏，扩束镜，孔屏，激光光源等． 图8-1为迈克尔逊干涉仪实物图．图8-2是迈克尔逊干涉仪的光路示意图，

图中M1和M2是在相互垂直的两臂上放置的两个平面反射镜，其中M2是固定的；M1由精密丝杆控制，可沿臂轴前、后移动，移动的距离由刻度转盘(粗读和细读两

组刻度盘组合而成)读出，仪器前方粗动手轮最小分格为10-2mm,右侧微动手轮的

最小分格为10-4mm,可估读至10-5mm．在两臂轴线相交处，有一与两轴成45°角的

平行平面玻璃板G1，它的后表面上镀有半透（半反射）的银膜，以便将入射光分

成振幅接近相等的反射光1和透射光2，故G1又称为分光板．G2也是平行平面玻璃

板，与G1平行放置，厚度和折射率均与G1相同．由于它补偿了光线1和2因穿越G1次数不同而产生的光程差，故称为补偿板．

从扩展光源S射来的光在G1处分成两部分，反射光1经G1反射后向着M1前进，

透射光2透过G1向着M2前进，这两束光分别在M1、M2上反射后逆着各自的入射方

向返回，最后都达到E处．因为这两束光是相干光，因而在E处的观察者就能够看

到干涉条纹．

由M2反射回来的光在分光板G1的第二面上反射时，如同平面镜反射一样，使M2在M1附近形成M2的虚像M2′，因而光在迈克尔逊干涉仪中自M1和M2的反射相当

迈克尔杰克逊干涉仪发展史

迈克尔逊干涉仪,是1883年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作，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

迈克尔逊干涉仪的应用

1、迈克耳孙-莫雷实验：观测以太风，并得出以太不存在的结论

2、激光干涉引力波：通过迈克尔逊干涉仪测量由引力波引起的激光的光程变化

3、行星的探测：迈克尔逊干涉仪用于寻找太阳系外行星

4、迈克耳孙干涉仪还在延迟干涉仪，即光学差分相移键控解调器（Optical DPSK）的制造中有所应用，这种解调器可以在波分复用网络中将相位调制转换成振幅调制。

5、测量气体固体的折射率

6、测量光波的波长

干涉仪的种类

太曼格林(Twyman Green)干涉仪、菲索(Fizeau)干涉仪、麦克詹達干涉仪(Mach-Zender)、剪像(shearing)干涉计及麦克森(Michelson)干涉仪、法布里－派洛(Fabry-Perot)干涉仪sagnac干涉仪、激光干涉仪、Zygo干涉仪、F-P光纤干涉仪

等倾干涉的特点：

1、d一定的时候，靠近中心的干涉圆环角度越大，干涉条纹中间系数边缘密集

2、角度一定的时候d越小，角度变化越大，条纹随着d的减小而变得稀疏。