迈克尔逊干涉仪与光源的时间相干性研究

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。

迈克耳孙干涉仪实验报告实验目的1、了解迈克尔逊干涉仪的结构及工作原理，掌握其调试方法2、学会观察非定域干涉、等倾干涉、等厚干涉及光源的时间相干性，空间相干性等重要问题。

实验原理1. 迈克尔逊干涉仪的光路迈克尔逊干涉仪有多种多样的形式，其基本光路如图5.16.1所示。

从光源发出的一束光，在分束镜的半反射面上被分成光强近似相等的反射光束1和透射光束2。

反射光束1射出后投向反射镜，反射回来再穿过；光束2经过补偿板投向反射镜，反射回来再通过，在半反射面上反射。

于是，这两束相干光在空间相遇并产生干涉，通过望远镜或人眼可以观察到干涉条纹。

补偿板的材料和厚度都和分束镜相同，并且与分束镜平行放置，其作用是为了补偿反射光束1因在中往返两次所多走的光程，使干涉仪对不同波长的光可以同时满足等光程的要求。

2. 等倾干涉图样(1) 产生等倾干涉的等效光路如图2所示（图中没有绘出补偿板），观察者自点向镜看去，除直接看到镜外，还可以看到镜经分束镜的半反射面反射的像。

这样，在观察者看来，两相干光束好象是由同一束光分别经和反射而来的。

因此从光学上来说，迈克尔逊干涉仪所产生的干涉花样与、间的空气层所产生的干涉是一样的，在讨论干涉条纹的形成时，只要考虑、两个面和它们之间的空气层就可以了。

所以说，迈克尔逊干涉仪的干涉情况即干涉图像是由光源以及、和观察屏的相对配置来决定的。

(2) 等倾干涉图样的形成与单色光波长的测量当镜垂直于镜时，与相互平行，相距为。

若光束以同一倾角入射在和上，反射后形成1和两束相互平行的相干光，如图3所示。

过作垂直于光线。

因和之间为空气层，，则两光束的光程差为所以（1）当固定时，由（1）式可以看出在倾角相等的方向上两相干光束的光程差均相等。

由此可知，干涉条纹是一系列与不同倾角对应的同心圆形干涉条纹，称为等倾干涉条纹。

由于1、两列光波在无限远处才能相遇，因此，干涉条纹定域无限远处。

①亮纹条件：当时，也就是相应于从两镜面的法线方向反射过来的光波，具有最大的光程差，故中心条纹的干涉级次最高。

工程光学课程设计（论文）题目数字化分析光的相干性学院物理与电子工程学院光源的相干性分析与应用摘要：光的相干性是光学中的重要概念之一。

相干效应可分为空间相干性和时间相干性，前者与光源的几何尺寸有关，后者则与光源的相干长度或单色性（带宽）有关。

迈克耳逊干涉仪为测量时间相干性提供了一种方便的技术；空间相干性则由杨氏双逢实验作出了最好的证明。

实际上许多光源都不是理想的点光源，而是有一定的几何尺寸的扩展光源，产生的光不可能是单色的。

一般来说，我们可以这样认为，对普通光源（扩展光源）的相干性分析，同时也适用于点光源，最深层的精髓没有发生变化。

本文介绍了用MATLAB仿真杨氏双缝干涉的实验，来数字化处理实验现象，以减少客观的误差对于整个实验的影响，方便同学们能够更好地了解。

同时也着重介绍了迈克尔逊干涉仪工作的基本原理，时间相干性的基本概念以及用不同光源为例，简单的说明光源的时间相干性的问题。

根据光源的一些特性，还有一些具体的应用，激光具有单色性，相干性等一系列极好的特性。

比如激光的应用。

激光在未来的发展过程中，将会有更大的发展前景。

关键字：时间相干性；MATLAB；空间相干性；迈克耳孙干涉仪；激光目录第一章引言 (1)第二章理论基础 (1)2.1 相干时间和相干长度 (1)2.2 空间相干性 (2)2.3 时间相干性 (3)2.4相干性的描述 (4)2.4 迈克尔逊干涉仪的工作原理 (4)第三章光源的相干性分析和应用 (5)3.1 杨氏双缝干涉与空间相干性 (5)3.2 迈克耳孙干涉仪与时间相干性 (8)3.2.1干涉条纹的可见度 (8)3.2.2不同的光说明时间相干性 (9)3.3应用 (10)第四章全文总结 (11)4.1 主要结论 (11)4.2 主要创新点 (12)仿真代码 (12)参考文献 (13)第一章引言虽然光学是物理学中最古老的一门基础学科，但是在当前科学研究中依然活跃，具有很强的生命力和研究价值。

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。

迈克尔逊干涉仪白光干涉现象实验原理1. 引言嘿，朋友们，今天我们来聊一聊一个既神奇又有点儿“高大上”的话题——迈克尔逊干涉仪和它的白光干涉现象。

别被这个复杂的名字吓到，其实它就像是一场有趣的光的舞蹈。

想象一下，光线就像舞者，在舞台上尽情地旋转，跳跃，转着圈，最后竟然会形成一些美妙的花样，真是令人惊叹不已呀！咱们先把这个仪器的名字拆开说说。

迈克尔逊——这位老兄可不简单，他可是个大科学家。

不过，咱们今天不聊他的个人生活，而是上手操作他的“干涉仪”，把这个“高大上”的名字说得多简单就有多简单。

2. 干涉的原理2.1. 什么是干涉？首先，干涉的原理可以理解为光线的“相聚相对”。

你可以想象一下，两个小朋友在操场上同时向同一个方向跑，他们手里各自拿着一个气球，假设这两个气球的颜色不同。

当他们相遇的时候，气球的颜色可能会“重叠”，也就是说，通过这个碰撞，他们的气球会让你看到新奇的形状或颜色。

光也是这样的，两个光束碰到一起，就会形成一些新玩意儿。

2.2. 干涉仪的构造接下来，我们说说迈克尔逊干涉仪到底是个什么玩意儿。

它就像是一个光的舞台，有两个主要的“舞者”：一条光束从一个地方来，经过一个分束器（我们也可以叫它“舞台指挥”，嘿嘿），分成两条光束。

这两条光束就像是两支队伍，他们分别跑去不同的方向，经过不同的路径，然后又在另一个地方重新汇合在一起，展开一场“光的对决”。

就这样，两条光线在分束器以后，各自摸索着“路”，最后又在同一个地方会面。

这个地方就像是一个光影的舞台，准备迎接他们的“华丽重聚”。

而重聚后的效果，哦，那可是五彩缤纷，简直就是让人眼前一亮的视觉盛宴！3. 白光干涉的奇妙之处3.1. 为什么是白光？咱们的干涉现象用白光，有什么特别的吗？当然有！白光是我们日常生活中最常见的光，像阳光啊，灯光啊，都是白光。

可是，白光其实是由很多不同颜色的光混合而成的。

就像彩虹一样，红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫，每种颜色都有它独特的“个性”。

竭诚为您提供优质文档/双击可除迈克尔逊干涉实验报告篇一：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。

迈克尔逊干涉仪(二)---光源的时间相干性[学习重点]1.从物理原理上理解光源的时间相干性;2.通过白光干涉与具有不同谱线宽度的光源干涉现象的对比,认识光源谱线宽度对相干长度的影响.3.熟练掌握迈克尔逊干涉仪元件和光路的调节, 熟练调出等厚和等倾干涉图案.4.在读取数据和处理数据时,如何减小测量误差以及如何正确运用有效数字概念.[教学要求]一. 对物理概念和原理的提问及讨论(下面1,2,3,项在动手前讨论,4—6项在实验中讨论)1.什麽是光源的时间相干性,其物理机制是什麽.2.描述光源时间相干性的物理量有那些,与那些因素有关.3.光源的时间相干性和空间相干性从本质上看,各反映什麽物理问题.4.什麽是干涉条纹可见度(反衬度), 光源光谱分布对干涉条纹可见度的影响; 在各类不同光源的情况下干涉条纹可见度与光程差的关系.5.了解不同类型的滤光片的光学特性.6.光源是汞黄双线时,干涉条纹可见度呈现周期性变化,即出现”拍”的物理机制.参考赵凯华,钟锡华<光学>北京大学出版社,1984.二. 实验安排,操作和测量:1. 熟练调节迈克耳孙干涉仪,调出等厚和等倾干涉图案.2. 用白光,及分别在白光光源前加橙红玻璃和黄干涉滤光片作光源,调出等厚干涉(条纹)图案,测量不同光源的相干长度,并计算相干时间,将结果进行比较,得出结论.3. 用汞灯双黄线作光源, 调出近似等倾干涉条纹,观察条纹可见度随光程差作周期性变化M镜的位置,并计算的”拍”的现象; 测量最大光程差即汞黄光的相干长度和出现”拍”时1光源的谱线宽度(即双黄线的波长差).[实验难点]1.调出要求的白光等厚干涉图案,以及等倾干涉图案.调得好的关键在于学生对调节仪器的要领理解和掌握好(”迈一”实验基础打好),物理图像和实际操作要自觉联系起来.M镜的位置,判断误差较大.(解决办法:要求学生先测量2.测量汞灯双黄线光源出现”拍”时1最大光程差,并且在仔细观察整个过程中出现的现象后,再进行”拍”的测量,以便较好地判断出现”拍”的位置,尽可能减小测量误差)。

迈克耳孙干涉仪实验报告摘要：迈克耳孙干涉仪设计精巧、用途广泛，是许多现代干涉仪的原型。

本实验利用迈克耳孙干涉仪对光的干涉基本现象进行了观察，对单色光波长进行了测定，并对光场的时间相干性进行了研究。

关键词：迈克耳孙干涉仪；光的干涉；单色波波长；光场的时间相干性The Report of Michelson InterferometerExperimentAbstract: The Michelson interferometer is the model of many modern interferometers because of its elaborate design and widespread use. The experiment observed the basic phenomenon of interference of light, measured the wavelength of monochromatic light and studied the temporal coherence of light field.Key words: Michelson interferometer; interference of light; wavelength of monochromatic light;temporal coherence of light field1881年迈克耳孙制成第一台干涉仪。

后来，迈克耳孙利用干涉仪做了三个文明于世的实验：迈克耳孙-莫雷以太零漂移、推断光谱精细结构、用光波波长标定标准米尺。

迈克耳孙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。

迈克耳孙干涉仪设计精巧、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，还可应用于测量介质的折射率，测定光谱的精细结构等。

本实验利用迈克耳孙干涉仪对光的干涉基本现象进行了观察，对单色光波长进行了测定，并对光场的时间相干性进行了研究。

〖实验三十六〗光源的时间相干性〖目的要求〗1、观测几种光源的相干长度，加深对光源时间相干性的理解；2、测定汞黄双线的波长差λ∆（用两种方法）；3、测定汞黄双线的线型与线宽δλ（选做），定量认识谱线的线型、线宽δλ和双线波长差λ∆对干涉图各有什么影响。

〖仪器用具〗迈克尔逊干涉仪，He-Ne 激光器，低压汞灯，白炽灯，小孔光阑，扩束透镜，黄干涉滤光片（透过光谱宽度为12nm ，中心波长为578.0nm ），颜色玻璃。

〖实验原理〗用M-干涉仪测量光场的最大光程差时，通常是根据干涉条纹清晰可见的程度来判断的。

干涉条纹的可见度（即衬比度）定义为：max minmax minI I I I γ-=+当光程相等时，条纹最清晰，可见度最大。

缓慢移动1M 镜，增加光程差，条纹的可见度也随之变化，直至干涉条纹最后消失为止，这时条纹可见度为零。

由此可确定光掘的最大光程差max L ∆。

1、准单色光设某一准单色光的中心波长为0λ，谱线宽度为δλ，该准单色光可视为由波长02δλλ⎛⎫- ⎪⎝⎭到02δλλ⎛⎫+ ⎪⎝⎭之间的、连续变化的光波组成。

每一个波长都可产生一套自己的干涉条纹，总强度是δλ波长范围内不同波长的各套干涉条纹的非相干叠加。

当波长为02δλλ⎛⎫- ⎪⎝⎭的()1k +级极大和波长为02δλλ⎛⎫+ ⎪⎝⎭的第k 级极大正好重合时，条纹可见度降为零，看不见干涉条纹。

此时对应的光程差max L ∆叫相干长度。

由此可导出有一定波长范围δλ的光，能够形成干涉条纹的条件是：()max 00122L L k k δλδλλλ⎛⎫⎛⎫∆≤∆=+-=+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭可得：200max k L λδλλδλ=∆=从以上两式可见：δλ越小，光源单色性越好，k 就越大，所能观察到的干涉条纹级数就越多，相应的max L ∆也就越大，相干长度就越长。

由光源的相干长度，可求出光源的相干时间max 0L t c c λδλ∆==2、双线结构的光光源发出的光含有波长1λ和2λ，且211λλλλ-=∆ 。

利用迈克尔逊干涉仪测量汞灯光源的相干长度摘要该实验应用光的等倾干涉和等厚干涉,同时借助迈克尔逊干涉仪,快速、精确测量出光源的相干长度。

实验方法,在很大程度上减小了实验误差,从而提高了各种光源相干长度测定值的精确度。

关键词迈克尔逊干涉仪;低压汞灯;相干长度0 引言利用迈克尔逊干涉仪可以测量光源的相干长度,然而现已知的许多光源如钠灯、汞灯等的相干长度却不是很精确,不同资料上的光源的相干长度的数据甚至相差很大。

该实验利用迈克尔逊干涉仪精确测量了汞灯光源的相干长度,并取得了预期的效果。

1 实验原理迈克尔逊干涉仪是一种在近代物理和近代计量技术中起着重要作用的光学仪器。

利用迈克尔逊干涉仪可以观察等倾等厚干涉条纹、测量光源的相干长度。

相干长度是光源时间相干性或单色性的一种量度[1],是在相干光学中一个很重要的概念。

在使用迈克尔逊干涉仪进行实验的过程中,当平面镜像之间的距离超过一定的限度后,就观察不到干涉现象了。

这是因为,每个波列有一定的长度。

如图1所示,在迈克尔逊干涉仪的光路中,图1迈克尔逊干涉仪点光源先后发出两个波列a和b,每个波列都被分光板G1分成两个波列(1)和(2),分别用a1、a2和b1、b2表示。

当两光路的光程差不太大时,由同一个波列分出的两个波列a1和a2、b1和b2在一点重叠,这时能够发生干涉。

如果两光路的光程差太大时,a1和a2、b1和b2不再重叠,而相互重叠的却是a2和b1,此时不能发生干涉现象。

这也是说,两光路的光程差不能超过列波长度LC。

因此,两个光束产生干涉效应最大的光程差δm为该列波长度LC,最大的光程差δm称为该光源所发光的相干长度。

与相干长度相对应的时间△t=δm/C称为相干时间。

相干长度和相干时间标志着一个光源相干性的好坏,相干长度越大,则该光源的相干性就越好。

对一个半宽度为的准单色光来说,其相干长度为(1)如果光源波长的半宽度很小,则其中心波长,这样准单色光源的相干长度可表示为。