迈克尔逊干涉仪.共23页

提高测量精度的措施
使用高精度仪器
选择加工精度高、装配精度高的迈克 尔逊干涉仪，能够减少仪器本身带来 的误差。
细致调整
在实验前对迈克尔逊干涉仪进行细致 的调整，确保干涉条纹完全对齐，以 减小调整误差的影响。
控制环境因素
尽可能在恒温、无气流和振动的环境 中进行实验，以减小环境因素对实验 结果的影响。
重复测量
等方面将更加智能化和自动化。
03
多功能化与拓展应用
未来迈克尔逊干涉仪将进一步拓展应用领域，不仅局限于光学和物理学
，还将应用于化学、生物学等领域，实现更多功能和应用。
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折射率测量
迈克尔逊干涉仪可以用于测量介质的 折射率，这对于光学玻璃、晶体等材 料的检测和表征具有重要意义。通过 干涉仪测量折射率，可以获得高精度 的结果。
光学玻璃的检测
光学玻璃的折射率
迈克尔逊干涉仪可以用于检测光学玻璃的折射率，这对于光学仪器的制造和校准具有关键作用。通过干涉仪测量 折射率，可以确保光学元件的性能和精度。
光学玻璃的均匀性
迈克尔逊干涉仪还可以用于检测光学玻璃的均匀性，即检查玻璃内部是否存在杂质或气泡。通过观察干涉条纹的 变化，可以判断玻璃的质量和加工工艺。
物理实验中的重要工具
基础物理实验
迈克尔逊干涉仪是许多基础物理实验的重要工具，如光速的测量、光的波动性研究等。通过使用迈克 尔逊干涉仪，学生可以深入理解光的干涉原理和波动性质。
暗物质与暗能量研究
迈克尔逊干涉仪可以用于寻找暗物质和暗能量的线索，帮助解决宇宙 学中的重大问题。
迈克尔逊干涉仪在技术领域的应用前景
1 2 3
量子信息技术
迈克尔逊干涉仪是量子通信和量子计算中的关键 组件，对于量子密钥分发和量子纠缠态的制备具 有重要意义。

条纹； 3. 测量半导体激光的波长； 4. 测量纳黄光双谱线的波长差； 5. 了解光源的时间相干性 。
实验仪器
迈克尔逊干涉仪
M1在导轨上由粗动手轮和微动手轮的转动而前后移动。 转动手轮，移动M1，使干涉条纹对比度为零（或最大），记下M1的位置d1。 熟悉迈克尔逊干涉仪的结构和工作原理； 微动手轮：每转一圈读数窗口内刻度盘转动一格，即M1移动0.
1018m83m年，物□理□由学读家数迈窗克口尔内逊刻和度莫盘雷读合出作。，为证明“以太”存在设计制造了第一台用于精密测量的干涉仪--迈克尔逊干涉仪，它是在平板或薄膜
干涉现象的基础上发展起来的。
测量三次取平均，有效数字取三位。
(λ1=589.0nm λ2=589.6nm)
5. 实验注意事项
光学元件表面严禁触摸，精密仪器操作耐心细致， 反射镜粗到微动螺丝不能出现拧紧拧死现象，出现不好调 节情况及时报告指导教师。
2
M1在位导置轨的上读由数粗为动：手××轮. 和微动手轮的转动而前后移动。
粗迈动克手 尔轮逊：还每用转该一干圈涉可仪动测全量反出镜太移阳动系以1m外m星，球读的数大窗小口。内刻度盘转动一圈共100个小格，每小格为0. 测再量继纳 续黄移光动双M1谱，线使的干波涉长条差纹；对比度再次为零（或最大），记下M1的位置d2。
半导体激光器 测量三次取平均，有效数字取三位。
再继续移动M1，使干涉条纹对比度再次为零（或最大），记下M1的位置d2。 测量三次取平均，有效数字取三位。 了解光源的时间相干性 。 测量三次取平均，有效数字取三位。
钠光灯
溴钨灯
迈克尔逊用镉红光波长作为干涉仪光源来测量标准米尺的长度，建立了以光波长为基准的绝对长度标准。 发现真空中的光速为恒定值，为爱因斯坦的相对论奠定了基础。 M1位置的读数为：××. M1在导轨上由粗动手轮和微动手轮的转动而前后移动。 M1位置的读数为：××. 粗动手轮：每转一圈可动全反镜移动1mm，读数窗口内刻度盘转动一圈共100个小格，每小格为0. M1在导轨上由粗动手轮和微动手轮的转动而前后移动。 01mm，□□由读数窗口内刻度盘读出。 迈克尔逊还用该干涉仪测量出太阳系以外星球的大小。 1883年物理学家迈克尔逊和莫雷合作，为证明“以太”存在设计制造了第一台用于精密测量的干涉仪--迈克尔逊干涉仪，它是在平板或薄膜 干涉现象的基础上发展起来的。 纳黄光双谱线的波长差的测量原理和测量方法 转动手轮，移动M1，使干涉条纹对比度为零（或最大），记下M1的位置d1。 0001mm，还可估读下一位。 可动全反镜移动及读数 测量三次取平均，有效数字取三位。 了解光源的时间相干性 。

h m
2 就可算出待测物体的长度。式中，m 是从物体起端 到末端记录仪记录的条纹数。
Δ 2nh cos2 m 2h
精选课件ppt
25
2)光纤迈克尔逊干涉仪
随着光纤技术的发展，光纤传感器已经获得了广泛 的应用。在众多的光纤传感器中，有许多装置的工 作原理，实际上是由光纤构成的迈克尔逊干仪。
光源L
时，条纹定域在无穷远
处，或定域在 L2 的焦 平面上；当 M2 和 G2 同 时绕自身垂直轴转动时，
条纹虚定域于 M2 和 G2 之间。即通过调节M2和 G2，可使条纹定域在 M2和 G2 之间的任意位 置上，从而可以研究任
意点处的状态。
Image ImNaoge
G No 1
M2
定域位置
G2 M1
精选课件ppt
精选课件ppt
1
3.4.1 迈克尔逊干涉仪 (Michelson interferometer )
迈克尔逊干涉仪是迈克尔逊和莫雷设计出来的一种利 用分割光波振幅的方法实现干涉的精密光学仪器。其 调整和使用具有典型性。
迈克尔逊（1852~1931），美国物理 学家 ，主要贡献在于光谱学和度量 学，获1907年诺贝尔物理学奖。
所观察到的干涉
图样近似是定域
在楔表面上或楔
表面附近的一组
平行于楔边的等
厚条纹。
M1 M 2 D
Ⅰ1
A E
S
C
G1
G2
L
P
精选课件ppt
Ⅱ
M2
11
迈克耳逊干涉仪的干涉条纹
M1 M 2
M1 M 2
Bfaf0424.gif
精选课件ppt
M1 M 2
12

物理实验教学中心
Northeastern University
用迈克尔逊干涉仪测量物质折射率
用迈克尔逊干涉仪的白光干涉条纹可以测量M1镜 用迈克尔逊干涉仪的白光干涉条纹可以测量M1镜 M1 的位置。将待测薄玻璃片置入有M1镜的臂中， M1镜的臂中 的位置。将待测薄玻璃片置入有M1镜的臂中，再 次调出白光干涉条纹， 这时, 可以测到M1 M1镜的新 次调出白光干涉条纹， 这时, 可以测到M1镜的新 位置。 位置。 参考实验4.9 用迈克尔逊干涉仪测量物质折射率 参考实验4.9
物理实验教学中心
Nor理
物理实验教学中心
Northeastern University
（1）迈克尔逊干涉仪的结构与光路
分光板G 分光板 1 刻度盘 补偿板G 补偿板 2
可动镜M 可动镜 2
固定镜M 固定镜 1
粗调手轮
倾度微调 倾度微调
微调手轮
物理实验教学中心
33＋0.52＋0.00246＝ 33＋0.52＋0.00246＝33.52246mm
物理实验教学中心
Northeastern University
主尺
粗动手轮读数窗口
微动手轮
最后读数为：？ 32.52215mm 最后读数为：？
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Northeastern University
迈克尔逊干涉仪原理图
物理实验教学中心
Northeastern University
设两混叠区间距Δd0， 相应的Δk记作Δk0， 对λ1来 设两混叠区间距Δd 相应的Δk记作Δk Δk记作
2d 0 2d 0 λ 2＝ 来说， 说 λ1＝ ， 对λ2来说， k 2 k1
从而
λ2 λ = 1

思考题


1.为什么向“等光程”状态调节时，圆条纹 变粗变疏？ 2.迈克尔逊干涉仪中的圆状干涉条纹与牛顿 环的性质是否相同？为什么？ 3.如用白炽灯作光源，怎样调节干涉仪才能 看到干涉条纹？
点光源 S ，分光镜 G1 右表面 镀有半透半反膜，使入射光 分成强度相等的两束。 全反射镜 M1 和 M2 ： M2 为固 定全反射镜，背部有三个粗 调螺丝，侧面和下面有两个 微调螺丝。 M1 为可动全反 射镜，背部有三个粗调螺 丝。 观察区E，如E处的两束光满足相干条件，可发生干涉现象。 G2为补偿板，与G1为相同材料相同的厚度，且平行安装。

2 d

2
计算出黄光双谱线的波长差Δ λ ， 取589.3nm。 测量三次取平均，有效数字取三位。 (λ1=589.0nm λ2=589.6nm)

5. 实验注意事项
光学元件表面严禁触摸，精密仪器操作耐心
细致，反射镜粗到微动螺丝不能出现拧紧拧死现
象，出现不好调节情况及时报告指导教师。
2. 可动全反镜移动及读数
M1在导轨上由粗动手轮和微动手轮的转动而前后移动。
M1位置的读数为：××.□□△△△ (mm)
××在mm刻度尺上读出。 粗动手轮：每转一圈可动全反镜移动 1mm，读数窗口内刻度盘 转动一圈共 100 个小格，每小格为 0.01mm ，□□由读数窗口内 刻度盘读出。 微动手轮：每转一圈读数窗口内刻度盘转动一格，即 M1 移动 0.01mm，微动手轮有 100格，每格0.0001mm，还可估读下一位。 △△△由微动手轮上刻度读出。 注意螺距差的影响。
2d N
测量半导体激光波长，测量三次取平均，有效数字取三位。


4. 纳黄光双谱线的波长差的测量原理和测量方法

实验原理——点光源产生的非定域干涉
因此，当M２镜移动时，若有 Δn个条纹陷入中心，则表明M２ 相对于M１移近了
d n
(3)
2
反之，若有Δn个条纹从中心涌出
来时，则表明M２相对于M１移
远了同样的距离。
如果精确地测出M２移动的 距离Δd，则可由式(3)计算出入 射光波的波长。
实验原理——测量钠光的双线波长差Δλ
③去掉遮住M２的物体，在E处放置毛玻璃屏。这时可看 到两排光点。调节M2背后的三个螺钉，使两排光点中最 强的光点完全重合，则M1与M2大致相互垂直了。
实验内容——测He-Ne激光的波长
①在He-Ne激光器前放置一扩束镜（短焦距凸透镜） 形成点光源的发射光束，在E屏上可看到干涉条纹。 ②谨慎调节M2背后的三个螺钉，使条纹变宽，趋向 圆形。 ③再仔细调节M１镜的两个拉簧螺丝，直到把干涉环 中心调到视场中央。 ④将微调手轮沿相同方向旋转手轮及鼓轮调好零点。 ⑤始终沿原调零方向，细心转动微调手轮，直到干涉 环发生“涌出”或“陷入”现象，观察并记录每“涌 出”或“陷入”50个干涉环时，M2镜的位置，连续记 录8次。然后用逐差法根据公式(3)求出激光波长。并 与公认值6.328×10-7m比较。
由式(4)求得钠黄光双线的波长差。
返回
实验内容——调整仪器
①点燃He-Ne激光器，使之与分光板G１等高并且位于沿 分光板和M１镜的中心线上，转动粗调手轮，使M１镜距 分光板G１的中心与M１镜距分光板G１的中心大致相等。
②遮住M2镜，使激光束经分光板G１射向M１镜。调节激 光器的方向，使由M１反射回激光器的光，能射在光束出 发点（也可以通过观察置于激光器出射孔附近的小孔屏上 反射点的分布来调节。因为玻璃板的每个平行界面都有反 射，故光点不止一个。但M１是高反射的。所以，它反射 的光点光强最强）。

§1.9 迈克耳孙干涉仪
1.干涉仪的结构和原理 2.干涉条纹的特征
1
迈克耳孙
（A.A.Michelson ） 1852—1931 美籍德国人
因创造精密光学仪
器，用以进行光谱 学和度量学的研究,
并精确测出光速,
获1907 诺贝尔物 理奖。
迈克耳孙在工作
2
B: beam-splitter(分束镜); C: compensator(补偿器); M1, M2: mirrors (反射镜)
1 rj ( j ) R 2
M N
R
o
r
d
r j 16
1 ( j 16 ) R 2
r
2 j 16
r 16 R
2 j
18
( 5 . 0 10 2 ) 2 ( 3 . 0 10 2 ) 2 4 . 0 10 7 m 16 2 . 50
例1 精确测量长度变化的仪器如图所示，A为平凸透镜 ，B为平玻璃板，C为金属柱，D为框架。A，B之间为 空气（图中给出A、B接触情况）。A固定在框架边缘 上。温度变化时，C发生伸缩。用波长为λ的光垂直照 射，试问：（1）若在反射光中观察时，看到牛顿环条 纹向中央移动，问这时金属柱C的长度是在增加还是缩 短？（2）若观察到10条明条纹向中央移动收缩而消失 ，问C的长度变化了多少个波长？
39
讨 论 题
• • • • • 光的相干条件是什么？ 光的干涉分哪几类？ 何为“光程”？ 何为“干涉相长”？何为“干涉相消”？ 杨氏双缝干涉实验中亮、暗条纹的位置及间距 如何确定？
40
• • • • •
影响干涉条纹可见度大小的主要因素是什么？ 计算干涉条纹可见度大小的常用公式有哪几个？ 光源的非单色性对干涉条纹有什么影响？ 光源的线度对干涉条纹有什么影响？ 在什么情况下哪种光有半波损失？

环境准备
确保实验室环境安静、整洁，避免外界光线干扰实验结果。此外，需要调整实 验室温度和湿度，确保光学元件的性能稳定。
实验操作步骤
打开光源
开启激光器或单色光源，调整光路，使光线照射到干涉仪 的反射镜上。
记录数据
通过计算机或手动记录干涉条纹的变化情况、测量数据等 。在记录数据时需要注意数据的准确性、可靠性和可重复 性。
将半反射镜调整到适当位置，使得一 部分光束反射回激光器，一部分光束 透射进入干涉仪。
记录干涉图样，并进行分析和处理。
03 北航迈克尔逊干涉仪实验 方法
实验前的准备
仪器准备
检查迈克尔逊干涉仪是否工作正常，调整干涉仪的粗动臂和微动臂的位置，确 保其能够正常移动。同时，检查光源、光电池、反射镜等光学元件是否清洁完 好。
重视基本原理和实验技能的学习
通过北航迈克尔逊干涉仪实验，应重视基本原理 和实验技能的学习，这是进行其他干涉仪实验的 基础。
加强理论分析和计算能力的培养
在实验过程中，应加强理论分析和计算能力的培 养，以便更好地理解和分析实验结果。
3
提高观察和分析实验现象的能力
应提高观察和分析实验现象的能力，以便及时发 现问题并进行调整。
分析2
通过计算出的光波长和速度，可以验证迈克尔逊干涉仪的准确性， 同时也可以与其他实验结果进行比较，验证实验方法的可靠性。
分析3
干涉条纹的移动现象可以说明光的干涉现象是由于反射镜角度的变化 引起的。
结果讨论与解释
讨论1
干涉图的结果表明迈克尔逊干涉仪实验是成功的，但实验 中仍然存在一些误差，需要进一步分析误差来源。
01
通过实验，验证了迈克尔逊干涉仪的工作原理和特点，包括干
涉现象、干涉条纹的移动等。

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*§12-6 迈克耳孙干涉仪
构造与光路示意图
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M2 M1
2
G1
G2 M1
S
1
半透 2 1
半反膜
E
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ห้องสมุดไป่ตู้
工作原理 光束2′和1′发生干涉
• 若M1、M2平行 等倾条纹 S
M2 M1 2 G1 G2 M1
1
2 1
等倾条纹
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工作原理
光束2′和1′发生干涉
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§12-9 圆孔的夫琅禾费衍射 光学仪器的分辨本领 §12-10 光栅衍射 *§12-11 X射线的衍射 §12-12 光的偏振状态 §12-13 起偏和检偏 马吕斯定律 §12-14 反射和折射时光的偏振 *§12-15 光的双折射 *§12-16 偏振光的干涉 人为双折射 *§12-17 旋光性 *§12-18 现代光学简介
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应用原理
由等厚干涉原理，任意两相邻明纹（或暗纹）
所对应的空气层厚度差为:
e
ek1
ek
2
在迈克耳孙干涉仪上发生等厚干
十字叉丝
涉时，若M1平移d引起干涉条纹移
过N条，则有
d N
2
此原理可用来测量微小长度。
等厚条纹
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选择进入下一节 §12-0 教学基本要求 *§12-1 几何光学简介 §12-2 光源 单色光 相干光 §12-3 双缝干涉 §12-4 光程与光程差 §12-5 薄膜干涉 *§12-6 迈克耳孙干涉仪 §12-7 光的衍射现象 惠更斯-菲涅耳原理 §12-8 单缝的夫琅禾费衍射