实验一--迈克尔逊干涉仪的调整及应用

实验一迈克尔逊干涉仪的调整及应用
一、实验目的
1. 了解迈克尔逊干涉仪的原理及结构。

2. 学会迈克尔逊干涉仪的调整，基本掌握其使用方法。

3. 观察各种干涉现象，了解它们的形成条件。

二、实验仪器
1. WSM-200型迈克尔逊干涉仪一台
2. HNL-55700多束光纤激光源一台
三、实验原理
3.1 迈克耳孙干涉仪的构造
图1为迈克尔逊干涉仪的结构示意图。

图1 迈克尔逊干涉仪的结构示意图
仪器包括两套调节机构，第一套调节机构是调节反光镜1的位置。

旋转大转轮和微调转轮经转轴控制反光镜1在导轨上平移；第二套调节机构是调节反光镜1和反光镜2的法线方向。

通过调节反光镜1、2后面的调节螺钉以及反光镜2的两个方向拉杆来控制反光镜的空间方位。

在仪器的中部和中部偏右处，分别固定安装着分光镜和补偿片，其位置对仪器的性能有重要影响，切勿变动。

在补偿片的右侧是反射镜2，它的位置不可前后移动，但其空间方位是可调的。

反射镜1和反射镜2是通过金属弹簧片以及调节螺钉与支架弹性连接的，调节反射镜支架上的三颗调节螺钉，改变弹簧片的压力，从而改变反射镜面在空间的方位。

显然，调节螺丝钉过紧或太松，都是不利于调节反射镜方位的错误操作。

反射镜1在导轨上的位置坐标值，由读数装置读出。

该装置共有三组读数机构：第一组位于左侧的直尺C 1，刻度线以mm 为单位，可准确读到毫米位；第二
组位于正面上方的读数窗C 2，刻度线以0.01mm 为单位，可准确读出0.1和0.01
毫米两位；第三组位于右侧的微动转轮的标尺C 3，刻度线以0.0001mm 为单位，
可准确读0.001和0.0001毫米两位，再估读一位到0.00001毫米。

实际测量时，分别从C 1、C 2各读得2位数字、从C 3读得3
位（包括1位估读）数字，组成一个7位的
测量数据，如图2所示。

可见仪器对位移量
的测定精度可达十万分之一毫米，是一种非
常精密的仪器。

务必精细操作，否则很容易
造成仪器的损坏！ 图2 关于M1位置读数值的组成方法
3.2 迈克耳孙干涉仪的原理
迈克尔逊干涉仪是利用分振幅法产生的双光束干涉，其光路图如图3所示。

G 1的半透半反射膜将入射光束分成振幅几乎相等的两束光（1）和（2），光束（1）经M 1反射后透过G 1，到达观察点E ；光束（2）经M 2反射后再经G 1的后表面反射后也到达E ，与光束（1）′会合干涉。

补偿板G 2的作用是保证在M 1A 与M 2A 距离相等时，光束（1）和（2）有相等的光程。

图3中的M 2′是M 2镜通过G 1反射面所成的虚像，因而两束光在M 1与M 2上的反射，就相当于在M 1与M 2′镜上的反射。

这种干涉现象与厚度为d 的空气膜产生的干涉现象等效。

改变M
1
与M 2′的相对方位，就可得到不同形式的干涉条纹。

当M 1与M 2′严格平行时，产生等倾干涉条纹。

当M 1与M 2′接近重合、且有一微小夹角时，得到的干涉条纹是等厚直条纹。

图3 迈克尔逊干涉仪的基本光路图
由干涉原理可知，自M 1和M 2′反射的两束光的光程差为
θcos 2d =∆
式中d 为M 1与M 2′的间距，θ为光（1）在M 1上的入射角。

当d 为某一常量时，两光的光程差完全由倾角θ来确定，其干涉条纹是一系列与不同倾角θ对应的同心圆形条纹。

其中亮条纹与暗条纹所满足的条件是：
()⎪⎩
⎪⎨⎧+==∆暗条纹亮条纹 212 cos 2λλθk k d （k ＝0，1，2，…） 当θ＝0时，光程差Δ＝2d ，对应于中心处垂直于两镜面的两束光具有最大的光程差。

因而中心条纹的干涉级次k 最高，偏离中心处，条纹级次越来越低。

当M 1与的M 2′的间距d 改变时，干涉条纹的疏密就会变化。

以某k 级条纹为例，当d 增大时，为了满足2d cos θ＝k λ的条件，cos θ必须要减小，因而θ角必须增大，所以此时第k 级的位置必然向外移动。

于是在E 处，就可观察到条纹会不断向外扩张，条纹逐渐变密变细。

当d 减小时，条纹会不断向里收缩，条纹逐渐变疏变粗。

到达等光程位置时（M 1与M 2′重叠）
，干涉条纹最大
最粗。

3.3 在迈克耳孙干涉仪上观察不同定域状态的干涉条纹
（1）点光源产生的非定域干涉条纹
由干涉理论可知，两个相干的单色点
光源发出的球面波在空间相遇会产生非
定域干涉条纹。

用一个毛玻璃屏放在两束
光交叠的任意位置，都可接收到干涉条纹，
如图4所示。

点光源S经M1、M2镜反射
后，在E处产生的干涉就好比由虚点光源
S1和S2所产生的干涉。

其中S1是点光源
S经G1和M1镜面反射而成的虚像，S2相
当于S由G1和M2′镜面反射所成的虚像。

当M1和M2′镜平行时，在毛玻璃屏E
处就可观察到点光源产生的非定域的同
心圆条纹。

图4 点光源产生的非定域干涉（2）扩展面光源产生的定域干涉
当使用扩展面光源（如钠灯、低压汞灯加上一块毛玻璃）做光源照明迈克耳孙干涉仪时，面光源上的每一点都会在观察屏E处产生一组干涉条纹，面光源上无数个点光源在观察屏的不同位置上产生无数组干涉条纹，这些干涉条纹非相干叠加的结果，使得毛玻璃E处出现一片均匀的光强，看不清干涉条纹。

此时只有在干涉场的某一特定区域，这无数组干涉条纹才可以进行非相干叠加，干涉条纹仍可持相当的清晰度，这种干涉条纹称为定域干涉，这一特定区域称为干涉条纹的定域位置。

当M1与M2′平行时，条纹的定域位置出现在透镜L的焦平面或在无穷远处，见图5所示。

观察这种条纹时，应去掉观察屏，将眼睛直接通过干涉仪的G1向M1方向望进去，在无穷远处可看到清晰的同心圆条纹。

当你眼睛上下左右移动时，干涉条纹不会有冒出或缩进去的现象，干涉条纹的圆心随着眼睛的移动而移动，而各圆的直径不会发生变化，这样的干涉条纹才是严格的等倾干涉条纹。

当M1与M2′非常接近时，微调M2′背后的三个螺丝，使M2′与M1之间
有一个微小的夹角，此时在镜面M1附近可观察到等厚干涉条纹。

它们的形状如图6示，在M1与M2′的交棱附近的条纹是近似平行于交棱的等间距直线，在偏离交线较远的地方，干涉条纹呈弯曲的形状，凸面对着交棱。

这种等厚干涉条纹定域在薄膜表面附近，因而观察时人眼应调焦在反射镜M1附近。

图5 等倾干涉条纹图6 等厚干涉条纹从前面的分析可以看出，无论哪种情况，M1与M2′的间距d和倾角对干涉条纹的形状和间隔的影响都是相似的，差别表现在干涉条纹的定域上。

因此，我们可以得到在迈克尔孙干涉仪上观察到干涉的两个必要条件：
1）由分光板所产生的（1）、（2）两束光的光程要大致相等，即d不能太大（参见图3）；
2）反光镜M1与M2要垂直或接近垂直（M1与M2′平行或接近平行）。

本实验采用HNL-55700多束光纤激光源做为光源照明迈克耳孙干涉仪。

它采用550mm中功率激光管和进口高传输性光纤，通过精密光学分束机构分至七束光纤，每束出射光纤波长为632.80nm，长度为4米，每根光纤在同一实验内可拉伸到不同的工作台，这样七台迈克尔逊干涉仪只要配用一台HNL-55700多束光纤激光源。

一束激光经一个短焦距透镜（扩束器）会聚后，可认为是一个很好的点光源。

因HNL-55700多束光纤激光源光纤出射的激光已经扩束，故不需另加扩束镜。

使用时，将一束光纤输出端固定在迈克尔逊干涉仪的左端，使光轴基本与固定镜M2垂直。

四、实验步骤
（1）调节干涉仪底脚螺丝，使仪器基本水平。

调节M2镜座上的微调弹簧螺旋，使它处在弹簧适中的位置。

（2）转动大转轮，使得移动镜M1的位置和固定镜M2相对于分光镜后表面中心的距离大致相等。

（3）打开激光器，使光纤激光束大致垂直于固定镜M2。

从投影屏处观察（此时不放投影屏），可看到由M1和M2各自反射形成的两排激光光斑，每排都有几个光点，这是由于G
１
上与半反射面相对的另一侧的平玻璃面上亦有部分反射的缘故。

调节M1和M2背面的三只螺丝，使两排中的两个最亮的光斑大致重合，则M2＇与M1大致互相平行。

（4）装上投影屏，即可在屏上观察到非定域干涉条纹，再轻轻调节M1和M2后的调节螺丝，使出现的圆条纹处于投影屏中心。

转动微调转轮，使移动镜M1前后移动，观察条纹的变化：从条纹的“冒出”或“缩进”说明M1、M2＇之间的距离d是变大还是变小，观察并解释条纹的粗细，密度和d的关系。

五、注意事项
1．调整各部件用力要适当，均匀缓慢，不可强旋硬搬。

2．反射镜、分束板的光学表面不可用手触摸，不允许擦拭。

3．使用完毕，应适当放松M
1和M
2
背面的三个螺钉、水平拉簧螺钉和竖直拉
簧螺钉，以免弹簧片、拉簧和支杆弹性疲劳。

六、思考题
1、在迈克尔逊用激光做光源时的调整过程中，为什么看到的是两排光点，而不是两个？
2、怎样调节迈克尔逊干涉仪使干涉条纹出现？
3、迈克尔孙干涉仪所产生的干涉条纹的疏密程度是由什么因素决定的？变化规律怎样？
4、如何由干涉条纹的疏密变化、条纹的“冒”出或“陷”进来判断M2′与M1的间距d的大小及M1在M2′前后的位置？。