迈克尔逊干涉仪ppt课件.ppt

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1、一、实验背景与其现代应用,二、实验目的,三、实验仪器,四、实验原理,五、实验内容,六、数据记录与处理,七、问题讨论,九、实验拓展,十、教学建议,结束,迈克尔逊干涉仪,1.背景知识 1883年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作，为证明“以太”的存在而设计制造了世界上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。迈克尔逊干涉仪在科学发展史上起了很大的作用，著名的迈克尔逊干涉实验否定了“以太”的存在。发现了真空中的光速为恒定值，为爱因斯坦的相对论奠定了基础。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。迈克尔逊还用该

2、干涉仪测量出太阳系以外星球的大小。 因创造精密的光学仪器，和用以进行光谱学和度量学的研究，并精密测出光速，迈克尔逊于1907年获得了诺贝尔物理学奖。,一、实验背景与其现代应用,迈克尔逊最早是为了研究光速问题而精心设计的干涉仪，它是一种分振幅的干涉装置。其特点是光源、两个反射面、接受器（观察者）四者在空间完全分开，便于在光路中安插其它器件。利用其可观察等厚干涉、等倾干涉，以及条纹的各种变动情况，还可方便地进行各种精密检测。其设计精巧，用途广泛，许多干涉仪是由此派生出来的。因此，迈克尔逊干涉仪是许多近代干涉仪的原形。迈克尔逊因发明干涉仪和光速的测量而获得1907年诺贝耳物理学奖金。,返回,2.用

3、途,许多精密的计量仪器，都应用了迈克尔逊干涉仪的原理。孔径测量仪，用于精确测量圆孔孔径。激光比长仪，用来测量长度及比较长度。棱镜、透镜干涉仪，用于检测透镜质量、光学系统像差。击触式干涉仪，用比较法对块规或标准零件长度进行测量。迈克尔逊干涉仪的发明和应用对科学技术的发展作出了重要的贡献。,返回,二、实验目的1.熟悉迈克尔逊干涉仪的结构和工作原理2.掌握迈克尔逊干涉仪的调节方法，观察等倾干涉条纹3.测量氦-氖激光的波长4.理解定域干涉与非定域干涉的产生5.观察白光等厚干涉6.熟练用逐差法处理数据,说明：本实验涉及到的物理实验主要的理论知识有逐差法处理数据(建议进行不确定度计算)，干涉法测量光的波长

4、；涉及的实验技术有迈克尔逊干涉仪结构原理、机械放大法(读数装置)、光源的使用、光学仪器调节技术等。,读数窗,反射镜倾角调节螺丝,三、实验仪器,迈克尔孙干涉仪、激光器、扩束镜、毛玻璃、照明灯,反射镜水平方向倾角拉簧调节螺丝,微调鼓轮 (10-4mm),粗调鼓轮(0.01mm),主标尺,反射镜M1(可移动),反射镜M2(固定),分光板G1,补偿板G2,迈克尔孙干涉仪,反射镜垂直方向倾角拉簧调节螺丝,d,E（人眼）,干涉,干涉,干涉,干涉,原理图,四、实验原理,从观察者看来（2）光线等效于从 处反射而来。,从观察者看来（2）光线等效于从 处反射而来。,S,1.相干原理（1）光和（2）光是相干光，所以

5、在E处的眼睛或照相物镜能看到或摄得干涉条纹。补偿板G2 是为使进入人眼的（1）光和（2）光在仪器中的光程相等而设置的。半反射膜使M2在M1 附近成一个平行于M1的虚象M2，因而光在迈克耳逊干涉仪中自M1和M2的反射，相当于自M1 和M2的反射。于是，迈克耳逊干涉仪中所产生的干涉与厚度为d的空气平行平板所产生的干涉一样，d为虚象M2和平面镜M1的间隔。自M2和 M1反射的两光的光程差应为 i为（1）光在平面镜 M1 上的入射角,1.相干原理2.干涉讨论3.读数系统,当M2与M1完全平行时，所得的干涉为等倾干涉，其条纹位于无限远或透镜的焦面上。干涉图样是同心环状条纹。当M1与M2有楔角时，条纹呈双

6、曲线簇状。楔棱附近为直线状，可视为等厚条纹。由干涉理论，第k级亮条纹应满足,当d由小逐渐地变大时，可看到自干涉图样中心，条纹不断的涌出。每当d增加/2时，中心条纹向外长出一个。当d由大逐渐地变小时，最靠近中心的条纹将一个一个地“陷入”中心，且每陷入一个条纹，d的改变也必为/2 。使M1沿光轴移动d，将使圆心处相干光束的光程差变化2d。若2d=N，则将观察到N条条纹的变化,据此可测光波波长,o,s,G1,返回,干涉条纹,返回,2.干涉讨论1)非定域等倾干涉,一个点光源S发出的光束经干涉仪M2和M1反射后，相当于由两个虚光源S1和S2发出的相干光束，S1和S2间的距离为M1和M2 间距两倍，将观察

7、屏放入光场叠加区的任何位置处，都可观察到干涉条纹，这种条纹称为非定域干涉条纹。,S2,返回,2)定域等倾干涉,采用面光源，当迈克尔逊干涉仪的反射面M1与M2平行时可以获得等倾干涉图象，即同一级干涉条纹均对应于同一观察倾角的同心圆形图象。此时干涉条纹的位置位于M1附近,称为定域等倾干涉.,返回,3)白光干涉条纹 干涉条纹的明暗决定于光程差与波长的关系，用白光光源，只有在d=0的附近才能在M1、M2交线处看到干涉条纹，这时对各种光的波长来说，其光程差均为/2（反射时附加），故产生直线黑纹，即所谓的中央条纹，两旁有对称分布的彩色条纹。d稍大时，因对各种不同波长的光，满足明暗条纹的条件不同，所产生的干

8、涉条纹明暗互相重叠，结果就显不出条纹来。只有用白光才能判断出中央条纹，利用这一点可定出d=0的位置。,返回,3.读数系统 可动全反镜在导轨上可由粗动手轮和微动手轮的转动而前后移动。可动全反镜位置的读数为：. (mm)（1）在mm刻度尺上读出。（2）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。（3）微动手轮：每转一圈读数窗口内刻度盘转动一格，即可动全反镜移动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。,主尺,粗动手轮读数窗口,微动手轮,最后读数为：33.52246m

9、m,返回,1、调节测微尺的零点（校零）：先将微调手轮沿某一方向旋转至零，然后以同方向转动粗调手轮对齐读数窗口的任一整刻度。注意：微调与粗调必须同一方向调节！ 2、避免引入空程：在调整好零点后，应使微动鼓轮按原方向转几圈，直到干涉条纹开始移动以后，才可开始读数测量。,返回,1.仪器的预调整用He-Ne激光为光源，讲述并演示干涉仪调节方法，调出圆环形干涉条纹。强调旋转调节螺丝动作要轻缓，不能拧得过松过紧；不要让激光直射入眼。提醒学生注意做好三项预调节： 调节干涉仪和激光器的位置，使激光束垂直射向的中心，能看到反射光束沿原路返回； 用粗调手轮移动M2，使M2、M1至G1的距离相近； 检查M1、M2的

10、颗调节螺丝，使它们处于可进可退的状态。2.讲述并演示测量激光波长的方法。强调三点： 在开始测量前需要对读数刻度基准线进行调整。之后不得再转动粗调手轮，只能转动微动手轮。 注意螺距差的影响。必须待条纹“涌出”或“淹没”，才可记下初读数；测量过程中不得改变微动手轮转动方向。 耐心细致，准确计数条纹“涌出”或“淹没”数N。3. 讲述及演示获得扩展光源的方法（采用仪器所附镜罩代替毛玻璃，效果理想，且能给学生予教益）、调出等倾条纹和等厚条纹、引导学生观察条纹特点。,五、实验内容,返回,4. 强调实验注意事项 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

11、情况及时报告指导教师。5、其它主要工作：1)讲课后立即检查光源，学生做实验前准备工作2)学生开始做实验20分钟后，检查学生干涉调节情况，如遇不会调整的，边操作边指导，使其掌握。3)要求学生40分钟左右完成激光波长测量，计算测量结果。20分钟左右完成白光等厚干涉条纹和调节，找到等光程位置.4)检查数据，签字。,返回,六、数据记录与处理,1.数据记录,1.数据记录2.数据计算3.不确定度计算,2.数据计算mkex.xls,返回,He-Ne激光波长为,3.不确定度计算,返回,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

12、炽灯作光源，怎样调节干涉仪才能看到干涉条纹？4. 在单色光干涉的条件下，去掉补偿镜是否影响实验的正常进行？5. 测He-Ne激光波长时，要求N尽可能大，为什么？测量数据的处理方法是什么？6. 如果去掉干涉仪中的补偿板，对哪些测量有影响？哪些测量无影响？7. 白光干涉条纹的出现必须在两臂基本相等的条件下，为什么？,七、问题讨论,八、实验拓展,1.钠黄光双谱线的波长差的测量,1)实验原理 2)实验过程 需增加仪器:钠光灯，小孔光阑；,2.光源的时间相干性和相干长度测量,1)相干长度 相干时间,2)实验：测量汞灯经不同滤色片的相干长度需增加仪器：汞灯、滤色片、小孔光阑；,3.利用干涉仪测空气折射率,

13、需增加仪器：气室、压强计、游标卡尺,4. 测定透明薄片的折射率.,需增加仪器：千分尺，透明薄片,5.定域干涉与非定域干涉现象探讨.,1)实验原理使用绝对的单色光源，当干涉光的光程差连续改变时，条纹的可见度一直是不变的。如果使用的光源包含两种波长1及2，且1和2相差很小，当光程差为,（其中m为正整数）时，两种光产生的条纹为重叠的亮纹和暗纹，使得视野中条纹的可见度降低，若1与2的光的亮度又相同，则条纹的可见度为零，即看不清条纹了。再逐渐移动M1以增加（或减小）光程差，可见度又逐渐提高，直到1的亮条纹与2的亮条纹重合，暗条纹与暗条纹重合，此时可看到清晰的干涉条纹，再继续移动M1，可见度又下降，在光程

14、差,时，可见度最小（或为零）。,1.钠黄光双谱线的波长差的测量,返回,化简后,利用式（1）可测出纳黄光双线的波长差。,因此，从某一可见度为零的位置到下一个可见度为零的位置，其间光程差变化应为,(1),返回,干涉仪向“等光程”状态调节。调节M1的位置，激光圆条纹向中心涌入，圆条纹变粗变疏，(调节过程中如发现圆心跑出，仔细调节全反镜的粗调和微调螺丝，使圆心移至视场中)。换上钠灯，移去毛玻璃屏，一般能看到直的钠光干涉条纹，可调节M1的微调螺丝，得到粗细适合观察的条纹。 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。再继续移动M1，使干涉条纹对比度再次为零（或最大），记下M1

15、的位置d2。计算出d=|d2-d1|，由公式,计算出黄光双谱线的波长差，取589.3nm。测量三次取平均，有效数字取三位。,2)实验过程,需增加仪器:钠光灯，小孔光阑；,返回,2.光源的时间相干性和相干长度测量,Lm为相干长度，上式表明，谱线宽度越窄，光源的单色性越好，其相干时间越大，即相干长度越长。氦氖激光相干长度长，短则几厘米，长则数公里。钠光相干长度12厘米。白光相干长度更小，为微米数量级。,1)相干长度 相干时间 时间相干性是光源相干程度的一种物理描述。迈克尔逊干涉仪是观察光源时间相干性的典型仪器。要得到对比度很好的干涉条纹，必须考虑光源的时间相干性。时间相干性由相干时间tm来描述，定

16、义光源的相干时间,返回,现假设“单色光”的中心波长为0，谱线宽度为，也就是说“单色光”是由波长为,到,之间所有的波长组成的，各个波长对应一套干涉花纹。随着距离d的增加， 之间所形成的各套干涉条纹,和,就逐渐错开了，当d增加到使两者错开一条条纹时，就看不到干涉条纹了，这时对应的2d=Lm就叫做相干长度。,由此我们可以得到Lm与0及之间的关系为：,波长差越小，光源的单色性越好，相干长度就越长，所以上面两种解释是完全一致的。相干时间tm则用下式表示,返回,2)实验：测量汞灯经不同滤色片的相干长度,需增加仪器：汞灯、滤色片、小孔光阑；实验过程：干涉仪向“等光程”状态调节。调节M1的位置，激光圆条纹向中

17、心涌入，圆条纹变粗变疏，(调节过程中如发现圆心跑出，仔细调节全反镜的粗调和微调螺丝，使圆心移至视场中)。换上汞灯并装上滤色片，移去毛玻璃屏，一般能看到直的干涉条纹，调节M1的微调螺丝，得到粗细适合观察的条纹。 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。再继续移动M1，改变d，使它从负几厘米到正几厘米，使干涉条纹对比度再次为零（或最大），记下M1的位置d2。计算出d=|d2-d1|，由公式,求得波长差，再得到相干长度,返回,3.利用干涉仪测空气折射率,用迈克耳逊干涉仪测气流,返回,在迈克尔孙干涉仪光路的可动臂中插入一个气室(气室长度L不超过5cm)，气室压强通过气压

18、计读出。改变气室压强，干涉条纹会出现“吞”或“吐”的现象，这是由于气体压强改变则对光的折射率变化n，理论上可以证明，在温度一定且气压不太大时，气体折射率的变化与气压变化p成正比,p=p0(1+t),设干涉条纹会 “吞”或“吐”的数目为N，则有：,从而压强p下空气折射率n为：,需增加仪器：气室、压强计、游标卡尺,0为标准大气压，t为室温(C),返回,4. 测定透明薄片的折射率.,当视场中出现中央条纹之后，在M1与分光板G1之间放入折射率为n、厚度为l的透明物体，则此时光程差要比原来增大,则中央条纹会重新出现，测出d及l，可由下式,求出折射率n。,因而中央条纹移出视场范围，如果将M1向G1前移d，

19、使,需增加仪器：千分尺，透明薄片,返回,2) 证明等倾干涉定域在无限远。 将干涉仪调节到出现等倾条纹，在观察屏前用透镜聚焦，可看到观察屏上有清晰条纹的位置正好在透镜的焦平面处。,1) 观察汞绿光的非定域干涉和激光的定域干涉。 在汞灯前加绿色滤光片和小孔光阑，以形成点光源；观察干涉条纹与位置变化的关系。 在激光器前加透镜扩束后再加23块毛玻璃，以形成面光源。取下观察屏，寻找干涉条纹的位置。,5.定域干涉与非定域干涉现象探讨,返回,3) 测出等厚干涉定域位置，验证该定域位置与两反射镜相对位置的关系。 将干涉仪调节到出现等厚条纹，在观察屏前用透镜聚焦，仔细调节到可在观察屏上看到清晰的条纹，根据透镜的物像关系计算出物的位置，即为等厚条纹的定域位置。定域位置与两反射镜相对位置的关系可根据下式算出： 其中，D是定域位置与M1的距离，d是M1与M2距离，a是M1与M2的夹角，i是光的入射角。在实验时要注意使入射角大一些，以便于测量。否则i0，D0。,返回,九、教学建议,实验重点1. 迈克尔逊干涉仪的干涉原理；2. 非定域干涉和定域干涉；3. 测量激光波长；4.逐差法处理数据；实验难点1.迈克尔孙干涉仪的调整；2.扩展光源产生的等倾干涉条纹和等厚干涉条纹。3.等臂情况下的白光干涉条纹的调节；,