实验3.14 迈克尔逊干涉仪的调整与使用
迈克尔逊干涉仪在历史发展史上起了很大的作用，迈克尔逊及其合作者曾用此仪器做了“以太漂移”实验、用光波波长标定米尺长度、推断光谱精细结构三项著名实验，第一项实验解决了当时关于 “以太”的争论，为爱因斯坦建立狭义相对论奠定了基础，第二项实现了长度单位的标准化（用镉红光作为光源标定标准米尺长度，建立了以光波为基准的绝对长度标准），第三项工作研究了光源干涉条纹可见度随光程差变化的规律，并以此推断光谱。迈克尔逊和莫雷因在这方面的杰出成就获得了1907年诺贝尔物理学奖。
迈干仪结构简单、光路直观、精度高，其调整和使用具有典型性，根据迈干仪基本原理发展的精密干涉测量仪器已经广泛应用于生产和科研领域。因此，了解它的基本结构，掌握其使用方法很有必要。
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、等厚干涉及白光干涉条纹
3、学会用迈克尔逊干涉仪测量激光波长及钠光双线波长差
实验原理：
1、迈克尔逊干涉仪的结构及工作原理
迈干仪由分光镜G 1、补偿板G 2、两反射镜M 1、M 2和观察屏E 组成，分光镜的后表面镀有半透半反射膜，将入射光分成两束，一束透射光1，一束反射光2，这两束光分别被M
1、
M 2反射后，经半透半反射膜的反射和透射在观察屏上相遇，由于这两束光是相干光，在屏上干涉产生干涉条纹，其光路如上图所示，M 2是M 2被分光镜反射所成的像，光束1和光束2之间的干涉等效于M 1、M 2之间空气膜产生的干涉。补偿板是一个与分光镜平行放置且材料、厚度完全相同的玻璃板，由于玻璃的色散，不同波长的光在干涉仪中具有不同的光程差，无法观测白光干涉条纹，在分光镜G 1和反射镜M 2之间加入补偿板，这两束光在相同的玻璃中都穿过三次，不同波长的光在干涉仪中具有相同的光程差，这对观察白光干涉很有必要。反射镜M 1、M 2分别装在相互垂直的两个臂上，反射镜M 2位置固定（称为定镜），
，在M 1位置固定在滑块上，可通过转动粗调手轮、微调手轮沿臂长方向移动（称为动镜）
该方向上附有主尺，其位置可通过主尺、粗调手轮上方读数窗口及微调手轮示数读出，其读数原理与千分尺读数原理相同。粗调手轮转动一周，动镜M 2沿臂长方向上移动1mm ，手轮上刻有100个刻度，因此粗调手轮每转动一个小刻度相当于动镜沿臂长方向移动0.01mm ，微调手轮转动一周，相当于粗调手轮转动一个小刻度，手轮上也刻有100个刻度，因此微调手轮转动一个小刻度，相当于动镜移动了0.0001mm ，加上一位估读位，可读到0.00001mm 位。反射镜M 1、M 2的方位可通过其后面的三个螺钉来调节，在反射镜M 1的下方还有两个互相垂直的拉簧螺丝用以微调M 2的方位。
2、点光源产生的非定域干涉条纹及激光波长的测量
激光经透镜会聚后成为一点光源，水平入射到分光板上，经M 1、M 2反射后产生的干涉现象等效于两个虚光源S 1、S 2' 发出的光产生的干涉，S 1、S 2' 分别是点光源被M 1、M 2反射所成的像，虚光源S 1、S 2' 发出的光由于是同一束光分出的两束光，具有相干性，在其相遇的空间处处相干，因此是非定域干涉。用观察屏观察干涉条纹时，在不同的位置可以观察到不同的干涉条纹（如圆、椭圆、双曲线、直线），在迈克尔逊干涉仪的实际情况下，放置屏的空间是有限的，一般能观察到圆和椭圆形状。当把观察屏放在垂直于S 1、S 2' 的连线上时，观察到的条纹是一组同心圆。 ‘‘
改变动镜的位置，两束光的光程差发生变化，因此干涉
条纹也发生变化。当M 1、M 2' 之间的距离增大时，条纹向外
扩展，圆心处有条纹涌出，当其间的距离减小时，条纹收缩，
中心条纹消失。消失或涌出一条干涉条纹，动镜位置的变化
为λ/2，设消失或涌出N 个干涉圆环动镜位置的变化为∆d ，则有
∆d =N ⋅λ
2
由上式可知：改变动镜的位置，测出消失或涌出N 个干涉圆环对应动镜位置的变化∆d ，就可以算出激光的波长。
3、扩展光源产生的定域干涉条纹
用扩展光源照射，当M 1、M 2' 平行时，两束光产生的干涉对应于等倾干涉，其干涉条纹定域于无穷远处，用眼睛直接观察或放置一会聚透镜，在其后焦平面上用观察屏可观察到干涉条纹，其干涉条纹为一组同心圆。M 1、M 2' 之间有一小的夹角时，两束光产生的干涉相当于空气劈尖产生的干涉，为等厚干涉，其干涉条纹定域M 2' 在附近，为一组平行于两镜交线的直线。用眼直接观察就可以观察到直线条纹。
4、条纹视见度及钠光双线波长差的测量
用钠光灯作光源，由于钠光含有波长非常相近的两条谱线，每组谱线都各自产生一套干涉条纹，改变动镜的位置，这两套干涉条纹交叉重叠，条纹的视见度随之发生变化，当
1⎫⎛2d =k 1λ1= k 2+⎪λ2 2⎭⎝
时，条纹视见度为零，设相邻两次视见度为零时M 1移动的距离为∆d ，则钠光两条谱线的波长差为：
∆λ=λ1λ2
2∆d ≈λ2
2∆d
由上式可知：测出相邻两次视见度为零时M 1移动的距离∆d ，可求出钠光双线的波长差。
5、白光干涉条纹的观测及玻璃折射率的测量
实验内容与要求
1、迈克尔逊干涉仪的基本调节
2、用激光作光源，观察非定域干涉条纹，并用非定域干涉条纹测量激光的波长
要求：改变动镜位置，观察干涉条纹的变化，并连续6次记录干涉条纹变化100条对应的d 值，用逐差法求∆d ，计算激光的波长，并与理论值比较，计算相对误差
3、观察定域干涉，测钠光双线波长差
要求：改变动镜位置，观察干涉条纹可见度变化，并连续记录6次视见度为零时的d 值，用逐差法求∆d ，计算钠光双线波长差
注意：1）要观察到干涉条纹，应调节两个反射镜与补偿板的距离大致相等，对于丝杠比较短的迈干仪，M 2应放在30cm 处，对于丝杠较长的迈干仪，M 2应放在50cm 处
2）消除空程差
4、选作内容——用白光作光源，调试出干涉条纹，测平板玻璃的折射率
注意事项：
1、 干涉仪中的全反射镜、分光镜、补偿板均为精密光学元件，调节过程中严禁手摸所有光学表面，同时调反射镜时螺钉及拉簧螺丝松紧要适度。
2、 测量时注意消除空程差
3、 不要用眼直视未扩束的激光
思考题
1、迈克尔逊干涉仪观察到的圆条纹与牛顿环产生的圆条纹有什么不同？
2、什么情况下可以观测到非定域干涉中椭圆、双曲线、直线条纹？
实验3.14 迈克尔逊干涉仪的调整与使用
迈克尔逊干涉仪在历史发展史上起了很大的作用，迈克尔逊及其合作者曾用此仪器做了“以太漂移”实验、用光波波长标定米尺长度、推断光谱精细结构三项著名实验，第一项实验解决了当时关于 “以太”的争论，为爱因斯坦建立狭义相对论奠定了基础，第二项实现了长度单位的标准化（用镉红光作为光源标定标准米尺长度，建立了以光波为基准的绝对长度标准），第三项工作研究了光源干涉条纹可见度随光程差变化的规律，并以此推断光谱。迈克尔逊和莫雷因在这方面的杰出成就获得了1907年诺贝尔物理学奖。
迈干仪结构简单、光路直观、精度高，其调整和使用具有典型性，根据迈干仪基本原理发展的精密干涉测量仪器已经广泛应用于生产和科研领域。因此，了解它的基本结构，掌握其使用方法很有必要。
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、等厚干涉及白光干涉条纹
3、学会用迈克尔逊干涉仪测量激光波长及钠光双线波长差
实验原理：
1、迈克尔逊干涉仪的结构及工作原理
迈干仪由分光镜G 1、补偿板G 2、两反射镜M 1、M 2和观察屏E 组成，分光镜的后表面镀有半透半反射膜，将入射光分成两束，一束透射光1，一束反射光2，这两束光分别被M
1、
M 2反射后，经半透半反射膜的反射和透射在观察屏上相遇，由于这两束光是相干光，在屏上干涉产生干涉条纹，其光路如上图所示，M 2是M 2被分光镜反射所成的像，光束1和光束2之间的干涉等效于M 1、M 2之间空气膜产生的干涉。补偿板是一个与分光镜平行放置且材料、厚度完全相同的玻璃板，由于玻璃的色散，不同波长的光在干涉仪中具有不同的光程差，无法观测白光干涉条纹，在分光镜G 1和反射镜M 2之间加入补偿板，这两束光在相同的玻璃中都穿过三次，不同波长的光在干涉仪中具有相同的光程差，这对观察白光干涉很有必要。反射镜M 1、M 2分别装在相互垂直的两个臂上，反射镜M 2位置固定（称为定镜），
，在M 1位置固定在滑块上，可通过转动粗调手轮、微调手轮沿臂长方向移动（称为动镜）
该方向上附有主尺，其位置可通过主尺、粗调手轮上方读数窗口及微调手轮示数读出，其读数原理与千分尺读数原理相同。粗调手轮转动一周，动镜M 2沿臂长方向上移动1mm ，手轮上刻有100个刻度，因此粗调手轮每转动一个小刻度相当于动镜沿臂长方向移动0.01mm ，微调手轮转动一周，相当于粗调手轮转动一个小刻度，手轮上也刻有100个刻度，因此微调手轮转动一个小刻度，相当于动镜移动了0.0001mm ，加上一位估读位，可读到0.00001mm 位。反射镜M 1、M 2的方位可通过其后面的三个螺钉来调节，在反射镜M 1的下方还有两个互相垂直的拉簧螺丝用以微调M 2的方位。
2、点光源产生的非定域干涉条纹及激光波长的测量
激光经透镜会聚后成为一点光源，水平入射到分光板上，经M 1、M 2反射后产生的干涉现象等效于两个虚光源S 1、S 2' 发出的光产生的干涉，S 1、S 2' 分别是点光源被M 1、M 2反射所成的像，虚光源S 1、S 2' 发出的光由于是同一束光分出的两束光，具有相干性，在其相遇的空间处处相干，因此是非定域干涉。用观察屏观察干涉条纹时，在不同的位置可以观察到不同的干涉条纹（如圆、椭圆、双曲线、直线），在迈克尔逊干涉仪的实际情况下，放置屏的空间是有限的，一般能观察到圆和椭圆形状。当把观察屏放在垂直于S 1、S 2' 的连线上时，观察到的条纹是一组同心圆。 ‘‘
改变动镜的位置，两束光的光程差发生变化，因此干涉
条纹也发生变化。当M 1、M 2' 之间的距离增大时，条纹向外
扩展，圆心处有条纹涌出，当其间的距离减小时，条纹收缩，
中心条纹消失。消失或涌出一条干涉条纹，动镜位置的变化
为λ/2，设消失或涌出N 个干涉圆环动镜位置的变化为∆d ，则有
∆d =N ⋅λ
2
由上式可知：改变动镜的位置，测出消失或涌出N 个干涉圆环对应动镜位置的变化∆d ，就可以算出激光的波长。
3、扩展光源产生的定域干涉条纹
用扩展光源照射，当M 1、M 2' 平行时，两束光产生的干涉对应于等倾干涉，其干涉条纹定域于无穷远处，用眼睛直接观察或放置一会聚透镜，在其后焦平面上用观察屏可观察到干涉条纹，其干涉条纹为一组同心圆。M 1、M 2' 之间有一小的夹角时，两束光产生的干涉相当于空气劈尖产生的干涉，为等厚干涉，其干涉条纹定域M 2' 在附近，为一组平行于两镜交线的直线。用眼直接观察就可以观察到直线条纹。
4、条纹视见度及钠光双线波长差的测量
用钠光灯作光源，由于钠光含有波长非常相近的两条谱线，每组谱线都各自产生一套干涉条纹，改变动镜的位置，这两套干涉条纹交叉重叠，条纹的视见度随之发生变化，当
1⎫⎛2d =k 1λ1= k 2+⎪λ2 2⎭⎝
时，条纹视见度为零，设相邻两次视见度为零时M 1移动的距离为∆d ，则钠光两条谱线的波长差为：
∆λ=λ1λ2
2∆d ≈λ2
2∆d
由上式可知：测出相邻两次视见度为零时M 1移动的距离∆d ，可求出钠光双线的波长差。
5、白光干涉条纹的观测及玻璃折射率的测量
实验内容与要求
1、迈克尔逊干涉仪的基本调节
2、用激光作光源，观察非定域干涉条纹，并用非定域干涉条纹测量激光的波长
要求：改变动镜位置，观察干涉条纹的变化，并连续6次记录干涉条纹变化100条对应的d 值，用逐差法求∆d ，计算激光的波长，并与理论值比较，计算相对误差
3、观察定域干涉，测钠光双线波长差
要求：改变动镜位置，观察干涉条纹可见度变化，并连续记录6次视见度为零时的d 值，用逐差法求∆d ，计算钠光双线波长差
注意：1）要观察到干涉条纹，应调节两个反射镜与补偿板的距离大致相等，对于丝杠比较短的迈干仪，M 2应放在30cm 处，对于丝杠较长的迈干仪，M 2应放在50cm 处
2）消除空程差
4、选作内容——用白光作光源，调试出干涉条纹，测平板玻璃的折射率
注意事项：
1、 干涉仪中的全反射镜、分光镜、补偿板均为精密光学元件，调节过程中严禁手摸所有光学表面，同时调反射镜时螺钉及拉簧螺丝松紧要适度。
2、 测量时注意消除空程差
3、 不要用眼直视未扩束的激光
思考题
1、迈克尔逊干涉仪观察到的圆条纹与牛顿环产生的圆条纹有什么不同？
2、什么情况下可以观测到非定域干涉中椭圆、双曲线、直线条纹？