迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪测量光波波长测量光波波长

一实验目的及要求一实验目的及要求

了解迈克尔逊干涉仪的结构和干涉条纹的了解迈克尔逊干涉仪的结构和干涉条纹的形成原理。形成原理。

通过观察实验现象，加深对干涉原理的理通过观察实验现象，加深对干涉原理的理解。解。

学会迈克尔逊干涉仪的调整和使用方法。学会迈克尔逊干涉仪的调整和使用方法。

观察等倾干涉条纹，测量激光的波长。观察等倾干涉条纹，测量激光的波长。

二实验仪器二实验仪器

迈干仪的历史背景迈干仪的历史背景迈克耳逊（ 迈克耳逊（ Albert Abrham Michelson ,1852 -1931Albert Abrham Michelson ,1852 -1931 ）） ,, 迈克尔逊迈克尔逊 11

852852 年年 1212 月月 1919 日出生在普鲁士，日出生在普鲁士， 22 岁时随父母移民美国。岁时随父母移民美国。 19071907

年诺贝尔物理学奖授予芝加哥大学的迈克耳逊，以表彰他对光学年诺贝尔物理学奖授予芝加哥大学的迈克耳逊，以表彰他对光学精密仪器及用之于光谱学与计量学研究所作的贡献。精密仪器及用之于光谱学与计量学研究所作的贡献。

迈克耳逊是著名的实验物理学家。他以精密测量光的速度和以空迈克耳逊是著名的实验物理学家。他以精密测量光的速度和以空前精密度进行以太漂移实验而闻名于世。他发现的以他的名字命前精密度进行以太漂移实验而闻名于世。他发现的以他的名字命名的干涉仪至今还有广泛的应用。名的干涉仪至今还有广泛的应用。

迈克耳逊干涉仪是１８８３年美国物理学家迈克耳逊和莫雷合作，迈克耳逊干涉仪是１８８３年美国物理学家迈克耳逊和莫雷合作，为研究“以太”漂移实验而设计制造出来的精密光学仪器。实验为研究“以太”漂移实验而设计制造出来的精密光学仪器。实验结果否定了以太的存在，解决了当时关于“以太”的争论，并为结果否定了以太的存在，解决了当时关于“以太”的争论，并为爱因斯坦发现相对论提供了实验依据。爱因斯坦发现相对论提供了实验依据。

二实验仪器二实验仪器由于迈克尔逊干涉仪将两相干光束完全分开，它们之间的光程差可以根据要求作各种改变，测量结果可以精确到与波长相比拟，所以应用很广。

迈克尔逊用干涉仪最先以光的波长测定了国际标准米尺的长度。因为光的波长是物质基本特性之一，是永久不变的，这样就可以把长度的标准建立在一个永久不变的基础之上。

此外，迈克尔逊干涉仪还被用来研究光谱线的精细结构，这些都大大推动了原子物理与计量科学的发展，迈克尔逊干涉仪的原理还被发展和改进为其他许多形式的干涉仪器。例如米尺的标定及干涉分光工作已改用法布里－珀罗干涉仪。但迈克耳逊干涉仪的基本结构仍然是许多干涉仪的基础。

目前根据迈克耳逊的基本原理研制的各种精密仪器广泛用于生产和科研领域。

二实验仪器二实验仪器迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪

激光器光源

分光板 补偿板

扩束镜

反射镜M

1

反射镜M2

观察屏 M2 移动导轨

三实验测量原理三实验测量原理

2 1( )2

n AB BC n AD

D

P

1n

1n2n

1M

2Me

L

i

C

3

A

1

B

2

(n2 >n1 ，薄膜上下表面平行 )2 与 3 的光程差为：

22 cos2

en

2 2 22 12 sin

2e n n i

2 ( 1,2,...)2

k k

(2 1) ( 0,1,2,...)2

k k

加强 明纹加强 明纹

减弱 暗纹减弱 暗纹

等倾干涉原理等倾干涉原理

三实验测量原理三实验测量原理2 2 22 12 sin

2e n n i

干涉条纹的级次 K仅与倾角 i有关，点光源S发出的光线中，具有同一倾角的反射光线会聚干涉，形成同一级次圆环形干涉条纹，称为等倾干涉条纹。条纹中心处，入射角 i=0

222

en

对应条纹级次最高

三实验测量原理三实验测量原理迈干仪的干涉原理迈干仪的干涉原理

单色光源

21 MM

反射镜

2M

反射镜1M

21 M,M与 成 角04521//GG

2G补偿板 分光板 1G

移动导轨1M

扩束镜

三实验测量原理三实验测量原理

反射镜 2M

21 MM

反射镜 1M

单色光源

1G 2G

的像 2M'2Md

光程差为 2d

在迈克尔逊干涉仪中产生的干涉相当于厚度为 d的空气薄膜所产生的干涉，当M1与M2垂直时，即M1与M2‘平行时，可以观察到等倾干涉条纹。中心处两束相干光的

三实验测量原理三实验测量原理

2 1

1 1

2 2k k k

1G 2G

d2M'

2M

1M

两相干光束在空间完全分开，并可用移动反射镜的方法改变两光束的光程差 .

d

若中心处为明条纹，则

若改变反射镜的位置，使中心仍为明条纹，则

只要测出干涉仪中M1移动的距离∆ d,并数出相应的“吞吐”环数∆ k,就可求出 λ.

1 12d k

2 22( )d d k

2 1

1

2d

波长测量原理波长测量原理

2 d

k

四实验数据要求四实验数据要求每间隔 50 条条纹记录数据

用逐差法处理数据

250

20

dk

k

6 1 7 2 10 5( ) ( ) ( )

25

d d d d d dd

平面镜的位置平面镜的位置 dd11 dd22 dd33 dd44 dd55

平面镜的位置平面镜的位置 dd66 dd77 dd88 dd99 dd1010

△△ddii＝＝ ddii ＋＋ 55 －－ddii

20 为机械传递系数

四实验数据要求四实验数据要求简单求解不确定度

先计算∆ d 的不确定度∆

再计算 λ 的不确定度∆ λ

0.01

3B mm

2 2 21 2 5( ) ( ) ( )

5 1

d d d d d dA mm

2 2A B

250

20k

k

五实验注意事项五实验注意事项必须了解仪器的操作和使用方法后方可使用。

为了使测量结果正确，必须避免引入空程，应将手轮按原方向转几圈，直到干涉条纹开始均匀移动后，才可测量。

在调节和测量过程中，一定要非常细心和耐心，转动手轮时要缓慢、均匀，切忌用力过猛。

激光不能直射入眼。激光不能直射入眼。

轻拿轻放，避免使光学仪器或元件受到冲击或震动、摔落。

切忌用手触摸元件的光学表面，应拿取磨砂面或边缘。

不能对着光学元件说话、咳嗽、打喷嚏。

绝对不许用手触摸各光学元件，绝对不许用手触摸各光学元件，光学表面有灰尘或污痕，可用镜头纸、丙酮进行处理，切忌用手、衣服等。

实验完毕，数据经检查后方可拆除光路，整理仪器，一切复位。

思考思考

迈干仪还有没有其它的用途？迈干仪还有没有其它的用途？

迈克耳逊干涉仪的两臂中便于插放待测样品，由条纹的变化测量有关参数，精度高。

在光谱学中，应用精确度极高的近代干涉仪可以精确地测定光谱线的波长及其精细结构；

在天文学中，利用特种天体干涉仪还可测定远距离星体的直径以及检查透镜和棱镜的光学质量等等