迈克耳孙干涉实验条纹计数方法的改进

《迈克耳孙干涉实验条纹计数方法的改进》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第３３卷第１１期物理实验Vol．３３　No．１１２０１３年１１月PHYSICSEXPERIMENTATIONNov．，２０１３迈克耳孙干涉实验条纹计数方法的改进黄丽，方光宇，宋云飞，辛丽，赵海发（哈尔滨工业大学物理系，黑龙江哈尔滨１５０００１）摘要：针对目前迈克耳孙干涉实验教学中干涉条纹目测计数存在较大误差的问题，采用连接数字存储示波器的快速响应光电二极管代替玻璃屏，测量并记录干涉条纹的变化过程．测量空气折射率的实验结果表明，该方法可以直接通过相位变化信息测量得到干涉条纹的变化数目，相应的计数精度可达０．１级条纹．关键词：迈克耳孙干涉仪，快速

2、响应光电二极管，折射率中图分类号：O４３６．１　　　文献标识码：A文章编号：１００５‐４６４２（２０１３）１１‐００４１‐０４程．利用这种方法，测量研究空气折射率，结果表1引言明这种方法可以使得干涉条纹变化数目的实验测迈克耳孙干涉实验是大学物理实验中一个重量精度达到０．１级条纹．实践证明，这种方法不［１］要的教学题目．在该实验的教学过程中，学生但可以很好地消除迈克耳孙干涉条纹人工计数中不但可以对非定域干涉有进一步的理解和掌握，存在的误差，而且普遍适用于目前的大学物理实而且可以对等厚和等倾干涉现象分别进行观测研验课堂教学．究．通过对非定域干涉条

3、纹移动情况（“缩进”或2实验装置及原理者“冒出”）进行实验测量，可以对激光波长、介质［２‐６］折射率等物理参量进行精确标定．在目前的如图１所示，实验采用双光束分振幅迈克耳迈克耳孙干涉实验教学中，普遍采用玻璃屏接收孙干涉光路．He‐Ne激光器的输出光经过短焦透干涉条纹，通过目测干涉条纹中心光斑亮度的变镜L１（焦距为５cm）和长焦透镜L２（焦距为化情况来测量干涉条纹的变化数目．当干涉圆环１７５cm）扩束后，被分光板S的后表面分为透射中心由１个亮斑刚好变化到下１个光强相同的亮光和反射光２部分．在透射光路中，放置用于补斑，即认为迈克耳孙干涉条纹刚好变

4、化了１个级偿光程的补偿板C；在反射光路中，放置一长度次．学生在实验过程中，经常会因为缺乏实验经验或者视觉疲劳而出现计数错误，给实验测量带来误差．为此，实验教学中往往需要学生进行大量（对几十级至几百级干涉条纹的变化级次进行计数）重复性的测量．大量的重复性测量降低了学生们对“精准的”迈克耳孙干涉实验的学习兴趣和求知欲望．近年来，人们一直在试图利用光电传感器和模‐数信号转换、采集及滤波技术来精确记录迈克［７‐１０］耳孙干涉条纹的快速变化过程．本文提出了可以精确测量迈克耳孙干涉条纹变化数目的实验图１　迈克耳孙干涉法测量空气折射率的方法，即采用与示波器

5、连接的快速响应光电二极实验装置及光路示意图管来测量并记录迈克耳孙干涉条纹的快速变化过收稿日期：２０１３‐０３‐２７；修改日期：２０１３‐０８‐２６作者简介：黄丽（１９７５－），女，黑龙江大庆人，哈尔滨工业大学物理系副教授，博士，从事超快激光光谱学、太赫兹波段超材料研究．２４物理实验第３３卷为８cm的空气室．空气室中空气的压强在大气压最小值可分别写作Umax＝U珡＋UA，Umin＝U珡－UA；４的基础上可以从０连续增加到４．０×１０Pa，具体ΔL为光程差的改变量，对应的条纹变化数目记的压强差值可以从空气室连接的压强表头读出．作m，则ΔL＝mλ；

6、矱０为初始相位．目测干涉条纹反射光和透射光分别经平面反射镜R１和R２反变化数目时，通常将干涉条纹中心调节成“亮斑”射后，再经分光板S合并．精调光路，使得２束光（初始相位为零）．本实验中，同样也将目测的“中在空间上重合，并得到清晰且适合于实验测量的心亮斑”作为初始状态．从图２可以看出，目测干涉圆环，然后将光电二极管（型号：PDA３６A‐“亮斑”对应光强的转换输出电压并不一定是输出EC；生产公司：Thorlab，USA）放置在干涉圆环电压的最大值．可见，用目测光斑亮度变化来进的中心，并用同轴电缆将光电二极管连接到可存行干涉条纹计数确实存在一定的误

7、差．储数字示波器．实验过程中，首先将空气室中空气的压强增４４加Δp（取值范围为１．３×１０～４．０×１０Pa），然后将放气针孔稍微打开，让空气室内压强缓慢降低至大气压．在此过程中，干涉圆环随着空气室内压强的下降而逐渐向内“缩进”或者向外“涌出”直至稳定不变．相应地，干涉圆环中心位置处的４（a）Δp＝３．９×１０Pa光电二极管感应该位置光强的变化，示波器实时地记录并显示光电二极管转换输出电压大小随时间变化的曲线．由此，测量得到干涉条纹总的变化数目m，则Δp所引起的空气折射率改变量Δn［１１］可以写作：mλΔn＝．（１）２l４进而，在压强Δp不太

8、大的情况下，常温常压状态（b）Δp＝３．２４×１０Pa［９］下空气的折射率为：pambmλpambn＝１＋Δn＝１＋，（２）Δp２lΔp在（１）～（２）式中，l为空