实验三十一迈克尔孙干涉仪实验报告.pdf

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1、基础物理实验实验三十一迈克耳孙干涉仪（MichelsonInterferometer）实验报告学院：地球与空间科学学院姓名：1100012623张晓晨指导教师：郭磊时间：2012年12月26日一、目的要求1.掌握M-干涉仪的调节方法。2.调出非定域干涉和定域干涉条纹。3.了解各类型干涉条纹的形成条件、花纹特点、变化规律及相互间区别。4.用M-干涉仪测量气体的折射率二、仪器用具M-干涉仪，He-Ne激光器及其电源，扩束透镜，小孔光阑，白炽灯，毛玻璃，小气室，打气皮囊，气压表，凸透镜，特制显微镜。三、实验原理（一）M-干涉仪光

2、路图M-干涉仪是一种分振幅双光束的干涉仪，光路如图31-1所示。图31-1M-干涉仪光路图S为光源，G2为补偿板，作用是保证I和II两束光在毛玻璃F处的光程完全相等，激光应垂直导轨方向射向M-干涉仪。（二）干涉条纹的图样图31-1中M′是M2被G1反射所成的虚像，从观察者来看，两相干光束是从M12和M′反射而来，因此我们把M-干涉仪产生的干涉等效为M1和M′间空气膜所产生的22干涉进行分析研究。图31-2等效光源示意图1、点光源照明-非定域干涉条纹激光束经短焦距凸透镜汇聚后可得点光源S，它发出球面波照射M-干涉仪。在这个光

3、场中任何地方放置毛玻璃都能看到干涉条纹，这种干涉称为非定域干涉。图31-3非定域干涉原理光路示意图当毛玻璃与S,S′连线垂直时得到圆条纹，特性：12S,S′到接收屏上任一点P的光程差为∆L=S′P−SP，当r<

4、r⎞⎛r⎞2d⎜1−k⎟=kλ2d⎜1−k−1⎟=(k−1)λ⎜2z2⎟⎜2z2⎟⎝⎠⎝⎠两式相减得：2λz∆r=r−r≈k−1k2rdk（3）条纹吞吐缓慢移动M1镜，改变d，可看见条纹“吞”“吐”现象，这是因为对于某一特定级次为k1的干涉条纹有2⎛r⎞2d⎜1−k1⎟=kλ⎜2z2⎟1⎝⎠当d增大时，r也增大，看见条纹“吐”的现象，当d减小时，r也减小，看见k1k1条纹“吐”的现象。对圆心处，r=0,2d=kλ。若M1镜移动了距离∆d，所引起干涉条纹吞或吐的数目N≡∆k，则有2∆d=Nλ若已知波长λ就可以从条纹的吞吐数目

5、N求的M1镜的移动距离∆d。2、扩展光源照明——定域干涉条纹（1）等倾干涉条纹等倾干涉条纹定域于无穷远，在E处用人眼直接观察可看到一组同心圆。圆心处∆L=2d=kλ。k级条纹2dcosθ=kλ。k+1级条纹2dcosθ=(k+1)λ。kk+1条纹间距（角距离）为λ∆θ=θ−θ≈kkk+12dθk故干涉条纹中间稀疏，边缘密集，条纹随d的减小而变得稀疏。图31-4等倾干涉原理示意图（2）等厚干涉条纹等厚干涉条纹定域于镜面附近。2⎛θ⎞∆L=2dcosθ≈2d⎜⎜1−⎟⎟⎝2⎠在交棱附近，干涉条纹呈直线；远离交棱处，干涉条纹呈弧

6、形，弯曲反向凸向交棱方向。图31-5等厚干涉原理示意图（3）测量空气折射率λ为激光波长，D为小气室厚度，N为条纹变化数目，∆p为气压改变值，p取51atm=1.013×10Pa，则Nλpn=1+2D∆p图31-6测量空气折射率原理示意图四、实验装置实验装置如下图所示：图31-7迈克耳孙干涉仪实验装置图观察孔分光板光源反射镜M1补偿板反射镜M2图31-8迈克耳孙干涉仪部分结构图五、实验内容1、将M1，M2背面的螺钉U1，U2，M2的两个微动螺丝U′，置于适中位置。22、调节光路准直。调节U1，U2，激光光源，在光源前放置一个

7、与G1等高的小孔光阑F使反射像与小孔重合，从而M1和M′大致平行。23、调出非定域圆条纹在P，G1间加扩束透镜L将激光束汇聚为点光源并均照亮G1通过观察屏E观察非定域圆条纹和椭圆条纹。4、调出定域等倾干涉条纹在L，G1间加毛玻璃使光源称为扩展光源，用肉眼沿G1，M1方向观察，调节M2的微动螺丝U′，使眼睛上下左右移动时，条纹无吞吐现象。25、调出扩展光源照明下的等厚干涉条纹调节U′，使M1和M′有小夹角α，转动粗调手柄使弯曲条纹向圆心方向移动，22观察条纹由弯变直，继续同方向移动M1，观察条纹由直变弯。6、调出白光等厚干涉

8、条纹7、测量空气的折射率用气囊打气，然后缓慢放气，当观察到干涉条纹“吞”时，记录N和相应的D′，计算∆D，进而计算n。六、实验数据记录与处理（一）非定域干涉条纹同心圆条纹中心粗疏，边缘细密。转动粗调手柄，d增大时，条纹“吐”，条纹变细，间距变小；d减小时，条纹“吞”，条纹变粗，间距变大。解释如下：实验中