迈克尔逊干涉仪实验报告

实验目的：学会使用迈克尔逊干涉仪观察等倾、等厚和非定域干涉现象测量氦氖激光的波长和钠光双线的波长差。实验仪器：氦氖激光光源、钠光灯、迈克尔逊干涉仪、毛玻璃屏实验原理：1：迈克尔逊干涉仪的原理：迈克尔逊干涉仪的光路图如图所示，光源S出发的光经过称放置的背面镀银的半透玻璃板被分成互相垂直的强度几乎相等的两束光，光路1通过镜反射并再次通过照射在观察平面E上，光路2通过厚度、折射率与相同的玻璃板后由镜反射再次通过并由背面的反射层反射照射在观察平面E上。图中平行于的是经反射所成的虚像，即到与到的光程距离相等，故从到的光路可用到等价替代。这样可以认为与之间形成了一个空气间隙，这个空气间隙的厚度可以通过移动完成，空气间隙的夹角可以通过改变镜或镜的角度实现。当与平行时可以在观察平面E处观察到等倾干涉现象，当与有一定的夹角时可以在观察平面E处观察到等厚干涉现象。2：激光器激光波长测量原理：由等倾干涉条纹的特点，当θ=0时的光程差δ最大，即圆心所对应的干涉级别最高。转动手轮移动M1，当d增加时，相当于增大了和k相应的θ角，可以看到圆环一个个从中心“冒出”；若d减小时，圆环逐渐缩小，最后“淹没”在中心处。每“冒”出或“缩”进一个干涉环，相应的光程差改变了一个波长，也就是M与M’之间距离变化了半个波长。若将M与M’之间距离改变了△d时，观察到N个干涉环变化，则△d=Nλ2由此可测单色光的波长。3：钠光双线波长差的测定：在使用迈克尔逊干涉仪观察低压钠黄灯双线的等倾干涉条纹时，可以看到随着动镜的移动，条纹本身出现了由清晰到模糊再到清晰的周期性变化，即反衬度从最大到最小再到最大的周期性变化，利用这一特性，可测量钠光双线波长差，对于等倾干涉而言，波长差的计算公式为：Δλ=λ-22Δd实验内容与数据处理：观察非定域干涉条纹1）通过粗调手轮打开激光光源，调节激光器使其光束大致垂直于平面反光镜入射，取掉投影屏E，可以看到两排激光点2）粗调手轮移动镜的位置，使得通过分光板分开的两路光光程大致相等3）调节、镜后面的两个旋钮，使两排激光点重合为一排，并使两个最亮的光点重合在一起。此时再放上投影屏E，就可以看到干涉条纹。4）仔细调节、镜后面的两个旋钮，使与平行，这时在屏上可以看到同心圆条纹，这些条纹为非定域条纹。5）转动微调手轮，观察干涉条纹的形状、疏密及中心“吞”、“吐”条纹随光程差改变的变化情况。测量He-Ne激光波长1）调整仪器的测量零点2）向同一个方向缓旋动微调手轮，当观察到条纹显著的涌出或缩进时，开始此时镜的位置。持续沿同一方向旋动微调手轮，条纹中心每“吞”或“吐”100条条纹记一次h值，连续记录十次，并将数据记录在相应中，并计算出激光波长及其误差（3）钠光双线波长差的测定1）将光源换为钠灯，在钠光灯与之间放置一块磨砂玻璃，并将投影屏E取下，通过分光板A直接观察干涉条纹。2）缓慢旋动微调手轮，观察钠灯产生的干涉条纹的吞吐。3）继续缓慢旋动微调手轮移动镜，观察到条纹的反衬度周期变化，记录条纹从不可见到下个不可见时的位置d值，连续记录六次，讲数据记录在相应表格中，利用最小二乘法求出，计算钠光双线的波长差及其误差。数据处理由最小二乘法可得到Δd1=0.03295mm计算可得到波长λ=659nm误差为：632.8-659.0632.8×100%=4.14%由最小二乘法可得到Δd2=0.28340mm计算可得到波长差=0.6121nm误差为：0．5967-0.61210.5967×100%=2.58%实验分析讨论与结论：本实验以迈克尔逊干涉仪为主要工具，观察了激光的等倾干涉和等厚干涉，并根据等倾干涉的特点，利用相关的公式测出了He-Ne激光的波长以及钠光双线的波长差，由于仪器精度的影响，实验存在一定的误差，但在正常范围内，精度较高；在试验处理的时候如果不采用最小二乘法也可采用取平均值的方法，在一定程度上减小偶然误差的影响。1：在计量图像“吞”下条纹时所移动的距离存在一定的误差，所以实验中一定要小心谨慎，细盘的转动要慢；对反衬度的判断也不足够精确。2：大小鼓轮空转也会引起误差，所以每次测量必须沿同一方向旋转，不得中途倒退。3：试验中的镜面只能大致的满足相互之间的几何关系，所以公式的推导有一定的误差，可在计算中加以适当的修正。本次实验整体来看测得的实验数据符合要求。结论：通过本次实验掌握了迈克尔逊干涉仪的使用，观察到了等倾干涉、等厚干涉的现象、较为准确的测出实验室所用He-Ne激光的波长以及钠光双线的波长差。参考文献：1：李朝荣、徐平、唐芳、王慕兵。基础物理实验【M】，北京航空航天大学出版社。2：张三慧主编大学物理学，清华大学出版社。