1、組裝邁克爾遜干涉儀姓名：曾宇平 院系：材料科學與工程學院 班級：07材料物理二班學號：200710240224摘要：邁克爾遜干涉儀是一種在近代物理和近代計算機技術中有重要地位的光學儀器。邁克爾遜與他的合作者曾經用這種干涉儀完成了著名的邁克爾遜莫雷實驗，為否定以太的存在提供了重要的依據，從而推動了物理學的發展.另外，邁克爾遜進行了光譜線的結構的研究和光的波長標定標準米尺等重要工作，為物理學科的發展作出了重大的貢獻。本實驗是用實驗的基本儀器來組裝邁克爾遜干涉儀，了解邁克爾遜干涉儀的結構和原理，并掌握利用基本實驗儀器來組裝邁克爾遜干涉儀的方法。關鍵詞：邁克爾遜 干涉儀 光的干涉 干涉條紋一.實驗任務

2、與要求 實驗要求1. 組裝一個機器簡易的邁克爾遜干涉儀裝置的光路。2. 仔細調整光路，分別觀察等厚干涉，等傾干涉，非定域干涉等各種干涉現象。3. 將固定反射鏡粘貼在壓電晶片的一側，進行壓電晶片電致伸縮效應的觀測。4. 可寫出實驗報告，最好以小論文的形式完成，實驗報告中應寫心得體會。實驗要求：1. 學習按一定的原理自行組裝儀器的技能，通過自行組裝邁克爾遜干涉儀學習光路的調整2. 學習在組裝的邁克爾遜干涉儀上開拓應用的技能3. 在組裝的邁克爾遜干涉儀上進行壓電晶片電致伸縮效應的觀測。粗略測出壓電晶片的的壓電效應。二.實驗方案實驗原理相干光源：根據麥克斯韋的電磁理論,光是一種電磁波,具有干涉,衍射和

3、偏振等特性.行進的光波是電磁擾動在空間的傳播,當空間的兩束光波在某一區域相遇時,它們相互疊加,當滿足相干條件時,可以觀察到光的干涉現象,一般情況下是不滿足相干條件的. 對于普通的光源，保證相位差恒定成為實現干涉的關鍵。為了解決發光機制中初相位的無規則迅速變化和干涉條紋的形成要求相位差恒定的矛盾，可把同一原子所發出的光波分解成兩列或幾列，使各分光束經過不同的光程，然后相遇。這樣，盡管原始光源的初相位頻繁變化，分光束之間仍然可能有恒定的相位差，因此也可能產生干涉現象。光的干涉：定義，兩列或幾列光波在空間相遇時相互迭加，在某些區域始終加強，在另一些區域則始終削弱，形成穩定的強弱分布的現象。產生穩定干

4、涉的條件: 只有兩列光波的頻率相同，位相差恒定，振動方向一致的相干光源，才能產生光的干涉。由兩個普通獨立光源發出的光，不可能具有相同的頻率，更不可能存在固定的相差，因此，不能產生干涉現象。在交迭區域內各處的強度如果不完全相同而形成一定的強弱分布，顯示出固定的圖象叫做干涉圖樣。也即對空間某處而言，干涉迭加后的總發光強度不一定等于分光束的發光強度的迭加，而可能大于、等于或小于分光束的發光強度。通常的獨立光源是不相干的。這是因為光的輻射一般是由原子的外層電子激發后自動回到正常狀態而產生的。由于輻射原子的能量損失，加上和周圍原子的相互作用，個別原子的輻射過程是雜亂無章而且常常中斷，持續對同甚短，即使在

5、極度稀薄的氣體發光情況下，和周圍原子的相互作用已減至最弱，而單個原子輻射的持續時間也不超過10-8秒。當某個原子輻射中斷后，受到激發又會重新輻射，但卻具有新韻初相位。這就是說，原子輻射的光波并不是一列連續不斷、振幅和頻率都不隨時間變化的簡諧波，即不是理想的單色光，而是如圖所示，在一段短暫時間內(如=10-8s)保持振幅和頻率近似不變，在空間表現為一段有限長度的簡諧波列。此外，不同原子輻射的光波波列的初相位之間也是沒有一定規則的。這些斷續、或長或短、初相位不規則的波列的總體，構成了宏觀的光波。由于原子輻射的這種復雜性，在不同瞬時迭加所得的干涉圖樣相互替換得這樣快和這樣地不規則，以致使通常的探測儀

6、器無法探測這短暫的干涉現象。盡管不同原子所發的光或同一原子在不同時刻所發的光是不相干的，但實際的光干涉對光源的要求并不那么苛刻，其光源的線度遠較原子的線度甚至光的波長都大得多，而且相干光也不是同一時刻發出的。這是因為實際的干涉現象是大量原子發光的宏觀統計平均結果，從微觀上來說，光子只能自己和自己干涉，不同的光子是不相干的；但是，宏觀的干涉現象卻是大量光子各自干涉結果的統計平均效應。通常采用的方法有兩種：a分波陣面法。將點光源的波陣面分割為兩部分，使之分別通過兩個光具組，經反射、折射或衍射后交迭起來，在一定區域形成干涉。由于波陣面上任一部分都可看作新光源，而且同一波陣面的各個部分有相同的位相，所

7、以這些被分離出來的部分波陣面可作為初相位相同的光源，不論點光源的位相改變得如何快，這些光源的初相位差卻是恒定的。楊氏雙縫、菲涅耳雙面鏡和洛埃鏡等都是這類分波陣面干涉裝置。b分振幅法。當一束光投射到兩種透明媒質的分界面上，光能一部分反射，另一部分折射。這方法叫做分振幅法。最簡單的分振幅干涉裝置是薄膜，它是利用透明薄膜的上下表面對入射光的依次反射，由這些反射光波在空間相遇而形成的干涉現象。由于薄膜的上下表面的反射光來自同一入射光的兩部分，只是經歷不同的路徑而有恒定的相位差，因此它們是相干光。另一種重要的分振幅干涉裝置，是邁克耳孫干涉儀。光的于涉現象是光的波動性的最直接、最有力的實驗證據。光的干涉現

8、象是牛頓微粒模型根本無法解釋的，只有用波動說才能圓滿地加以解釋。由牛頓微粒模型可知，兩束光的微粒數應等于每束光的微粒之和，而光的干涉現象要說明的卻是微粒數有所改變，干涉相長處微粒數分布多；干涉相消處，粒子數比單獨一束光的還要少，甚至為零。這些問題都是微粒模型難以說明的。再從另一角度來看光的干涉現象，它也是對光的微粒模型的有力的否定。因為光總是以3×108ms的速度在真空中傳播，不能用人為的方法來使光速作任何改變(除非在不同介質中，光速才有不同。但對于給定的一種介質，光速也是一定的)。干涉相消之點根本無光通過。那么按照牛頓微粒模型，微粒應該總是以3×108ms的速度作直線運動

9、，在干涉相消處，這些光微粒到那里去了呢?如果說兩束微粒流在這些點相遇時，由于碰撞而停止了，那么停止了的(即速度不再是3×lO8ms,而是變為零)光微粒究竟是什么東西呢?如果說是移到干涉相長之處去了，那么又是什么力量使它恰恰移到那里去的呢?所有這些問題都是牛頓微粒模型根本無法回答的。然而波動說卻能令人信服地解釋它，并可由波在空間按一定的位相關系迭加來定量地導出干涉相長和相消的位置以及干涉圖樣的光強分布的函數解析式。因此干涉現象是波的相干迭加的必然結果，它無可置疑地肯定了光的波動性，我們還可進一步把它推廣到其他現象中去，凡有強弱按一定分布的干涉圖樣出現的現象，都可作為該現象具有波動本性的

10、最可靠最有力的實驗證據。等厚干涉：當光源照到一塊由透明介質做的薄膜上時，光在薄膜的上表面被分割成反射和折射兩束光（分振幅），折射光在薄膜的下表面反射后，又經上表面折射，最后回到原來的媒質中，在這里與反射光交迭，發生相干。只要光源發出的光束足夠寬，相干光束的交迭區可以從薄膜表面一直延伸到無窮遠。薄膜厚度相同處產生同一級的干涉條紋，厚度不同處產生不同級的干涉條紋。這種干涉稱為等厚干涉。如圖：等傾干涉：對于厚度均勻的薄幕光程差是由入射角 i 決定的，凡以相同傾角入射的光，經膜的上、下表面反射后產生的相干光都有相同的光程差，從而對應于干涉圖樣中的一條條紋，故將此類干涉條紋稱為等傾條紋觀察等傾干涉條紋的

11、實驗裝置如圖所示從面光源S發出的光入射到半透半反射鏡M上，經M折射的部分光射向薄膜A ，再被薄膜上、下表面反射，透過M和透鏡 L會聚到 E 上從S上任一點以相同傾角i入射到膜表面上的光線應該在一圓錐面上，它們的反射光在屏上會聚在同一個圓周上面光源S上每一點發出的光都要產生一組相應的干涉環紋，由于方向將同的平行光都被透鏡會聚到焦平面上同一點，所以由光源上不同點發出的光線，凡有相同傾角的，它們所形成的干涉環紋都重疊在一起所以，于涉環紋的總光強是S上所有點光源產生的干涉環紋光強的非相干相加，這樣就使干涉條紋更加明亮，這就是在實驗中總是使用面光源來產生等傾條紋的道理產生明紋的條件是：（或無半波損失）

12、= k k=1,2,產生暗紋的條件是；（或無半波損失） = (2k+1)2 k=0,1,2由上式可知，入射角i越大，光程差越小，干涉級 k也越低。在等傾環紋中，半徑越大的圓環對應的 i 也越大，所以中心處的干涉級最高，越向外的圓環紋干涉級越低。此外，從中央向外各相鄰明環或相鄰暗環間的距離也不相同，中央環紋間的距離較大，環紋較稀疏，越向外，環紋間的距離越小，環紋越密集。非定域干涉：定域就是某個一定的區域非定域就是空間任何區域 兩個單色相干點源在空間任意一點相遇，總有一確定的光程差，從而產生一定的強度分布，并能觀察到清晰的干涉條紋，這種干涉稱為非定域干涉邁克耳遜干涉儀產生干涉的形成條件與條紋特點不

13、僅與M1、M2的相對位置有關，而且與所用光源有關。 HeNe激光用短焦距透鏡會聚后是一個相干性很好的點光源，經M1、M2反射后的相干光束相當于兩個虛點光源，由這兩個虛點光源發出的球面波在空間處處相干，這種干涉稱為非定域干涉，即在兩束光相遇的空間內均能用觀察屏接收到干涉圖像。在擴展光源的情況下，在空間任意一點，由光源上不同點源出發的到達該點的產生雙光束干涉的兩支相干光的光程差不同，在光程差變化大于四分之波長的區域觀察不到干涉條紋，小于四分之波長的區域，盡管采用了擴展光源，仍可觀察到清晰干涉條紋可觀察到清晰干涉條紋的區域稱為定域區。邁克爾遜干涉儀:邁克爾遜干涉儀是1883年美國物理學家邁克爾遜和莫

14、雷合作，為研究“以太”漂移而設計制造出來的精密光學儀器。它是利用分振幅法產生雙光束以實現干涉。通過調整該干涉儀，可以產生等厚干涉條紋，也可以產生等傾干涉條紋。主要用于長度和折射率的測量，若觀察到干涉條紋移動一條，便是M2的動臂移動量為/2，等效于M1與M2之間的空氣膜厚度改變/2。在近代物理和近代計量技術中，如在光譜線精細結構的研究和用光波標定標準米尺等實驗中都有著重要的應用。利用該儀器的原理，研制出多種專用干涉儀。圖1邁克爾遜干涉儀的光路示意圖，圖中M1和M2是兩個平面反射鏡。兩軸成45°角的平行平面玻璃板G1，它的第二個平面上鍍有半透（半反射）的銀膜，以便將入射光分成振幅接近相等

15、的反射光和透射光，故G1又稱為分光板。G2也是平行平面玻璃板，與G1平行放置，厚度和折射率均與G1相同。由于它補償了光線和因穿越G1次數不同而產生的光程差，故稱為補償板。從擴展光源S射來的光在G1處分成兩部分，反射光經G1反射后向著M2前進，透射光透過G1向著M1前進，這兩束光分別在M2、M1上反射后逆著各自的入射方向返回，最后都達到E處。因為這兩束光是相干光，因而在E處的觀察者就能夠看到干涉條紋。 圖1由M1反射回來的光波在分光板G1的第二面上反射時，如同平面鏡反射一樣，使M1在M2附近形成M1的虛像M1，因而光在邁克爾遜干涉儀中自M2和M1的反射相當于自M2和M1的反射。由此可見，在邁克爾

16、遜干涉儀中所產生的干涉與空氣薄膜所產生的干涉是等效的。 當M2和M1平行時(此時M1和M2嚴格互相垂直)，將觀察到環形的等傾干涉條紋。一般情況下，M1和M2形成一空氣劈尖，因此將觀察到近似平行的干涉條紋(等厚干涉條紋)。 圖2 為實驗的實物圖。實驗儀器本實驗是設計性實驗，實驗室已經為我們準備好了必要的實驗儀器供選用。防震臺，氦氖激光光源，凸透鏡，凹透鏡，可變光柵，直尺，光屏，分束鏡，反射鏡，支架，壓電晶片等。我在這里選用足夠多的支架，凸透鏡，直尺，光屏，氦氖激光光源，反射鏡，半透鏡，當然還有防震臺。實驗步驟1. 檢查防震臺是否水平。2. 將凸透鏡，半透鏡，反射鏡，光屏等連接到支架上。3. 調節

17、支架的平衡與水平，確保光學鏡片的中心能夠在同一水平面上，固定好支架。4. 按照光路圖大致擺好各個部分的位置，固定好氦氖激光光源。5. 調節氦氖激光儀到水平，與X軸平行，并且確定凸透鏡的水平坐標，確保紅色的激光能夠透過凸透鏡。并將凸透鏡固定。6. 將半透鏡M1固定好，使得激光能夠通過半透鏡的中心。7. 調節半透鏡M2的位置，使激光能通過中心。8. 調節兩個反射鏡的位置，使激光能滿足干涉的基本條件。9. 反復調試兩個半透鏡，兩個反射鏡以及光屏的位置，知道能觀測出清晰地干涉條紋。10. 確定各個儀器的坐標并記錄下來。實驗數據儀器名稱X軸坐標（cm）Y軸坐標(mm)凸透鏡45500半透鏡G170190半透鏡G260480反射鏡M160650反射鏡M280475光屏60450注意事項1. 不可以觸及激光器的兩端的高壓電極2. 不要讓激光射入眼睛3. 組裝光路前要將要將防震臺調水平。各光學鏡片輕拿輕