1、邁克爾遜和法布里-珀羅干涉儀文摘：邁克爾遜干涉儀是一種精密光學(xué)儀器，在現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代計量技術(shù)中有著重要的應(yīng)用。通過邁克爾遜干涉實驗，我們可以熟悉邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)，掌握其調(diào)整方法，了解電光源非定域干涉條紋的形成、特征和變化規(guī)律，并利用干涉條紋的變化來測量光源的波長和空氣的折射率。本實驗報告簡要介紹了邁克爾遜干涉儀的實驗原理，闡述了具體的實驗過程和結(jié)果以及在實驗過程中獲得的經(jīng)驗，并試圖說明實驗過程中遇到的一些問題。關(guān)鍵詞：邁克爾遜干涉儀；法布里-珀羅干涉儀：干涉；空氣折射率；一、導(dǎo)言實驗背景邁克爾遜干涉儀是美國物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷于1883年為研究“以太”漂移而設(shè)計制造的精密光學(xué)儀器。它采

2、用分幅法產(chǎn)生雙光束實現(xiàn)干涉。通過調(diào)整干涉儀，可以產(chǎn)生等厚等傾角的干涉條紋，主要用于測量長度和折射率。法布里-珀羅干涉儀是1897年由珀羅發(fā)明的一種儀器，它可以干涉多束光束。它是測量長度和研究光譜超精細(xì)結(jié)構(gòu)的有效工具，也是激光諧振腔的基本結(jié)構(gòu)，其理論也是研究干涉光學(xué)片的基礎(chǔ)，干涉光學(xué)片在光學(xué)中一直起著重要的作用。在光譜學(xué)中，精確的邁克爾遜干涉儀或法布里-珀羅干涉儀可以用來精確和詳細(xì)地測量譜線的波長和精細(xì)結(jié)構(gòu)。實驗?zāi)康?.掌握邁克爾遜干涉儀和法布里-珀羅干涉儀的工作原理和調(diào)整方法；2.了解各種干涉條紋的形成條件、條紋特征和變化規(guī)律；3.測量空氣的折射率。實驗原理(1)邁克爾遜干涉儀是一對平面鏡，并

3、且是一對具有相同厚度和折射率的平行玻璃板，它們被稱為分束板，并且涂有被稱為補(bǔ)償板的半反射和半透射膜。當(dāng)光向上照射時，在半透膜上被分成兩束，透射光1在半透膜上發(fā)射、反射、透射和反射；反射光2被入射、反射和透射。玻璃中兩束光的光路是相等的。當(dāng)觀察者從這個地方看時，除了直接看到圖像之外，他還能看到圖像。因此，兩束光從和反射，所以在邁克爾遜干涉儀產(chǎn)生的干涉相當(dāng)于空氣膜之間形成的干涉。(2)干涉條紋1.等傾干涉調(diào)整并使其嚴(yán)格平行于。對于具有入射角的光，與反射光的光程差為：是和之間的間距。從上面的公式，可以得到產(chǎn)生亮條紋和暗條紋的條件其中是一個整數(shù)。變化過程中的壓痕或出現(xiàn)條紋的數(shù)量可以定量表示為：其中是縮

4、進(jìn)或緊急條紋的數(shù)量以及距離的變化量。2.等厚干涉當(dāng)與有一定的交角時，兩個鏡子所在的平面之間會有一條交線?？紤]到光束以遠(yuǎn)離相交線的角度入射，由光束通過兩個反射鏡的反射引起的光程差為如果、和很小，光路公式可以近似為，此時將產(chǎn)生等厚的干涉條紋。(3)用干涉條紋測量空氣折射率使用激光器作為光源，將一個內(nèi)壁長度為L的小單元放置在邁克爾遜干涉儀的光路中，并固定在反射鏡的前面。調(diào)整干涉儀，在獲得適量的等傾干涉條紋后，給氣室充氣，然后稍微松開閥門。同時，計算干涉環(huán)的變化次數(shù)和相應(yīng)的氣壓變化值，得到氣壓為0時的空氣折射率實驗儀器這個實驗是在光學(xué)面包板上進(jìn)行的。主要部件包括一個分光板和兩個鏡子M1和M2。M1是一

5、面移動的鏡子，它是本光源包括半導(dǎo)體激光器(波長635納米)和鈉燈。單面鍍膜的兩塊玻璃板也固定在帶有移動鏡的位移臺上，移動鏡是法布里-珀羅干涉儀的主要部件。分光板、聚焦透鏡等?？梢酝ㄟ^支撐桿和底座安裝在光學(xué)面包板上，也可以通過叉形壓板固定在光學(xué)面包板上。接收屏可以觀察到激光形成的干涉條紋。還有氣室和氣壓計用來測量空氣的折射率。二、實驗過程實驗內(nèi)容1.干涉條紋的觀察使用氦氖激光器作為光源，并根據(jù)需要安裝儀器。分光板、固定鏡、移動鏡和接收屏安裝在光學(xué)面包板上，但聚焦透鏡沒有先安裝。安裝時注意光路的初步估計，使兩束光的光路大致相等，并調(diào)整各透鏡的高度和同軸度。安裝好每個部件后，通過每個鏡頭的小螺釘對其

6、進(jìn)行微調(diào)。要求激光器發(fā)射的光束垂直于移動的反射鏡，并與分束器板形成45的角度，分束器板反射的光垂直于固定的反射鏡。設(shè)置儀器。調(diào)整角度后，兩個光束的光點應(yīng)該在屏幕上重合。此時，通過在激光器前面增加一個聚焦透鏡，可以在屏幕上看到干涉條紋。通過仔細(xì)調(diào)整平面鏡并逐漸將干涉環(huán)的中心調(diào)整到視場的中心，可以獲得等傾干涉條紋的圖案。轉(zhuǎn)動千分尺螺絲改變兩個平面鏡之間的位置，觀察并記錄條紋的變化。轉(zhuǎn)動千分尺螺絲，使移動鏡向條紋一個接一個消失的方向和圓心移動。當(dāng)視野中幾乎沒有條紋時，仔細(xì)調(diào)整平面鏡，使其稍微傾斜。轉(zhuǎn)動測微螺釘意味著曲線條紋向圓心移動，一些直條紋一個接一個出現(xiàn)，即等厚干涉條紋。旋轉(zhuǎn)千分尺螺絲改變兩個平

7、面鏡之間的相對位置，觀察并記錄條紋的變化。2.測量激光的波長取等傾干涉條紋的清晰位置，記錄微螺旋的讀數(shù)，沿前一個方向旋轉(zhuǎn)微螺旋，同時計數(shù)出現(xiàn)或消失的條紋，每50圈記錄一次讀數(shù)，測量到第250圈，用差值法計算 d。激光的波長由以下公式計算，并與理論值進(jìn)行比較：注意：每旋轉(zhuǎn)0.01毫米的千分尺螺絲，移動鏡移動0.001毫米.也就是說，d應(yīng)該是千分尺螺絲的移動距離乘以0.1。3.測量空氣的折射率測量時，用氣球給氣室充氣，讀出氣壓計的指示值，然后慢慢放氣，相應(yīng)地看到壓痕或條紋出現(xiàn)。當(dāng)縮進(jìn)或彈出一個有條紋的肘部時，記錄氣壓計的讀數(shù)。然后重復(fù)前面的步驟，得到6組數(shù)據(jù)。計算相應(yīng)氣室中壓力變化的平均值。在實驗

8、中，使用氣壓計測量與大氣壓力的差異。大氣壓可以是1.0133105帕.實驗氣室的長度為10.0厘米注意，使用后請松開充氣閥，因為高壓氣體在氣室中長期儲存會損壞壓力表。實驗方法和技術(shù)注意：1.當(dāng)千分尺螺絲旋轉(zhuǎn)0.01毫米時，移動鏡移動0.001毫米.也就是說，d應(yīng)該是千分尺螺絲的移動距離乘以0.1。2.氣室用完后，請松開充氣閥。高壓氣體長期儲存在氣室中會損壞壓力表。實驗結(jié)果的分析和結(jié)論1.利用邁克爾遜干涉儀測得的數(shù)據(jù)，計算氦氖激光器的波長，并與理論值進(jìn)行比較，計算出相對誤差。表1用邁克爾遜干涉儀測量的激光波長數(shù)據(jù)表頻率123456千分尺螺旋讀數(shù)l/mm16.28016.13016.97015.8

9、0515.65015.480使用分步方法：每次測微螺釘旋轉(zhuǎn)0.01毫米，移動鏡移動0.001毫米。也就是說，d應(yīng)該是微米的移動距離當(dāng)用肉眼判斷鋸齒狀或新興條紋并計算條紋數(shù)量時，在讀取和測量微螺旋指示時會出現(xiàn)隨機(jī)誤差。2.計算標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣的折射率，并與理論值比較，計算相對誤差。組123456/千帕323640283424/千帕1417229166/千帕181918191818，經(jīng)過計算，得出發(fā)現(xiàn)空氣折射率的理論值相對誤差誤差分析：人為因素包括測量誤差、小氣室壓力值和穩(wěn)定后的讀數(shù)。環(huán)境因素包括壓力、溫度、濕度等。氣體的折射率與壓力有關(guān)，氣體的折射率會隨著壓力而變化。同時，氣體的折射率也與溫度有

10、關(guān)。實驗中遇到的問題及解決方法1.儀器已安裝，但沒有干擾現(xiàn)象。有許多可能的情況。1)兩個光點重合，但沒有干涉現(xiàn)象。兩個光束未能達(dá)到相等光路的要求可能是由于激光在傳播過程中不在同一水平面上，這可以通過重復(fù)調(diào)節(jié)光闌來調(diào)節(jié)。調(diào)整光闌的位置，在近距離調(diào)整光闌，使光通過光闌，觀察光是否仍然通過光圈。2)添加聚焦透鏡前，兩個光斑重合，添加聚焦透鏡后，重合點消失。光路可能會偏轉(zhuǎn)，因為光線不會穿過透鏡的中心。3)兩個鏡子不完全垂直。在安裝儀器的過程中，每個儀器都應(yīng)盡量保證光路通過儀器的中心，使光點重合。2.當(dāng)非單色光(如白光)用作邁克爾遜干涉儀的光源時，為什么必須增加補(bǔ)償板？答：非單色光具有不同的折射率和波長，因此不能通過調(diào)節(jié)的位置來達(dá)到等光程的目的。3.白熾燈能用作測量空氣折射率的光源嗎？答：不是，白色干涉條紋的數(shù)量很少，波長也不是單一值。三、實驗總結(jié)經(jīng)驗或收獲實驗前的準(zhǔn)備非常重要。通過理解說明書中的大綱，我們可以宏觀地把握做實驗的整個過程，而不能依賴說明書。許多地方需要我們自己多思考，這可以使我們養(yǎng)成科學(xué)思維的好習(xí)慣。實驗過程中最重要的是仔細(xì)觀察并如實