用邁克爾遜干涉儀測量光波的波長

1、用邁克爾遜干涉儀測量光波的波長 邁克爾遜干涉儀是1883年美國物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷合作設(shè)計(jì)出來的精密光學(xué)儀器，邁克爾遜干涉儀在物理學(xué)發(fā)展史上具有重要地位，在近代物理和計(jì)量技術(shù)中也有著廣泛的應(yīng)用。例如，可用它來測量光波的波長、微小長度、光源的相干長度等等。本實(shí)驗(yàn)用邁克爾遜干涉儀測量光波的波長。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握邁克爾遜干涉儀的原理、結(jié)構(gòu)和調(diào)整使用方法。2. 理解等傾干涉的原理，觀察等傾干涉條紋的特點(diǎn)。3. 用邁克爾遜干涉儀測定HeNe激光的波長。二、實(shí)驗(yàn)儀器邁克爾遜干涉儀、HeNe激光器、七條光纖合成的分光器。三、實(shí)驗(yàn)原理邁克爾遜干涉儀是用分振幅法使一束光分成兩束光以實(shí)現(xiàn)干涉的儀器，其光路

2、如圖4-16-1所示。其中S為單色光源，G1、G2為平行平面玻璃板，M1、M2為互相垂直的平面鏡。G1、G2與M1、M2均成45°角。 從單色光源S發(fā)出（若用激光則激光束經(jīng)透鏡L擴(kuò)展后）的光，射到45°傾斜的平行平面玻璃板G1上。該板的后表面鍍有一層半反射膜，光束在平行平面玻璃板G1的半反射面上被分成反射光束（1）和透射光束（2）。光束（1）向上反射至全反射鏡M1；另一光束（2）透過G1，所以G1又稱為干涉儀的分光板。光束（1）經(jīng)M1反射回來再穿過G1，光束（2）經(jīng)過G2投向平面全反射鏡M2，經(jīng)M2反射后再透過G2，在G1的半反射膜處反射。兩光束分別經(jīng)M1、M2反射后，再由

3、分光板G1會集成束。 仔細(xì)調(diào)節(jié)M1和M2，可在E處（毛玻璃屏上）觀察到 圖4-16-1 邁克爾遜干涉儀光路圖干涉條紋。G2為一補(bǔ)償板，其材料和厚度與G1相同。補(bǔ)償板G2的作用是補(bǔ)償光束（2）在G1板中往返兩次所多走的光程，使光束（1）和光束（2）在玻璃中的光程完全相等。于是，光束（1）和光束（2）這兩束相干光在空間相遇（在E處）后會產(chǎn)生干涉，通過望遠(yuǎn)鏡或人眼可以觀察到干涉條紋。四、儀器結(jié)構(gòu)邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)如圖4-16-2所示。一個機(jī)械臺面4固定在鑄鐵底座2上，底座上有三個調(diào)節(jié)螺釘1，用以調(diào)節(jié)臺面水平。載物臺面上裝有螺距為1mm的精密絲杠3，絲杠的一端與齒輪系統(tǒng)12相連接，轉(zhuǎn)動手輪13或微動

4、鼓輪15可使絲杠轉(zhuǎn)動，從而使騎在絲杠上的反射鏡M1沿導(dǎo)軌5移動。M1的位置及移動的距離可以從裝在臺面4一側(cè)的毫米刻度標(biāo)尺上讀出其整數(shù)部分，而從讀數(shù)窗口11及微動鼓輪15上讀出其小數(shù)部分。手輪13上分100個小格，每轉(zhuǎn)動一小格，M1就平移mm。微動鼓輪15每轉(zhuǎn)動一周，手輪13就轉(zhuǎn)動一小格。微動鼓輪又分為100小格，因此，微動鼓輪轉(zhuǎn)動一小格， 圖4-16-2 邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)圖M1就平移104mm的距離，在加上估計(jì)一位， 1調(diào)節(jié)螺釘；2底座；3絲杠；4臺面； 最小讀數(shù)就可讀到105mm。全反射鏡M2固定 5導(dǎo)軌； 6反射鏡M1； 7反射鏡微調(diào)螺釘；在鏡臺上。M1 、的后面各有三個螺釘7，可 8反

5、射鏡M2；9分光板；10補(bǔ)償板；用來調(diào)節(jié)鏡面的傾斜度。M2鏡臺下面還有一個 11讀數(shù)窗口；12齒輪系統(tǒng)；13手輪；水平方向的微調(diào)螺釘14和一個垂直方向的微調(diào) 14水平微調(diào)螺釘；15微動鼓輪；16垂直螺釘16，其松緊可使M2鏡產(chǎn)生一個極小的形變。 微調(diào)螺釘。9和10分別為分光板G1和補(bǔ)償板G2，G1的內(nèi)表面為鍍有銀的半反射面。五、實(shí)驗(yàn)步驟1. 轉(zhuǎn)動粗動輪（即手輪），使水平導(dǎo)軌的位置在35mm附近。2. 取下觀察屏，沿垂直于觀察屏的方向看過去將有兩行平行的亮點(diǎn)，每行各有四個亮點(diǎn)，亮度各不相同。分別調(diào)整兩個平面鏡后面的三個螺釘，使兩行亮點(diǎn)完全重合，注意亮度要一一對應(yīng)重合。這時(shí)，放回觀察屏，在屏上會有

6、很密的圓環(huán)狀干涉條紋出現(xiàn)。3. 如果條紋太密，可以轉(zhuǎn)動粗動輪使干涉條紋變疏（如果發(fā)現(xiàn)條紋變密，則反方向轉(zhuǎn)動）。4. 往讀數(shù)增大的方向轉(zhuǎn)動微動輪，直到干涉條紋（圓環(huán)）開始從中心冒出來。然后，調(diào)整粗動輪和微動鼓輪的刻度。先往讀數(shù)增大的方向轉(zhuǎn)動微動鼓輪，使微動鼓輪的讀數(shù)為零；再往讀數(shù)增大的方向轉(zhuǎn)動粗動輪，使粗動輪的讀數(shù)為整數(shù)。注意，調(diào)整過程只能始終往一個方向轉(zhuǎn)動微動鼓輪和粗動輪。5. 將水平軌道（只讀出整數(shù)部分）、粗動輪（只讀出整數(shù)部分）和微動鼓輪（讀出整數(shù)部分并估讀一位）的讀數(shù)加起來作為起點(diǎn)位置d0，然后往增大的方向轉(zhuǎn)動微動鼓輪，每變化50個圓環(huán)，記錄水平軌道（只讀出整數(shù)部分）、粗動輪（只讀出整數(shù)部分）和微動鼓輪（讀出整數(shù)部分并估讀一位）的讀數(shù)并加起來，作為第50環(huán)的位置。如此重復(fù)，一直到第400個圓環(huán)。6. 計(jì)算每冒出N=200個條紋時(shí)所對應(yīng)的平均值。根據(jù)干涉理論，可以知道波長與N、的關(guān)系為，據(jù)此求出波長的平均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差。7. 由標(biāo)準(zhǔn)波長值nm計(jì)算測量結(jié)果的相對誤差與絕對誤差。表4-16-1 測量光波波長數(shù)據(jù)表讀數(shù)位置/mm起點(diǎn)第50環(huán)第100環(huán)第150環(huán)第200環(huán)第250環(huán)第300環(huán)第350環(huán)第400環(huán)測量結(jié)果：nm