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  lgwlgy 2017-12-16 08:05:58

  實(shí)驗(yàn)名稱】邁克爾遜干涉儀的調(diào)整與使用 【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 1.了解邁克爾遜干涉儀的干涉原理和邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)其調(diào)節(jié)方法； 2．調(diào)節(jié)非定域干涉、等傾干涉、等厚干涉條紋，了解非定域干涉、等傾干涉、等厚干涉的形成條件及條紋特點(diǎn)； 3．利用白光干涉條紋測(cè)定薄膜厚度。 【實(shí)驗(yàn)儀器】 邁克爾遜干涉儀（20040151），He-Ne激光器（20001162），擴(kuò)束物鏡 【實(shí)驗(yàn)原理】 1. 邁克爾遜干涉儀 圖1是邁克爾遜干涉儀的光路示意圖 G1和G2是兩塊平行放置的平行平面玻璃板，它們的折射率和厚度都完全相同。G1的背面鍍有半反射膜，稱作分光板。G2稱作補(bǔ)償板。M1和M2是兩塊平面反射鏡，它們裝在與G1成45??角的彼此互相垂直的兩臂上。M2固定不動(dòng)，M1可沿臂軸方向前后平移。 由擴(kuò)展光源S發(fā)出的光束，經(jīng)分光板分成兩部分，它們分別近于垂直地入射在平面反射鏡M1和M2上。經(jīng)M1反射的光回到分光板后一部分透過(guò)分光板沿E的方向傳播，而經(jīng)M2反射的光回到分光板后則是一部分被反射在E方向。由于兩者是相干的，在E處可觀察到相干條紋。 光束自M1和M2上的反射相當(dāng)于自距離為d的M1和M2ˊ上的反射，其中M2ˊ是平面鏡M2為分光板所成的虛像。因此，邁克爾遜干涉儀所產(chǎn)生的干涉與厚度為d、沒(méi)有多次反射的空氣平行平面板所產(chǎn)生的干涉完全一樣。經(jīng)M1反射的光三次穿過(guò)分光板，而經(jīng)M2反射的光只通過(guò)分光板一次，補(bǔ)償板就是為消除這種不對(duì)稱性而設(shè)置的。 雙光束在觀察平面處的光程差由下式給定： Δ＝2dcosi 式中：d是M1和M2ˊ之間的距離，i是光源S在M1上的入射角。 邁克爾遜干涉儀所產(chǎn)生的干涉條紋的特性與光源、照明方式以及M1和M2之間的相對(duì)位置有關(guān)。 2．等傾干涉 如下圖所示，當(dāng)M2與M1嚴(yán)格垂直，即M2ˊ與M1嚴(yán)格平行時(shí)，所得干涉為等傾干涉。干涉條紋為位于無(wú)限遠(yuǎn)或透鏡焦平面上明暗的同心圓環(huán)。干涉圓環(huán)的特征是：內(nèi)疏外密。由等傾干涉理論可知：當(dāng)M1、M2′之間的距離d減小時(shí)，任一指定的K級(jí)條紋將縮小其半徑，并逐漸收縮而至ZX處消失，即條紋“陷入”；當(dāng)d增大，即條紋“外冒”，而且M1與M2′的厚度越大，則相鄰的亮（或暗）條紋之間距離越小，即條紋越密，越不易辨認(rèn)。每“陷入”或“冒出”一個(gè)圓環(huán)，d就相應(yīng)增加或減少λ/2的距離。如果“陷入”或“冒出”的環(huán)數(shù)為N，d的改變量為Δd，則：Δd=N*λ/2 則：λ＝2Δd／N 若已知Δd和N，就可計(jì)算出λ。 i2 a1 i1 b1 【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟】 （一）調(diào)整邁克爾遜干涉儀，觀察非定域干涉、等傾干涉的條紋 ① 對(duì)照實(shí)物和講義，熟悉儀器的結(jié)構(gòu)和各旋鈕的作用； ② 點(diǎn)燃He—Ne激光器，使激光大致垂直M1。這時(shí)在屏上出現(xiàn)兩排小亮點(diǎn)，調(diào)節(jié)M1和M2背面的三個(gè)螺釘，使反射光和入射光基本重合（兩排亮點(diǎn)中Z亮的點(diǎn)重合且與入射光基本重合）。這時(shí)，M1 和M2大致互相垂直，即M1／、M2大致互相平行。 ③ 在光路上放入一擴(kuò)束物鏡組，它的作用是將一束激光匯聚成一個(gè)點(diǎn)光源，調(diào)節(jié)擴(kuò)束物鏡組的高低、左右位置使擴(kuò)束后的激光完全照射在分光板G1上。這時(shí)在觀察屏上就可以觀察到干涉條紋（如完全沒(méi)有，請(qǐng)重復(fù)上面步驟）再調(diào)節(jié)M1下面的兩個(gè)微調(diào)螺絲使M1／、M2更加平行，屏上就會(huì)出現(xiàn)非定域的同心圓條紋。 ④ 觀察等傾干涉的條紋。 （二）測(cè)量He—Ne激光的波長(zhǎng) ① 回到非定域的同心圓條紋，轉(zhuǎn)動(dòng)粗動(dòng)和微動(dòng)手輪，觀察條紋的變化：從條紋的“涌出”和“陷入”說(shuō)明M1／、M2之間的距離d是變大？變小？觀察并解釋條紋的粗細(xì)、疏密和d的關(guān)系。 ② 將非定域的圓條紋調(diào)節(jié)到相應(yīng)的大?。ㄗ筮厴?biāo)尺的讀數(shù)為32mm附近），且位于觀察屏的ZX。 ③ 轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)手輪使圓條紋穩(wěn)定的“涌出”（或“陷入”），確信已消除“空回誤差”后，找出一個(gè)位置（如剛剛“涌出”或“陷入”）讀出初始位置d1。 ④ 緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)手輪，讀取圓條紋“涌出”或“陷入”ZX的環(huán)數(shù)，每50環(huán)記錄相應(yīng)的d2、d3、d4…… ⑤ 反方向轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)手輪，重復(fù)②、③記錄下“陷入”（或“涌出”）時(shí)對(duì)應(yīng)的di/。 ⑥ 數(shù)據(jù)記錄參考表（如上），按公式計(jì)算出He—Ne激光的波長(zhǎng)。用與其理論值相比較得出百分差表示出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 【注意事項(xiàng)】 1、 任何光學(xué)面不得用手摸，如需要用鏡頭紙輕輕擦拭。 2、 本實(shí)驗(yàn)的ZD和難點(diǎn)是粗調(diào)即步驟③，需反復(fù)調(diào)節(jié)M1和M2背面的三個(gè)螺釘，但必須均勻調(diào)節(jié)，否則會(huì)造成儀器的損壞。 由于邁克爾遜干涉儀的測(cè)量精度較高，反方向轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)手輪測(cè)量另一組數(shù)據(jù)時(shí)，一般需要轉(zhuǎn)動(dòng)20多圈方可消除“空回誤差”，這時(shí)也可直接反方向轉(zhuǎn)動(dòng)粗動(dòng)手輪達(dá)到消除“空回誤差”的目的 【數(shù)據(jù)記錄】 1.測(cè)量He—Ne激光的波長(zhǎng)： Ki 涌 出 陷 入 di(mm) Δdi(mm) di/(mm) Δdi/(mm) K0 54.74382 54.54123 K0+50 54.76163 54.52504 K0+100 54.77705 54.50927 K0+150 54.79326 54.49211 K0+200 54.80939 54.47658 K0+250 54.82480 54.45958 【數(shù)據(jù)處理】 可通過(guò)逐差法求He-Ne激光的波長(zhǎng) 涌出 陷入 百分誤差： 【實(shí)驗(yàn)結(jié)果】 【問(wèn)題討論】 1． 在實(shí)驗(yàn)中需要調(diào)節(jié)M1和M2相互垂直（M1和M2’相互平行）時(shí)，是在沒(méi)有干涉條紋出現(xiàn)的情形下，利用觀察視場(chǎng)中兩個(gè)光點(diǎn)的位置來(lái)操作的，但實(shí)際會(huì)發(fā)現(xiàn)，這樣的光點(diǎn)一般都有很多。這些光點(diǎn)的出現(xiàn)是源于入射光束在被分光鏡分為兩束以及它們?cè)趥鬏斶^(guò)程中所經(jīng)過(guò)的多個(gè)玻璃折射，反射后。試根據(jù)圖1所示的主光路傳輸路徑，總結(jié)一套快速正確地選定對(duì)應(yīng)觀測(cè)光點(diǎn)的方法。 由圖1可見(jiàn)，入射光束在分光鏡的第1表面和分束面都會(huì)有部分光向M1方向反射，經(jīng)M1再次反射后，從觀察屏上看到的右邊光點(diǎn)是由分束面反射，即我們所要的對(duì)應(yīng)光點(diǎn)。透過(guò)分束鏡的光經(jīng)M2鏡反射后，在補(bǔ)償片的兩個(gè)界面會(huì)形成兩個(gè)向觀察方向反射的光點(diǎn)，右邊第3個(gè)光點(diǎn)才是由分束面反射，即我們要找的對(duì)應(yīng)光點(diǎn)。 2． 試由公式說(shuō)明M1和M2’的距離d變大變小同環(huán)形干涉條紋ZX“冒出或陷入”的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 由公式2dcosik=kλ，對(duì)同一干涉級(jí)次（k不變），當(dāng)d減小時(shí)， i k必然減小，干涉園環(huán)ZX向里陷入。

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