迈克尔逊干涉仪的调节和使用

迈克尔逊干涉仪是用分振幅法实现双光束干涉的典型仪器，其设计巧妙、精度很高，对于近代物理发展起着很重要的作用。1881年迈克尔逊—莫雷为研究“以太”是否存在而设计了迈克尔逊干涉仪，现在根据迈克尔逊干涉仪基本原理发展的干涉测量仪器已经广泛应用于生产和科研领域。学习使用迈克尔逊干涉仪对进一步研究和理解干涉现象很有帮助。

【实验目的】

（1）学习干涉仪的调节与使用，观察等倾干涉条纹。

（2）学会测量He-Ne激光器波长的方法。

【实验原理】

迈克尔逊干涉实验中，在采用He-Ne激光器作光源时，由于激光的发散角很小，通常要用一个扩束镜扩束后照射到分束板G1上，经过扩束后的光源可看作发散角增大很多的点光源。如图4-25所示，平面镜M1和M2严格垂直，是经G1反射的像，因此，M1和严格平行。点光源S所发出的光线照射到分束板G1，被G1后表面的半透膜经反射和投射分成两束，即反射光1和透射光2，其中由分束板G1、补偿板G2与平面镜M1、M2均成45°角，所以，反射光1在近似于垂直入射到平面反光镜M1后，经反射又沿原路返回，透过G1到达E处。透射光2在透过补偿板G2后，近似垂直地入射到平面镜M2上，经反射又沿原路返回，在分光板后表面反射后到达E处，若在E处放置毛玻璃屏，那么光线2与光线1相遇后形成的干涉花样就呈现在毛玻璃屏上。干涉条纹是一组同心圆，如图4-26所示。干涉图样同一圆环上的不同点所对应的入射角i相同，也就是入射光线对平面镜的倾角相等，所以这样的干涉条纹叫等倾干涉条纹。当M1与相距为d，且光对平面镜的入射角为i时，干涉条纹中第k级亮条纹满足

由公式可见，当d为一定值时，ik越大，条纹级次k越小，即里面条纹级次高于外围条纹级次，中心条纹级次最高。

实验中，当d逐渐增大时，对于任一级次k级条纹，必须以减少cosik值来保证满足2dcosik =k，因此ik变大，说明条纹向外扩展，即中心条纹向外“涌出”。d每增加一个λ/2距离时，中心条纹（ik=0）向外“涌出”一个。相反，d每减小一个λ/2距离，条纹将向中心“陷入”一个。显然，如果有N个条纹从中心“涌出”或“陷入”时，则表明M1与的距离改变量Δd=Nλ/2。

当测出M1移动的距离为Δd，则数出“涌出”或“陷入”的条纹数目N就可以测出波长λ，即

图4-25　迈克尔逊干涉原理图

图4-26　等倾干涉条纹

【实验仪器】

He-Ne激光器、扩束镜、毛玻璃屏、迈克尔逊干涉仪。

【实验内容】

（1）把激光束调节到水平。

方法：打开激光电源，先不要放扩束镜，让激光照射到分束镜G1中心，并调节反射镜M2背面的两个螺钉，使由M2反射后的激光束照射到激光器的出射光孔中。

（2）在观察屏上可观察到由两个平面镜反射产生的两排光点，微调反射镜M1背面的3个螺钉，使两排光点中最亮的两个光点完全重合。

（3）将扩束镜放于激光前，调节扩束镜的高度和偏角，使光能照在分束镜G1上，看毛玻璃屏上有没有产生同心圆的干涉条纹图案。如果没有，则重复（2）、（3）步骤，直到毛玻璃屏上产生同心圆的干涉条纹图案。

（4）微调反射镜M1，将等倾干涉圆环的圆心调至毛玻璃屏中心。

（5）观察等倾干涉现象。转动测微螺旋（M2可移动），观察等倾干涉圆环的中心条纹“涌出”“陷入”现象。

（6）测量He-Ne激光器的波长。将测微螺旋调至15 mm处，记下当前位置的读数d0，沿同一方向转动测微螺旋，同时默数从圆环中心“涌出”或“陷入”的条纹，每数50个圆环记录一次数据，共记录12次数据，即d0、d1、…、d11。

【注意事项】

（1）不能用眼睛直视激光束，以免伤害眼睛。

（2）实验过程中，不允许触摸仪器中所有光学面。

（3）测量过程中，鼓轮只能缓慢沿一个方向旋转，不得倒转；否则将引起空程差，增大测量误差，并且一定要待条纹的变化稳定后才能开始测量。

（4）传动机构相当精密，使用时要轻缓小心，在实验过程中，保持安静，动作要轻，不可有大、重动作，不能随意走动和对着实验台大声说话；否则，会引起震动，影响实验。调好光路后，应静止1 min，让实验台静止下来。

（5）对平面反光镜M1、M2背后的螺钉要十分爱护，只能轻微旋动，不得用力过大。

【数据处理】

将测量数据记入表4-17中。

表4-17　数据记录表

注：测微螺旋的移动精度为0.000 4，Δd是通过测微螺旋测出来的，所以公式λ=(2Δd/N)的右方还需要乘以比例系数0.04。

【思考题】

（1）迈克尔逊干涉仪观察到的圆条纹与牛顿环的圆条纹有何本质不同？

（2）为什么由平面镜M1反射回来的亮点不是一个而是几个？