迈克尔逊干涉仪实验报告数据处理Word下载.docx
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因为分束板的加入,使其中一路光束比另一光束附加了一定的光程。
所以加入与分束板
厚度相同的补偿板来补偿这部分光程差。
2.5、如何设计一个实验,利用迈克尔逊干涉仪测玻璃的折射率?
以白光发生干涉现象时,确定零光程处。
测定在光路中加入玻璃与否,白光产生干涉时
M2镜移动的距离。
再根据所加入玻璃的厚度,计算出玻璃的折射率。
2.6、试根据迈克尔逊干涉仪的光路,说明各光学元件的作用,并简要叙述调出等倾干涉、
等厚干涉和白光干涉条纹的条件及程序.
分束板:
将光束分为两路光束。
补偿板:
补偿因分束板产生的光程差。
粗调螺丝:
调节
使其与M1镜大致垂直。
细调拉丝:
精密调节M2镜的方位,使使其与M1M2镜的方位,
镜严格垂直。
鼓轮:
调节M2镜的位置,使光学腔的厚度改变。
等倾干涉:
光学腔应严格平行。
等厚干涉:
此时光学腔为披肩状。
白光干涉:
零光程处
附近。
2.7、如何利用干涉条纹“吞”、“吐”现象,测定单色光的波长?
数一定量的“吞”或“吐”,再根据公式?
2?
N计算。
2.8、在根据干涉条纹视见度周期变化的规律测定钠双线波长差的方法中,你是如何理解视
见度的变化规律?
因为双波长产生明暗条纹的位置有一定的差异,当双波长的明条纹正好重合时,此时的
视见度最大。
而当一波长的明条纹与另一波长的暗条纹重合,此时的视见度最小。
所以视见度是周期变化的。
2.9、试总结迈克尔逊尔涉仪的调整要点及规律.
调整要点:
1、粗调时,尽量使两像点重合在一起,为后面的细调节省时间。
2、细调时,
朝吞吐减少的方向调,需耐心及细心。
3、鼓轮测量前须调零,且朝同一方向调节,以免产生空回误差。
4、做白光干涉实验,调粗调鼓轮,使干涉条件不断地在吞,此时即为向零光程位置调节。
2.10、在观测等倾干涉条纹,使M1与M2逐渐接近时,干涉条纹将越来越疏,试描述并说明
在零光程处所观察到的现象.
零光程处,两反射镜产生的光学腔重合。
此时相当于一个反射镜,不会产生干涉条纹。
观察到的现象应为一片明亮。
篇二:
“迈克尔逊干涉仪”实验报告
“迈克尔逊干涉仪”实验报告
【引言】
迈克尔逊干涉仪是美国物理学家迈克尔逊(A.A.Michelson)发明的。
1887年迈克尔逊和莫雷(Morley)否定了“以太”的存在,为爱因斯坦的狭义相对论提供了实验依据。
迈克尔逊用镉红光波长作为干涉仪光源来测量标准米尺的长度,建立了以光波长为基准的绝对长度标准,即1m=1553164.13个镉红线的波长。
在光谱学方面,迈克尔逊发现了氢光谱的精细结构以及水银和铊光谱的超精细结构,这一发现在现代原子理论中起了重大作用。
迈克尔逊还用该干涉仪测量出太阳系以外星球的大小。
因创造精密的光学仪器,和用以进行光谱学和度量学的研究,并精密测出光速,迈克尔逊于1907年获得了诺贝尔物理学奖。
【实验目的】
(1)了解迈克尔逊干涉仪的原理和调整方法。
(2)测量光波的波长和钠双线波长差。
【实验仪器】
迈克尔逊干涉仪、He-Ne激光器、钠光灯、扩束镜
【实验原理】
1.迈克尔逊干涉仪结构原理
图1是迈克尔逊干涉仪光路图,点光源S发出的光射在分光镜G1,G1右表面镀有半透半反射膜,使入射光分成强度相等的两束。
反射光和透射光分别垂直入射到全反射镜M1和M2,它们经反射后再回到G1的半透半反射膜处,再分别经过透射和反射后,来到观察区域E。
如到达E处的两束光满足相干条件,可发生干涉现象。
G2为补偿扳,它与G1为相同材料,有相同的厚度,且平行安装,目的是要使参加干
涉的两光束经过玻璃板的次数相等,波阵面不会发生横向平移。
M1为可动全反射镜,背部有三个粗调螺丝。
M2为固定全反射镜,背部有三个粗调螺丝,侧面和下面有两个微调螺丝。
2.可动全反镜移动及读数
可动全反镜在导轨上可由粗动手轮和微动手轮的转动而前后移动。
可动全反镜位置的读数为:
×
×
.□□△△△(mm)
(1)×
在mm刻度尺上读出。
(2)粗动手轮:
每转一圈可动全反镜移动1mm,读数窗口内刻度盘转动一圈共100个小格,每小格为0.01mm,□□由读数窗口内刻度盘读出。
(3)微动手轮:
每转一圈读数窗口内刻度盘转动一格,即可动全反镜移动0.01mm,微动手轮有100格,每格0.0001mm,还可估读下一位。
△△△由微动手轮上刻度读出。
注意螺距差的影响。
3.He-Ne激光器激光波长测试原理及方法
光程差为:
?
2dcos?
k?
(明纹)?
(2k?
1)?
2
(暗纹)当θ=0时的光程差δ最大,即圆心所对应的干涉级别最高。
转动手轮移动M1,当d增加时,相当于增大了和k相应的θ角(或圆锥角),可以看到圆
环一个个从中心“冒出”;
若d减小时,圆环逐渐缩小,最后“淹没”在中心处。
每“冒”出或“缩”进一个干涉环,相应的光程差改变了一个波长,也就是M1与M2’之间距离
变化了半个波长。
若将M1与M2
’之间距离改变了△d时,观察到N个干涉环变化,则
或
2?
d
N
由此可测单色光的波长。
4.钠双线波长差的测量原理和测量方法
从条纹最清晰到条纹消失由于M1移动所附加的光程差:
Lm?
k?
(k?
12)?
钠双线波长差:
2Lm
Lm是视场中的条纹连续出现两次反衬度最低时M1所移动的距离。
【实验内容】
1.测He-Ne激光的波长
(1)激光直接照射到分光板中部,调整调节螺丝使观察屏上的最大最亮的2个反射点严格重合。
(2)放入扩束镜,使光斑均匀地射到分光板上,调节拉簧螺丝,使屏上出现的圆环的圆心移动到观察屏中央。
(3)调节微调鼓轮向一个方向转动几圈,当看到观察屏上有条纹吞吐了,记录M1的初试位置d1。
(4)继续转动微调鼓轮,每吞吐50个条纹记录一次M1的位置,连续记录8组数据。
2.测钠光的双线波长差
(1)点亮钠光灯,使光源与分光板等高并且位于分光板和M2镜的中心连线的延长线上。
转动粗调手轮,使M1和M2至G1的距离大致相等。
(2)取下并轻轻放置好观察屏,直接用眼睛观察。
仔细调节M2后面或下方的调节螺丝,应能看到钠光的等倾条纹。
(3)转动粗调手轮,找到条纹变模糊位置,调好标尺零点。
用微调手轮继续缓缓移动M1,同时仔细观察至条纹反衬度最低时记下M1的位置。
随着光程差的不断变化,按顺序记录六次条纹反衬度最低时M1的位置读数。
相邻两次读数差等于Lm的值。
公=6328A,
E?
公?
公
6563-6328
100%=?
100%?
3.7%。
6328
2.测钠光的双线波长差
5893A,
Lm1?
Lm2?
Lm30.86860+0.87229+0.92157-3-36
m?
=?
10m=0.29580?
10m=2.9580?
10A
58932
5.87A。
6
2m2?
2.9580?
10
0?
5.97A,
-?
100%=
5.87-5.975.97
1.7%。
1、迈克尔逊干涉仪是精密仪器,在旋转调整螺丝和手轮时手要轻,动作要稳。
切勿用手触摸镜片。
2、调测微尺零点方法:
先将微调鼓轮沿某一方向(按读数的增或减)旋转至零线,然后以同方向转动粗调鼓轮对齐读数窗口中某一刻度,以后测量时使用微调鼓轮须向同一方向旋转。
3、微调鼓轮有方向空程,实验中如果中途反向转动,则须重新调整零点。
4、用激光束调节仪器时,应防止激光束射入眼睛,使视网膜受伤。
【预习思考题】
(1)说明迈克尔逊干涉仪各光学元件的作用,并简要叙述调出等倾干涉条纹的方法及注意事项。
在迈克尔逊干涉仪光路图中,分光板G1将光线分成反射与透射两束;
补偿板G2使两束光通过玻璃板的光程相等;
定镜M2和动镜M1分别反射透射光束和反射光束;
凸透镜将激光汇聚扩束。
/
要获得等倾干涉条纹花样,就必须使M1和M2(M2的虚像)相互平行,即M1和M2相互垂直。
另外还要有较强而均匀的入射光。
调节的主要程序是:
①用水准器调节迈氏仪水平;
目测调节激光管(本实验室采用激光光源)中心轴线,凸透镜中心及分束镜中心三者的连线大致垂直于定镜M2。
②开启激光电源,用纸片挡住M1,调节M2背面的三个螺钉,使反射光点中最亮的一点返
回发射孔;
再用同样的方法,使M1反射的最亮光点返回发射孔,此时M1和M2基本互相平行。
③微调M2的互相垂直的两个拉簧,改变M2的取向,直到出现圆形干涉条纹,此时可以认
为M1与M2已经平行了。
同方向旋动大、小鼓轮,就可以观察到非定域的等倾干涉环纹的“冒”或“缩”。
注意事项:
①迈克尔逊干涉仪是精密仪器,在旋转调整螺丝和手轮时手要轻,动作要稳。
②调测微尺零点方法:
③微调鼓轮有方向空程,实验中如果中途反向转动,则须重新调整零点。
④用激光束调节仪器时,应防止激光束射入眼睛,使视网膜受伤。
(2)如何利用干涉条纹的“冒出”和“缩进”现象,测定单色光的波长?
每“冒出”或“缩进”一个干涉环,相应的光程差改变了一个波长,也就是M与M’
12之间距离变化了半个波长。
若将M与M’之间距离改变了△d时,观察到N个干涉环变化,
12则
篇三:
迈克尔逊和法布里-珀罗干涉仪
摘要:
迈克尔逊干涉仪是一种精密光学仪器,在近代物理和近代计量技术中都有着重要的应用。
通过迈克尔逊干涉的实验,我们可以熟悉迈克尔逊干涉仪的结构并掌握其调整方法,了解电光源非定域干涉条纹的形成与特点和变化规律,并利用干涉条纹的变化测定光源的波长,测量空气折射率。
本实验报告简述了迈克尔逊干涉仪实验原理,阐述了具体实验过程与结果以及实验过程中的心得体会,并尝试对实验过程中遇到的一些问题进行解释。
关键词:
迈克尔逊干涉仪;
法布里-珀罗干涉仪;
干涉;
空气折射率;
一、引言
【实验背景】
迈克尔逊干涉仪是1883年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作,为研究“以太”漂移而设计制造出来的精密光学仪器。
它是利用分振幅法产生双光束以实现干涉。
通过调整该干涉仪,可以产生等厚干涉条纹,也可以产生等倾干涉条纹,主要用于长度和折射率的测量。
法布里-珀罗干涉仪是珀罗于1897年所发明的一种能现多光束干涉的仪器,是长度计量和研究光谱超精细结构的有效工具;
它还是激光共振腔的基本构型,其理论也是研究干涉光片的基础,在光学中一直起着
重要的作用。
在光谱学中,应用精确的迈克尔逊干涉仪或法布里-珀罗干涉仪,可以准确而详细地测定谱线的波长及其精细结构。
【实验目的】
1.掌握迈克尔逊干涉仪和法布里-珀罗干涉仪的工作原理和调节方法;
2.了解各类型干涉条纹的形成条件、条纹特点和变化规律;
3.测量空气的折射率。
【实验原理】
(一)迈克尔逊干涉仪
M1、M2是一对平面反射镜,G1、G2是厚度和折射率都完全相同的一对平行玻璃板,G1
称为分光板,在其表面A镀有半反射半透射膜,G2称为补偿片,与G1平行。
当光照到G1上时,在半透膜上分成两束光,透射光1射到M1,经M1反射后,透过G
2,
在G1的半透膜上反射到达E;
反射光2射到M2,经M2反射后,透过G1射向E。
两束光在
。
玻璃中的光程相等。
当观察者从E处向G1看去时,除直接看到M2外还可以看到M1的像M1?
反射来的,?
~M2于是1、2两束光如同从M2与M1因此迈克尔逊干涉仪中所产生的干涉和M1
间形成的空气薄膜的干涉等效。
(二)干涉条纹1.等倾干涉
与M2严格平行。
对于入射角为?
的光线,M1?
与M2反射光的调节M1和M2,使M1
2d
2dtan?
sin?
cos?
d为M1?
和M2的间距。
由上式,可以得到产生明暗条纹的条件
k?
arccos,?
2d?
arccos(2k?
?
4d?
其中k?
0,1,2?
,为整数。
明条纹
暗条纹
d变化过程中缩进或冒出的条纹数可以定量表示为:
其中?
N为缩进或冒出的条纹数,?
d为距离d的改变量。
2.等厚干涉
与M2有一定的交角时,?
与M2交当M1两镜所在的平面之间会有一个交线。
考虑与M1
线距离为a处以?
角入射的光束,该光束经过两镜片反射产生的光程差为
2atan?
cos?
atan?
2
若a、?
与?
都很小,以致atan?
时,光程公式可以近似为?
,此时将产生等厚干涉条纹。
(三)利用干涉条纹测量空气折射率
用激光器做光源,将内壁长为l的小气室置于迈克尔逊干涉仪光路中,固定在反射镜
M1前。
调节干涉仪,获得适量等倾干涉条纹之后,向气室里充气,再稍微松开阀门,以较
低的速率放气的同时,计数干涉环的变化数?
m,以及相应的气压变化值?
P,可得气压为
P时的空气折射率为
n?
1?
本实验是在光学面包板上完成的。
m
2L?
P
P
主要部件包括分光板、两个反射镜M1、M2。
其中M1为动镜,装在一个位移台上,两个聚焦透镜,一个用作扩束镜,一个用于放大激光的干涉条纹以便于观察。
光源包括半导体激光器(波长635nm)与钠光灯两种。
在装有动镜的位移台上,还固定有两块一面镀膜的玻璃板,这是用作法布里-珀罗干涉仪的主要部件。
分光板、聚焦透镜等可以通过支持棒和底座安装光学面包板上,也可以通过叉式压板固定在光学面包板上。
激光形成的干涉条纹可以通过接收屏观测。
另备有气室及气压计,用于测定空气折射率。
二、实验过程
【实验内容】1.干涉条纹的观察
使用氦氖激光器作为光源,按要求安装仪器。
将分光板、固定镜、动镜以及接收屏安装在光学面包板上,可先不安装聚焦透镜。
注意安装时初步估算光程,使两束光的光程大致相等,调节各镜片等高共轴。
各部分安装好后,通过各个镜片的小螺丝进行微调,要求激光发出的光束与动镜垂直,与分光板成45°
角,经过分光板反射的光与固定镜垂直。
安置好仪器,调节后角度后两束光在屏上的光点应该重合,这时,在激光器前面加上聚焦透镜即可在屏上看到干涉条纹。
仔细调节平面镜,逐步把干涉环的圆心调到视场中央,即可获得等倾干涉条纹图样。
转动测微螺旋改变两个平面镜之间的位置,观察并记录条纹的变化情况。
转动测微螺旋,使动镜向条纹逐一消失与环心的方向移动,直到视场内条纹极少时,仔细调节平面镜,使其少许倾斜,转动测微螺旋,是弯曲条纹向圆心方向移动,可见陆续出现一些直条纹,即等厚干涉条纹。
转动测微螺旋改变两个平面镜之间的相对位置,观察并记录条纹的变化情况。
2.测量激光的波长
取等倾干涉条纹的清晰位置,记下测微螺旋读数d0,沿此前方向转动测微螺旋,同时默数冒出或消失的条纹,每50环记一次读数,直测到第250环为止,用逐差法计算出Δd。
由下式计算激光的波长,并与理论值比较:
N
注意:
测微螺旋每转动0.01mm,动镜随之移动0.001mm。
即d应为测微螺旋移动距离乘以0.1。
3.测量空气折射率
测量时,利用打气球向气室内打气,读出气压表指示值P1,然后再缓慢放气,相应地看到有条纹缩进或冒出。
当缩进或冒出?
m?
15个条纹肘,记录气压表读数P2值。
然后重复前面的步骤,共取6组数据。
求出对应的气室内压强变化值的平均值?
P?
P1?
P。
2
实验中使用的为表压式气压计,即测量的是与大气压之差。
大气压可取1.0133×
105Pa。
实验用的气室长度为10.0cm。
注意,使用完毕后,请松开充气阀门,气室内长时间存放高压气体会损坏压力表。
【实验方法和技术】注意事项:
1.测微螺旋每转动0.01mm,动镜随之移动0.001mm。
2.气室使用完毕后,请松开充气阀门,气室内长时间存放高压气体会损坏压力表。
【实验结果的分析和结论】
1.利用迈克尔逊干涉仪测量的数据,计算氦氖激光器的波长,并与理论值比较,计算相对误差。
表格1迈克尔逊干涉仪测量激光器波长数据表
利用逐差法:
l?
16.280?
16.130?
15.970?
15.805?
15.650?
15.480
0.1606mm
32
测微螺旋每转动0.01mm,动镜随之移动0.001mm。
l
0.01606mm10
N为缩进或冒出的条纹数,本次实验每50环记一次读数。
N=50
642.4nm?
本次实验采用半导体激光器,理论波长为635nm。
相对误差?
原因分析:
1)干涉是否为严格的等倾干涉影响实验数据精确度。
严格的等倾干涉要求移动反射镜镜面M1和虚反射镜镜面M2严格平行。
当两镜不平行
642.4?
635
635
100%?
1.17%
的时候,形成的干涉条纹就不是等倾干涉,而是等厚干涉,而且不是同心圆环。
当不是等倾干涉条纹的时候,就会对波长的计算产生误差。
2)读数误差。
肉眼判断缩进或冒出的条纹,数条纹数时,读测微螺旋示数时会产生随机误差。
2.计算在标准大气压下空气的折射率,并与理论值比较,计算相对误差。
15,P?
1.0133?
105Pa,L?
10.0cm,?
P2?
18.3kPa经计算得n?
P?
1.000264
经查得,空气折射率理论值n?
1.000278相对误差?
误差分析:
人为因素包括测量误差,测量小气室内的压强值,读数时等稳定后再读数。
环境因素包括压强、温度、湿度等。
气体的折射率跟压强的大小有关,气体的折射率会随着压强的变化而变化。
同时,气体的折射率还与温度有关。
【实验遇到的问题及解决的方法】1.仪器安装完毕,但没有干涉现象。
有多种可能的情况。
1)两个光点重合,但没有干涉现象。
两束光的没有达到等光程的要求,可能是由于激光在传播过程中不在同一水平面上,可以通过反复调节光阑来调节。
调节光阑的位置,在近距离的位置调节光阑使光线通过恰好通过光阑,观察光线是否还是恰好通过光孔。
2)未加聚焦透镜前两光点重合,加聚焦透镜后重合点消失。
可能因为光线未通过透镜的中心而发生折射造成光路偏折。
3)两个镜面并没有完全垂直。
在安装仪器的过程中,每个仪器应尽量保证光路通过仪器的中心,令光点的重合。
2.当用非单色光(比如白光)作为迈克尔逊干涉仪的光源时,为什么就必须加补偿片?
非单色光不同色光的折射率不同、波长不同,通过调节M1、M2的位置不能达到等光程
1.000278
0.0014%
1.000278