精密干涉仪设计与组装引言根据麦克斯韦的电磁理论，光是一种电磁波，具有干涉、衍射和偏振等特性。

行进的光波是电磁扰动在空间的传播，当空间的两束光波在某一区域相遇时,它们相互叠加，当满足相干条件时，可以观察到光的干涉现象，一般情况下是不满足相干条件的。

产生光干涉的三个必要条件（也就是相干条件）是：频率相同；（2）存在相互平行的振动分量；（3）位相差恒定。

满足这些条件的光波称为相干光，产生相干光的光源称为相干光源。

两相干光源所发出的相干光波经过不同的光程在空间某点相遇而干涉，若它们的初位相相同，则它们在相遇点的位相差ϕ∆与光程δ之间满足关系πϕλδ2//∆=，干涉极大为,....1,0,2=±=∆k k πϕ；干涉极小条件为,....1,0,)12(=+±=∆k k πϕ。

托马斯﹒杨是第一个观察到光的干涉现象的人，他的实验设计是这样的：用单色强光源照射狭缝S ，S 作为线光源再照射另外两个平行小狭缝S 1和S 2。

S 与S 1、S 2的距离相等，由于S 1和S 2处在同一波阵面上的不同部分，它们作为子波源是相干的，S 1和S 2视为线光源，它们发出的光波由于衍射而相互交迭，在远处的屏P 上可以观察到一组近乎平行的明暗相间的干涉条纹。

托马斯﹒杨的装置可当作一个简单的干涉仪使用。

如果两个狭缝S 1和S 2之间的间隔是已知的，极大值和极小值的间隔可用来测定波长。

相反的，如果光的波长是已知的, 狭缝的间隔可以从干涉图样来确定。

实验目的1、 了解三种干涉仪的工作原理；2、 学习组装调试干涉仪；3、 测量激光光源的波长、空气的折射率和玻璃的折射率。

干涉仪原理1881年，也就是托马斯﹒杨公开了他的双缝实验78年之后，迈克尔逊利用相同的原理设计了一种干涉仪，他的设计原本是为了用来证实以太（一种光从中传播的假想的媒质）是否存在的。

但他的设计却远远超越了这个意义，后来人们以迈克尔逊的干涉仪为原型，又设计出了用于各种目的的干涉仪。

现在，迈克尔逊干涉仪已得到广泛地应用，通过测量可动镜的移动距离可以来求得光的波长；若已知光源的波长又可测量微小的距离；它也是光学媒质性质的研究工具。

图3. 泰曼干涉仪图1 是一台迈克尔逊干涉仪的原理图。

激光器发出的光束射到分光镜上，其中50%的光被反射，其余50%的光透射过去，入射光被分成了两束；一束光射向可移动的镜子(M 1)，另一束光射向固定的镜子(M 2)。

两面镜子的反射光再返回分光镜。

来自 M 1 的一半光线被分光镜反射到观察屏（Viewing Screen ）上，来自 M2 的一半光经过分光镜透射到观察屏上。

光线先被分裂，最后光线又会聚到一起，既然光线来自相同的光源，所以他们的位相具有高度地相关性。

若把一个凸透镜放在激光源和分光镜之间，使光线扩束，就会在观察屏上看到黑白相间的干涉图样(图2)。

由于光线在一开始就被分裂，所以它们起始的位相相同。

当他们在观察屏上的某一点相遇时，它们的位相关系就取决于它们各自的光程差。

通过移动 M 1，其中一束光线的光程将会发生变化。

由于光线在 M 1 和分光镜之间来回两次, M 1向分光镜移动 1/4 波长时将会减少 l/2 波长的光程，干涉图样就会发生改变，黑白相间的图样就会互相交换位置，如果M 1再向分光镜移动1/4波长，那么新的干涉图样和最先的干涉图样将没有什么分别。

慢慢地将镜子移动一段距离d ，并计算黑白条纹变化的次数N ，即干涉条纹恢复到原始状态的次数，光的波长λ就可以通过如下公式计算出来。

λ＝2d/N如果光的波长是已知的, 可用相同的方法来测量 d （=N λ/2）。

注意: 在图l 中，其中有一束光线只有一次通过分光镜，而另一束光线却通过了三次。

如果使用一个高度一致的单色光源，如激光源，产生干涉是没有什么问题的。

如果使用其他光源则会发生问题。

这是因为其中一束光线在分光镜内的有效光程增加了，这样就减小了观察屏上光线的一致性。

这将会使干涉图样变暗或者看不到干涉图样。

一种解决的方法就是插入一块与分光镜同样材料同样厚度的补偿镜, 且与分光镜平行放置，但没有反射膜。

泰曼－格林干涉仪原理（简介）泰曼——格林干涉仪只是对迈克尔逊干涉仪作了一点小的改变，它常被用于检测光学元件的质量。

检测时把透镜放在一条光路中(见图 3)，因为仅有一路光束通过透镜，所以透镜中任何的不规则都能在产生的干涉图样中清楚地显现出来。

如球面像差，彗形象差和散光等都将会出现特图1. 迈克尔逊干涉仪 图2. 干涉图样殊的干涉图样，从而被检测出来。

法布里－泊罗干涉仪原理（简介）在法布里——泊罗干涉仪中，是将两面镜子相互平行放置形成一个反射腔。

图4表示了光如何在腔中来回反射的情形。

每次反射，就有一部分光线被透射，将入射的光线分裂成一系列的透射光线。

由于透过的光线来自于同一个光源，他们的相位有着固定的关系。

(假定光的单色性很好.)透射光线的相位关系依赖于每一条光线进入反射腔的角度和两面镜子之间的距离。

干涉图样是环状的条纹，类似迈克尔逊干涉仪产生的干涉图样。

但是，这是在更大空间范围内产生的更细小，也更为明亮的环状条纹。

法布里-泊罗干涉仪的干涉条纹非常的锐利，因而其分辨率也就很高。

正因为如此，这种干涉仪就成了一种很有价值的精密测量工具。

与迈克尔逊干涉仪一样，当可移动的镜子远离或者移向固定的镜子时，干涉条纹会发生交替变化。

当镜子移动的距离等于光源波长的 l/2 的时候，新的干涉图样和最初的干涉图样相同。

实验仪器OS-9255A 精密干涉仪包括下列仪器:内含测微计(千分尺)的 5 公斤重平台（5 kg Base with built in micrometer） 可调节的镜子（Adjustable Mirror） 可移动的镜子（Movable Mirror） 分光镜（Beam Splitter） 补偿板(Compensator Plate)组合底座(2个) （Component Holder） 观察屏（Viewing Screen） 漫射镜（Diffuser）固定储件箱（Fitted Storage Case） 激光器 (OS-9171) （Laser）激光器座 (OS-9172) （Laser Bench） 真空室（Vacuum Cell）焦距为18mm 的透镜（Lens， 18mm Focal Length） 焦距为48mm 的透镜（Lens， 48mm Focal Length） 玻璃板（Glass Plate） 偏振片(2个) （Polarize）带有量规的真空泵（Vacuum Pump with Gauge） 精密干涉仪与激光器的水平调试1. 将干涉仪平台放在桌子中央，让微调手柄（Micrometer knob ）向着自己。

2. 将激光器座（Laser Bench ）放在平台的左边, 并把激光器放在激光器座上。

图4.法布里-珀罗干涉仪3. 在干涉仪平台的凹处固定可移动的镜子（Movable Mirror ）。

4. 把激光器打开。

通过激光器座上的水平调整旋钮，校准它的高度，使光线与干涉仪平台平行，并且通过可移动镜子（Movable Mirror ）的中心。

( 检查光线是否平行于平台的方法是, 将一张纸放在光路上，使它的边缘与干涉仪平台平齐，做一个标记指示出光线的高度。

然后把这张纸分别放在平台的两端，检测光线是否与平台平行。

)5.调整激光器和可移动的镜子（Movable Mirror ）的位置，直到光线被反射回激光发射孔内。

这样很容易就判断出可移动镜子是否垂直于激光，如图 5 所示。

实验内容1 测量激光的波长通常，干涉仪有两种用途。

如果准确知道光源的特征（波长，偏振，强度），就可以从干涉图样的变化分析出光路的变化。

如果在光路上引入精确的光程改变量，也可以从干涉图样的信息中了解光源的特征。

在这个实验中，我们将使用干涉仪测量光源的波长。

实验步骤1.按照前面所说的方法调节激光器和干涉仪平台，使激光与平台表面近似平行，并且通过可移动的镜子的中央后，光线再反射回激光的发射孔。

2.在干涉平台上装上可调节的镜子（Adjustable Mirror ）。

在激光器前面装上一个组合底座（Component Holder ）在可调节的镜子的对面也装上一个组合底座并利用磁性将可视屏（Viewing Screen ）吸在上面。

如图6所示。

3.把分光镜（Beam splitter ）装在做好了标记的地方，与光线成45度角，这样光线被反射到固定的镜子上。

调节分光镜的角度直到反射光打到固定的镜子的中央。

4.现在可视屏上应该有两组亮点（Viewing Screen ），一组来自固定的镜子，另一组来自可移动的镜子。

每组亮点都包含一个很亮的点和几个暗一些的点（这是由于多次反射的结果）。

再次调节分光镜的角度使这两组亮点尽可能的接近，然后固定分光镜。

5.旋动可调节的镜子（Adjustable Mirror ）背后的螺钉，调节该镜子的倾斜度，直到两组亮点在可视屏（Viewing Screen ）上重合。

6.当使用一个激光源产生干涉时，补偿是不必要的。

当然，如果你想要使用补偿板，可以将它与分光镜垂直放置，如图6所示。

7.通过磁铁把焦距为18mm 的透镜吸在激光器前面的组合底座（Component Holder ）上，如图6所示，调节它的位置，直到激光正好图5.激光器的调整图6.迈克尔逊干涉仪的组装图通过它的中心。

现在你应该可以看到干涉圆环出现在可视屏（Viewing Screen）上。

如果没有，调整可调节的镜子的倾斜度，直到圆环出现为止。

8.调整微调手柄到一个中等读数（大约50微米，即主刻度为5的地方），在这个位置上，测微计的读数和镜子移动的距离接近线性关系。

9.逆时针转动微调旋钮，直到旋钮上的零刻度与读数标记在一起，记下这个读数d1。

10.调整可视屏的位置，使一条毫米刻度线恰好与干涉图样的一个圆环相切，这条线称为基准线，这样做主要是为了便于计数。

11.缓慢的逆时针旋动微调旋钮，记下干涉条纹越过基准线的次数，继续旋转，直到预定数目（至少20个）的干涉条纹越过基准线，当你停止计数时，干涉图样看起来应该和开始计数时完全一样，记下微调旋钮的读数d2。

12.记录可移动的镜子向着分光镜移动的距离d=|d2 - d1|。

测微旋钮上的每一小格相当于镜子移动了1微米。

即微调旋钮旋转一周，镜子移动了25微米。

13.记录干涉条纹越过基准线的次数N。

14.重复8－13步几次，记录每一次的结果，将所得的数据填入表中。

15.如果你有足够的时间，试着将仪器安装成法布里-泊罗干涉仪，重复8－13步，并记录数据于自己设计的表中。

数据处理对每一次测量，用公式λ=2d/N计算光的波长，然后计算多次测量结果的平均值。