大学物理《迈克尔逊专题》—迈克尔逊干涉
仪实验报告
《迈克尔逊专题》实验报告
前几周我做了迈克尔逊专题实验，对迈克尔逊干涉仪有了更加深刻的认识。

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，若观察到干涉条纹移动一条，便是M2的动臂移动量为λ/2，等效于M1与M2之间的空气膜厚度改变λ/2。

在近代物理和近代计量技术中，如在光谱线精细结构的研究和用光波标定标准米尺等实验中都有着重要的应用。

利用该仪器的原理，研制出多种专用干涉仪。

迈克耳逊干涉仪是这个专题实验最主要的试验仪器，此专题包括：1、迈克耳逊干涉仪在钠光灯照射下测量钠双线波长差; 2、白光干涉测量平板玻璃折射率；3、由迈克耳逊干涉仪改装成的法布里——玻罗干涉仪测钠双线波长差。

这三个实验都与波的干涉有关，都是利用干涉原理进行试验的。

迈克尔逊干涉仪的工作原理是干涉条纹是等光程差点的轨迹，因此，要分析某种干涉产生的图样，必求出相干光的光程差位置分布的函数。

若干涉条纹发生移动，一定是场点对应的光程差发生了变化，引起光程差变化的原因，可能是光线长度L发生变化，或是光路中某段介质的折射率n发生了变化，或是薄膜的厚度e发生了变化。

另外钠光灯辐射产生的两条强谱线的波长是不一样的，分别为589.6nm和
589.0nm，波长差与中心波长相比甚小。

如果用这种光源照明迈克尔逊干涉仪，所获得的圆形等倾条纹实际上是两种波长分别形成的两套干涉条纹的叠加。

当全反镜M1、M2之间的距离d为某一值时，会恰好出现波1的k1级明条纹恰好与波2的k2级暗条纹重合，这时条纹最模糊，对比度小，为零。

当动镜M1继续移动时，两个条纹会错开，会出现清晰的圆形等倾条纹。

这就是钠光灯产生的干涉现象。

现在根据上述原理对以下实验进行介绍。

一、测量钠光双线的波长差
实验方法：借用激光来调试迈克尔逊干涉仪，当在毛玻璃上看到有圆形等倾条纹出现时，再慢慢调使出现在毛玻璃上的圆形等倾条纹只有2~4条，然后换上钠光灯，去掉毛玻璃，这时再慢慢移动动镜M1，不久就能看到圆形等倾条纹，这就是钠光灯产生的干涉现象。

记录数据：1、此时记下当前动镜M1的位置，然后转动微调旋钮，使动镜M1缓慢移动，数到条纹“涌出”或“陷入”100个时，停止转动，并记下此时的动镜M1的位置d2，连续重复测量6次。

2、以钠光灯为光源调出圆形等倾条纹，移动M1镜，观察条纹由清晰变成模糊又变清晰时，记下此时M1的位置，然后按原来方向继续转动M1镜，当再次出现模糊或清晰时，记下M1的位置，连续6次。

3、根据λ=2N•△d 就可以算出钠光灯的平均波长。

再由（λ1- λ2）•2△d= λ•λ就可以算出波长差。

二、白光干涉测量平板玻璃的折射率
实验方法：借用激光来调试迈克尔逊干涉仪，当在毛玻璃上看到有圆形等倾条纹出现时，再慢慢调使出现在毛玻璃上的圆形等倾条纹只有2~4条，然后调试M2右边的微调拉环，使圆形等倾条纹慢慢的变直，在还没变直之前，换上钠光灯，然后调节M1的微调旋钮，改变他的位置，当M1、M2到半透膜分光板距离相等时就会产生干涉条纹。

然后在M1的前面放置一块平板玻璃，然后再次调节M1的位置，当M1、M2到半透膜分光板距离相等时又会产生干涉条纹。

记录数据：1、记下未放玻璃前出现干涉条纹时M1的位置d1和放了玻璃后M1的位
置d2。

2、根据n=（1+△d）/ l算出玻璃的折射率。

三、法布里—珀罗干涉仪测钠双线波长差
实验方法：转动手轮使P1与P2之间有2mm的距离，点亮钠光灯，调节光窗位置使之位于P1正前方，调节螺丝使P2上的十字完全重合，视场中就会有条纹出现，调节螺丝，使圆条纹中心在视场中央，左右移动眼睛，当观察圆条纹大小不变时，表明P1 P2表面已经平行。

装上望远镜，视场中就会出现等倾干涉圆条纹。

记录数据：1、旋转微调手轮，使d增大，观察两套条纹错开与重叠，并记录6次错开或重叠时所移动的距离。

2、根据（λ1- λ2）·2△d= λ·λ就可以算出波长差。

迈克尔逊专题实验的主要任务就是测量侧钠双线波长差和玻璃折射率。

在实验过程中，主要就是调节与观察。

调节就是对粗调与微调
手轮的调节来改变两反射镜的距离，调节反射镜背后的旋钮使两反射镜平行。

观察是指对玻璃片或是望远镜上所成的像的观察，主要是对随时可能出现的条纹的观察。

说起来似乎很简单，做起来的时候深刻体会到了自己的操作不足的缺点，虽然预习了课本，但做实验时问题还是很多，感到力不从心，很多地方明明知道应该怎么做，但是就是不能达到预期的结果，例如，调节使两玻璃片平行，这是很难完全做到的，这个实验最大的特点就是原理简单，操作步骤少却很难，实验要求精度很高，所以需要反复调节观察使其尽量平行，将误差尽可能减小。

再如观察等待条纹出现，观察似乎是再简单不过的事情了，可是长时间盯着亮光神经一下都不能松弛，由于条纹一闪即逝，所以必须慢慢调节仔细观察，一旦错过而没有观察到只能从头再来，在调出条纹后，我们回过头来再去看，如果不仔细，是细到几乎观察不到。

由此可见这个实验，极大地考验了我们敏锐的观察力与良好的耐性。

另外迈克耳逊制造的迈克耳逊干涉仪对光学和近代物理做出了巨大的贡献，用来测定微小的长度，折射率，光波波长等，也是现代光学仪器如傅立叶光谱仪等仪器的组成部分，在研究光谱线方面有着重要的作用。

我们做的这三个实验仅仅是迈克尔逊干涉仪最基本的应用。

迈克耳孙干涉仪的最著名应用即是它在迈克耳孙-莫雷实验中对以太风观测中所得到的零结果，这朵十九世纪末经典物理学天空中的乌云为狭义相对论的基本假设提供了实验依据。

除此之外，由于激光干涉仪能够非常精确地测量干涉中的光程差，在当今的引力波探测中迈克耳孙干涉仪以及其他种类的干涉仪都得到了相当广泛的应用。

激光干
涉引力波天文台（LIGO）等诸多地面激光干涉引力波探测器的基本原理就是通过迈克耳孙干涉仪来测量由引力波引起的激光的光程变化，而在计划中的激光干涉空间天线（LISA）中，应用迈克耳孙干涉仪原理的基本构想也已经被提出。

迈克耳孙干涉仪还被应用于寻找太阳系外行星的探测中，虽然在这种探测中马赫-曾特干涉仪的应用更加广泛。

迈克耳孙干涉仪还在延迟干涉仪，即光学差分相移键控解调器（Optical DPSK）的制造中有所应用，这种解调器可以在波分复用网络中将相位调制转换成振幅调制。

目前我们仅仅是初步掌握了迈克尔逊干涉仪的使用方法，今后我们要在不断地学习中更加深入的认识它，熟练的操作它，并用我们所学到的知识将它加以创新，使它应用到更深的知识领域中。