迈克尔逊干涉仪的使用实验报告

学生物理实验报告

实验名称迈克尔逊干涉仪的使用

学院专业班级报告人学号

同组人学号

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理论课任课教师

实验课指导教师

实验日期

报告日期

实验成绩

批改日期

实验目的

（1）了解迈克尔逊干涉仪的原理并掌握其调节方法

（2）观察等倾干涉、等候干涉的条纹，并能区别定域干涉和非定域干涉（3）测定 He-Ne激光的波长

（4）观察白光干涉条纹和测定钠光波长及相干长度

实验仪器

迈克尔逊干涉仪、He-Ne激光器。

实验原理

1．迈克尔逊干涉仪

图 1 是迈克尔逊干涉仪实物图。图 2 是迈克尔逊干涉仪的光路示意图，图中M１和 M２是在相互垂直的两臂上放置的两个平面反射镜，其中M１是固定的； M２由精密丝杆控制，可沿臂轴前、后移动，移动的距离由刻度转盘 ( 由粗读和细读 2 组刻度盘组合而成 ) 读出。在两臂轴线相交处，有一与两

轴成 45°角的平行平面玻璃板 G１，它的第二个平面上镀有半透（半反射）的银膜，以便将入

射光分成振幅接近相等的反射光⑴和透射光⑵，故G１又称为

分光板。 G２也是平行平面玻璃板，与G１平行放置，厚度和折

射率均与G１相同。由于它补偿了光线⑴和⑵因穿越G１次数不

同而产生的光程差，故称为补偿板。

从扩展光源S 射来的光在G１处分成两部分，反射光⑴经G

１反射后向着M２前进，透射光⑵透过G１向着 M１前进，这两束

光分别在M２、 M１上反射后逆着各自的入射方向返回，最后都

达到 E 处。因为这两束光是相干光，因而在E处的观察者就能

够看到干涉条纹。

由M１反射回来的光波在分光板 G１的第二面上反射时，如同

平面镜反射一样，使 M１在 M２附近形成 M１的虚像 M１′，因而

光在迈克尔逊干涉仪中自 M２和 M１的反射相当于自 M２和 M１′的反射。由此可见，在迈克尔逊干涉仪

中所产生的干涉与空气薄膜所产生的干涉是等效的。

当 M２和 M１′平行时 ( 此时 M１和 M２严格互相垂直) ，将观察到环形的等倾干涉条纹。一般情况

下， M１和 M２形成一空气劈尖，因此将观察到近似平行的干涉条纹( 等厚干涉条纹 ) 。

2．单色光波长的测定

用波长为λ的单色光照明时，迈克尔逊干涉仪所产生的环形等倾干涉圆条纹的位置取决于

相

干光束间的光程差，而由M２和 M１反射的两列相干光波的光程差为

＝ 2dcos

i

k 条纹，则有(1)

其中 i 为反射光⑴在平面镜 M 上的入射角。对于第

２

2dcos i ｋ＝k λ(2)当 M２和 M１′的间距 d 逐渐增大时，对任一级干涉条纹，例如k 级，必定是以减少cosi ｋ的值来满足式 (2) 的，故该干涉条纹间距向i ｋ变大 (cos i ｋ值变小 ) 的方向移动，即向外扩展。这时，观

察者将看到条纹好像从中心向外“涌出”，且每当间距 d 增加λ /2 时，就有一个条纹涌出。反之，当间距由大逐渐变小时，最靠近中心的条纹将一个一个地“陷入”中心，且每陷入一个条纹，间

距的改变亦为λ /2 。

M 相对于 M 移近了因此，当 M2镜移动时，若有 N 个条纹陷入中心，则表明

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d＝ N

(3)

反之，若有N个条纹从中心涌出来时，则表明M２相对于 M１移远了同样的距离。

如果精确地测出M２移动的距离d，则可由式 (3) 计算出入射光波的波长。

3．测量钠光的双线波长差Δλ

钠光 2 条强谱线的波长分别为λ１＝ 589.0 nm 和λ２＝ 589.6 nm ，移动 M２，当光程差满足两列

光波⑴和⑵的光程差恰为λ １的整数倍，而同时又为λ ２的半整数倍，即

k１λ１＝ (k ２＋) λ２

这时λ １光波生成亮环的地方，恰好是λ２光波生成暗环的地方。如果两列光波的强度相等，则在

此处干涉条纹的视见度应为零( 即条纹消失 ) 。那么干涉场中相邻的 2 次视见度为零时，光程差的

变化应为

L＝ kλ１＝ (k ＋ 1) λ２(k 为一较大整数 )

由此得

λ １－λ ２＝＝

于是

Δλ =λ１－λ２＝＝

式中λ为λ １、λ ２的平均波长。

对于视场中心来说，设 M２镜在相继 2 次视见度为零时移动距离为 d，则光程差的变化 L 应等于 2 d，所以

Δλ＝(4)对钠光＝ 589.3nm，如果测出在相继 2 次视见度最小时，M２镜移动的距离 d , 就可以由式(4)求得钠光 D双线的波长差。

4.点光源的非定域干涉现象

激光器发出的光，经凸透镜L 后会聚 S 点。 S 点可看做一点光源，经G (G未画 ) 、 M、M′

的反射，也等效于沿轴向分布的 2 个虚光源S１′、 S２′所产生的干涉。因S１′、 S２′发出的球面波在相遇空间处处相干，所以观察屏 E 放在不同位置上，则可看到不同形状的干涉条纹，故称为

非定域干涉。当 E 垂直于轴线时 ( 见图 3) ，调整 M１和 M２的方位也可观察到等倾、等厚干涉条纹，其

干涉条纹的形成和特点与用钠光照明情况相同，此处不再赘述。

实验步骤

1．观察扩展光源的等倾干涉条纹并测波长

①点燃钠光灯，使之与分光板G１等高并且位于沿分光板和M１镜的中心线上，转动粗调手轮，

使 M１镜距分光板 G１的中心与 M１镜距分光板 G１的中心大致相等 ( 拖板上的标志线在主尺 32 cm 位置 ) 。

②在光源与分光板G１之间插入针孔板，用眼睛透过G１直视 M２镜，可看到 2 组针孔像。细心调节 M１镜后面的 3个调节螺钉，使2组针孔像重合，如果难以重合，可略微调节一下M２镜后的 3个螺钉。当 2 组针孔像完全重合时，就可去掉针孔板，换上毛玻璃，将看到有明暗相间的干涉圆

环，若干涉环模糊，可轻轻转动粗调手轮，使M２镜移动一下位置，干涉环就会出现。

③再仔细调节 M１镜的 2 个拉簧螺丝，直到把干涉环中心调到视场中央，并且使干涉环中心随

观察者的眼睛左右、上下移动而移动，但干涉环不发生“涌出”或“陷入”现象，这时观察到的干

涉条纹才是严格的等倾干涉。

④测钠光 D双线的平均波长。先调仪器零点，方法是：将微调手轮沿某一方向( 如顺时针方

向 ) 旋至零，同时注意观察读数窗刻度轮旋转方向；保持刻度轮旋向不变，转动粗调手轮，让读数

窗口基准线对准某一刻度，使读数窗中的刻度轮与微调手轮的刻度轮相互配合。

⑤始终沿原调零方向，细心转动微调手轮，观察并记录每“涌出”或“陷入”50 个干涉环时，M 镜位置，连续记录 6 次。

１

⑥根据式 (5-8)，用逐差法求出钠光 D双线的平均波长，并与标准值进行比较。

2．观察等厚干涉和白光干涉条纹

①在等倾干涉基础上，移动M２镜，使干涉环由细密变粗疏，直到整个视场条纹变成等轴双曲

线形状时，说明 M２与 M１′接近重合。细心调节水平式垂直拉簧螺丝，使M２与 M１′有一很小夹角，

视场中便出现等厚干涉条纹，观察和记录条纹的形状、特点。

M 与 M ′达到“零程”

②用白炽灯照明毛玻璃 ( 钠光灯不熄灭 ) ，细心缓慢地旋转微动手轮，

２１

时，在 M２与 M１′的交线附近就会出现彩色条纹。此时可挡住钠光，再极小心地旋转微调手轮找到

中央条纹，记录观察到的条纹形状和颜色分布。

3．测定钠光 D 双线的波长差

①以钠光为光源调出等倾干涉条纹。

②移动 M２镜，使视场中心的视见度最小，记录M２镜的位置；沿原方向继续移动M２镜，使视场中心的视见度由最小到最大直至又为最小，再记录M 镜位置，连续测出 6 个视见度最小时 M 镜位

２２

置。

③用逐差法求 d 的平均值，计算 D 双线的波长差。

4．点光源非定域干涉现象观察

方法步骤自拟。

迈克尔逊干涉仪系精密光学仪器，使用时应注意防尘、防震；不能触摸光学元件光学表面；不要

对着仪器说话、咳嗽等；测量时动作要轻、要缓，尽量使身体部位离开实验台面，以防震动。

实验数据与结果波长

(1)记录的位置并用逐差法计算移动的距离、He-Ne激光的λ“冒进”或的位置读数 d（cm）移动的距离（cm）λ/“缩进”的

条纹数

==0.08680

50=31.17115

50=31.19113==0.08271

==0.08140

50=31.20891

50=31.22575==0.089390.006588

==0.08054

50=31.24211

50=31.25795=0.08235

50=31.27384

50=31.29031

50=31.30605

50=31.32265

(2)讲结果与公认值（ 632.8nm）比较，计算相对误差

x100%=4.1%

实验结果分析

1．在实际测量中，出现了一下情况：随测量次数的增多，圆心位置发生

了变化，这种现象是与理论相悖的，原因是由于M1与 M ’未达到完全平行或调整仪器时未调整好，而且圆心偏移速度越快越说明M1与 M’

平行度越差

2．在测量完第一组数据后，反向旋转时会在旋转相当多圈后才会出现中

心圆环的由吞吐变吐，这个转变不是立即就完成的，这是因为仪器右侧的旋钮为微调旋钮，使用它对干涉仪的性质改变影响较小，故有吞变吐需要旋转相当一段时间，此时应旋转中部大旋钮，再使用微调，但不要忘记刻

度盘调零。

3．两组数据所测得的结果相差较大，这可能是由于测量过程的误差或操

作失误所引起的，应尽量避免。

4．实验中还观察到许多现象，如M1上出现很多光斑，其中有亮有暗，同心圆的粗细和疏密变化等等。但由于理论知识的缺乏，我们尚无法给出上述问题的完美解释，需要我们进一步的学习与探索。

一进行分析讨论。从数据表格可以看到，在误差允许范围内，测量波长与

理论波长一致，验证了这种测试方法的可行性。

误差分析

①实验中空程没能完全消除；

②实验对每一百条条纹的开始计数点和计数结束点的判定存在

误差；③实验中读数时存在随机误差；④实验器材受环境中的振动等因素

的干扰产生偏差。

3)

实验结果：

经分析，当顺时针转动旋钮时，“吐”出圆环，此时测得一波长，当逆时针转动旋钮时，“吞”出圆环，此时亦测得一波长。将二者取平均值得测得光的波长：

P=0.95

一个迈克尔逊实验，不但让我领悟到迈克尔逊设计干涉仪的巧妙和智慧，也更让我知道了做实验要有耐心和恒心，哪怕实验再麻烦，也必须坚持不懈，注重细节，这样才能真正地把实验做

2.1 、为什么白光干涉不易观察到？

答：两光束能产生干涉现象除满足同频、同向、相位差恒定三个条件外，其光程差还必须小于其相干长度。而白光的相干长度只有微米量级，所以只能在零光程附近才能观察到白光干涉。

2.3 、讨论干涉条纹吐出或吞入时的光程差变化情况。

答：吞入时，光程差变小。而吐出时，光程差则变大。

2.9 、试总结迈克尔逊尔涉仪的调整要点及规律．

答：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。

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