用邁克爾遜干涉儀測激光波長

教學(xué)章節(jié)：? 實(shí)驗(yàn)29?? 用邁克爾遜干涉儀測激光波長
教學(xué)內(nèi)容：
1 講述“用邁克爾遜干涉儀測激光波長”實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理
2 介紹實(shí)驗(yàn)儀器的操作要領(lǐng)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理等
3 指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、測量并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
教學(xué)學(xué)時(shí)：3學(xué)時(shí)
教學(xué)目的：
1 使學(xué)生了解“用邁克爾遜干涉儀測激光波長”的實(shí)驗(yàn)原理
2 使學(xué)生掌握邁克耳遜干涉儀的調(diào)節(jié)和使用方法
3 使學(xué)生掌握本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量
4 使學(xué)生用逐差法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并根據(jù)不確定度知識(shí),計(jì)算波長結(jié)果
教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)：
1 單色光波長測量原理
2 邁克爾遜干涉儀的調(diào)節(jié)
3 逐差法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
教學(xué)方法、方式：講解、演示、教師指導(dǎo)下學(xué)生動(dòng)手操作
教學(xué)過程：（儀器介紹、講授原理、指導(dǎo)學(xué)生操作、作業(yè)布置等）
用邁克爾遜干涉儀設(shè)計(jì)測透明薄膜厚度和空氣折射率
一 儀器介紹
二 實(shí)驗(yàn)原理
1 邁克爾遜干涉儀的介紹和光路分析
邁克耳遜干涉儀是根據(jù)分振幅干涉原理制成的精密實(shí)驗(yàn)儀器，主要由四個(gè)高品質(zhì)的光學(xué)鏡片和一套精密的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)裝在底座上組成，其實(shí)物和光路圖分別如圖5-1、圖5-2所示。底座⑵下面有3個(gè)水平調(diào)節(jié)螺絲⑶，用以調(diào)節(jié)儀器的水平面，螺母⑷為鎖定裝置。分光鏡P1安裝在鏡架⑾上，補(bǔ)償鏡P2安裝在鏡架⑿上。平面反射鏡M2安裝在固定鏡架⑽上，另一反射鏡M1安裝在移動(dòng)拖板⑼上面的鏡架⒂上，⑼與⑽各有3只微調(diào)螺釘⒁，用以調(diào)節(jié)平面鏡。固定鏡架的角度微調(diào)拉簧螺絲為⒀。當(dāng)旋動(dòng)手輪⑸或微調(diào)手輪⑺時(shí)，拖板⑼可在導(dǎo)軌⑴上作微小移動(dòng)。光的干涉圖樣可用觀察屏⒃觀測。儀器設(shè)有三個(gè)讀數(shù)尺：主尺附在導(dǎo)軌側(cè)面，最小分度為1mm，從讀數(shù)窗口⑹可看到一個(gè)100等分的圓盤標(biāo)尺，其轉(zhuǎn)動(dòng)1小格，相當(dāng)于拖板直線移動(dòng)0.01mm。微調(diào)手輪⑺的刻度輪⑻也為100分格，其移動(dòng)1小分格為圓盤標(biāo)尺的1/100，相當(dāng)于拖板移動(dòng)0.0001mm。
三 操作步驟
1．認(rèn)真學(xué)習(xí)儀器注意事項(xiàng)。
2．檢查兩個(gè)反射鏡后的微調(diào)螺絲（14），使其松緊適當(dāng)；兩個(gè)微調(diào)拉簧螺絲取適中位置，留有雙向調(diào)節(jié)余量。
3．轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)手輪，使兩個(gè)反射鏡與分光板的距離粗略相等即主尺刻度位于32mm左右（因M2鏡至P1鏡距離大約為32mm），這樣更易于調(diào)出等傾干涉條紋。
4．點(diǎn)亮氦—氖激光器，調(diào)節(jié)水平調(diào)節(jié)螺絲（3）使干涉儀水平，并使激光束大致與M2垂直。激光束經(jīng)分光板P1分束，由M1、M2反射后，照射在E處的與光路垂直放置的觀察屏（16）上，即呈現(xiàn)出兩組分立的光斑。
5．調(diào)節(jié)M1和M2兩鏡后的螺旋，以改變M1、M2鏡面的方位，使屏上兩組光點(diǎn)（最亮點(diǎn)）完全重合（完全重合時(shí)，仔細(xì)觀察最亮點(diǎn)內(nèi)部甚至其周圍有細(xì)小明暗條紋產(chǎn)生），此時(shí)再在激光器前共軸地放一擴(kuò)束透鏡，屏上即可呈現(xiàn)出干涉條紋。緩慢細(xì)心地調(diào)節(jié)M2鏡下的拉簧螺絲，使條紋成為等傾干涉條紋（圖5-3）。
6．調(diào)節(jié)干涉儀的手輪（有粗調(diào)、微調(diào)手輪（5）（7））使M1移動(dòng)，熟悉M1位置的讀數(shù)規(guī)律。同時(shí)觀察干涉條紋變化情況（環(huán)紋涌出或陷入現(xiàn)象）。
7．測量前需對(duì)大小手輪進(jìn)行讀數(shù)校準(zhǔn)。先調(diào)節(jié)微調(diào)手輪（7）（順時(shí)針或逆時(shí)針方向）能看到干涉環(huán)紋有所變化，此時(shí)仍按原旋轉(zhuǎn)方向使小鼓輪的“0”刻度線對(duì)準(zhǔn)標(biāo)志線，然后調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)手輪（5）（旋轉(zhuǎn)方向和微調(diào)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同），使之任一整刻度與旋轉(zhuǎn)手輪的標(biāo)志線對(duì)齊。方可進(jìn)行測量。
8．記下當(dāng)條紋中心冒出（或陷入）時(shí)M1鏡的位置讀數(shù)d1，沿原來校準(zhǔn)的方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)手輪（7），觀察并數(shù)出屏上涌出（或縮進(jìn)）的條紋數(shù)，每隔50環(huán)記錄一次M1鏡的位置，連續(xù)數(shù)350環(huán)，共讀得M1鏡8次位置讀數(shù)。
三 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)
⑴ 干涉儀是非常精密的光學(xué)儀器，必須首先弄清楚儀器的使用方法才可動(dòng)手操作儀器。
⑵ 干涉儀中的光學(xué)玻璃件（分光板、補(bǔ)償板、反射鏡）的光學(xué)表面絕對(duì)不能沾污或用手撫摸，也不要自己用擦鏡紙擦拭。
⑶ 干涉儀各調(diào)節(jié)控制機(jī)構(gòu)均極其精密，其調(diào)節(jié)范圍有一定的限度，調(diào)整時(shí)應(yīng)仔細(xì)、認(rèn)真、輕、緩，不可擰得過緊，嚴(yán)防盲目亂調(diào)。
⑷ 轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)手輪時(shí)，粗調(diào)手輪隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，但轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)手輪時(shí)，微調(diào)手輪并不隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，因此在調(diào)好儀器準(zhǔn)備讀數(shù)之前應(yīng)先調(diào)整零點(diǎn)。調(diào)整零點(diǎn)的方法是：將微調(diào)手輪沿某一方向（例如順時(shí)針方向）旋轉(zhuǎn)至零，然后以同方向轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)手輪對(duì)齊讀數(shù)窗口中的某一刻度，以后測量時(shí)使用微調(diào)手輪仍以同方向移動(dòng)M1鏡，這樣才能使讀數(shù)窗口中的刻度盤與微調(diào)手輪的刻度盤相互配合。
⑸ 微調(diào)手輪有很大的反向空程（大約20圈），這會(huì)產(chǎn)生“空轉(zhuǎn)誤差”（所謂“空轉(zhuǎn)誤差”，是指如果沿與原來“調(diào)零”時(shí)鼓輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪，則在一段時(shí)間內(nèi)，微調(diào)手輪（7）雖然在轉(zhuǎn)動(dòng)，但讀數(shù)窗口并未計(jì)數(shù)，因?yàn)榇藭r(shí)反向后蝸輪與蝸桿的齒并未嚙合靠緊）。為了消除“空轉(zhuǎn)誤差”，使用時(shí)應(yīng)始終向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，如果需要反向測量，則需先消除“空轉(zhuǎn)誤差”再重新調(diào)整零點(diǎn)，方可進(jìn)行讀數(shù)。