迈克耳逊干涉

关键词：

迈克耳逊干涉（精选三篇）

迈克耳逊干涉 篇1

λ=2Δd/N (1)

即可计算出光波波长。实验要求连续测量7次, 每次移动50个条纹。但由于迈克尔逊干涉仪缺少相配套的自动记录干涉条纹个数的计数装置[3], 操作人员做实验时要求在光线较暗的环境中进行, 调节细调手轮的同时用肉眼观察光谱并记录涌出或陷入的干涉条纹数, 记录移动的条纹数超过300个, 眼睛容易疲劳, 导致工作效率低, 计算出的光波波长误差较大。为此, 研制了与迈克尔逊干涉仪相配套的迈克尔逊干涉条纹自动计数仪, 减少了操作人员的工作量, 提高了工作效率。

1 系统硬件设计

根据干涉条纹明暗相间的特点, 可以将接收到的强弱相间的光信号[4,5]转换为电信号, 然后对电信号进行调理放大, 经模数转换后最终转换为微处理器可以识别的高低电平, 此时对高低电平的计数就是对明暗条纹的计数, 其系统原理如图1所示。

1.1 光电转换处理系统

光电转换处理系统由光传感器、信号调理放大构成, 最终将光信号变为单片机可以识别的高低电平信号。

1.1.1 光接收部分

激光器发出的激光功率约为4 mW, 干涉条纹中心光斑直径约为7 mm, 光强最强, 但光功率约为74 μW, 衰减严重, 且离中心光斑越远, 光功率越小, 因此对传感器的要求比较严格。本系统所使用的传感器受光面积为0.6 mm×0.6 mm, 内部有1个光电二极管阵列, 该光电二极管阵列具有精确、线性和可重复的电流转换功能, 对紫外和红外波段的光有抑制作用。其特性曲线如图2所示。

由于衰减严重, 传感器测得的中心明条纹电流仅有23 μA, 即使在输出电流源端口接10～50 kΩ的增益电阻, 输出电压也只能达到毫安级, 单片机并不能识别出高低电平, 因此需要对信号进行放大[6,7,8,9]。记光信号经过传感器及增益电阻后输出电压为u1, 如图3 (a) 所示。

1.1.2 信号调理放大

本系统所用的放大器采用了直流模拟调制技术, 避免了大多数隔离放大器模块所存在的电磁干扰问题。该放大器几乎无需外部元件, 利用电位器即可调节放大增益。记放大后输出电压为u2, 如图3 (b) 所示。

放大后的波形不是很规则, 所以用NE555集成芯片, 组成施密特触发器[10], 对波形进行变换和整形, 其中在施密特触发器6管脚的分压电阻相等, 输入端的两个阈值电压分别是VT+=2/3 VCC, VT-=1/3 VCC, 当u2加到施密特触发器的输入端, 波形上升时输出u2, 在VT+处翻转, 在波形下降时输出u2在VT-处翻转, 输入信号变为规则的矩形脉冲, 如图3 (c) 所示。

经过放大整形的高低电平的电压差比较大, 在计数时, 软件可以灵活设置参考电压Vref。

1.2 A/D转换及计数显示

信号转换为规则的矩形脉冲后, 经过A/D转换为数字信号, 送入CPU, 最终显示计数值。

A/D转换采用TLC542, 该芯片是8位开关电容逐次逼近模拟数字转换器, 采用CMOS工艺, 允许高速数据传输, 每秒采样达40 000次, 内部有检测功能, 在转换结束时, EOC引脚输出高电平以示转换结束。

计数值用CH451驱动的数码管显示。CH451 是一个整合了数码管显示驱动和键盘扫描控制以及μP监控的多功能外围芯片。CH451内置RC振荡电路, 提供上电复位和看门狗等监控功能, 可以动态驱动8位数码管或者64位LED, 具有BCD译码、闪烁、移位等功能。同时, 还可以进行64 键的键盘扫描, 有利于仪器的改进。

2 系统软件设计

程序流程如图4所示, 电路接通电源后, 对CH451、TLC542初始化, 条纹计数变量Count自动清零, 设定参考电压 (高电平的下界Vrefh及低电平的上界Vrefl) , 判别A/D第一次采集的输入电压Vin是否小于Vrefl, 延时50 ms, 判别第二次采集的输入电压Vin是否大于Vrefh, 若两次的输入电压均不满足条件, 继续采集;若满足条件, 说明低电平跳变到高电平, 出现一个上升沿, 即有一个暗条纹涌出或陷入, 计数器加1, 当计数到50时, 发出提示音提示操作人员停止旋转细调手轮, 记录转盘所移动的距离。

3 实验数据

实验连续测量7次, 每次让条纹涌出或陷入50个, 数据用逐差法处理。该计数器的外形设计, 使得实验背景环境无论在黑暗状态或日光照射状态下均能正常工作。表1给出了利用该计数器记录条纹个数所测得的几组数据, 其中, d0为迈克耳逊干涉仪读数尺上的初始刻度;d1-d7分别为条纹每涌出或陷入50个读数尺上的刻度。利用λ=2Δd/N求出相应的波长。由表1可以看出, 测量结果比较精确, 其误差主要来源于距离Δd的测量误差。

4 结束语

文中设计了基于单片机的迈克耳逊干涉条纹计数器。实验表明, 该计数器可以减轻操作人员的视觉疲劳、保护眼睛、减少人为误差、提高测量精度。该计数器具有工作性能稳定、抗干扰能力强、操作简便、能较好地消除背景光的影响等优点。

参考文献

[1]王云才.大学物理实验教程[M].北京:科学出版社, 2008.

[2]孙宇航.迈克尔逊干涉仪实验中易出现的问题之探讨[M].西安邮电学院学报, 2008, 13 (5) :153-154.

[3]王守权, 张绍良, 张薇.干涉条纹计数器的研制[J].长春邮电学院学报, 2000, 18 (2) :55-58.

[4]徐富新, 申冬玲, 杨春艳, 等.条纹计数器的光电转换模块设计[J].实验室研究与探索, 2007, 26 (6) :64-67.

[5]廖家鼎, 徐文, 牟同升.光电技术[M].杭州:浙江大学出版社, 2002.

[6]夏路易, 阎宏印, 王永强.电子技术基础[M].北京:兵器工业出版社, 2001.

[7]王立刚, 张殿元.低噪声光电检测电路的研究与设计[J].电测与仪表, 2007, 44 (6) :63-66.

[8]何谨, 刘铁根, 孟卓, 等.弱光强信号检测系统前级放电路的设计[J].科学技术与工程, 2007, 7 (9) :1904-1906

[9]詹福如, 袁宏永, 苏国锋.光电探测器微变信号检测电路的设计[J].激光与红外, 2002, 32 (1) :54-56.

迈克尔逊干涉仪课教案 篇2

教学方式：

讲述和演示（30分钟），学生实验（100-120分钟）

时间：30分钟

一、背景知识介绍：

1883年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作，为证明“以太”的存在而设计制造了世界上第一台用于精密测量的干涉仪--迈克尔逊干涉仪，它是在平板或薄膜干涉现象的基础上发展起来的。迈克尔逊干涉仪在科学发展史上起了很大的作用，著名的迈克尔逊干涉实验否定了“以太”的存在。发现了真空中的光速为恒定值，为爱因斯坦的相对论的建立奠定了基础。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。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。

二、实验目的：

熟悉迈克尔逊干涉仪的结构和工作原理

掌握迈克尔逊干涉仪的调节方法，观察等倾干涉条纹 测量钠黄光波长以及双谱线的波长差 了解光源的时间相干性

测量薄膜介质折射率

三、实验仪器：

迈克尔逊干涉仪、钠光灯

四、讲述及演示主要内容

1.介绍迈克尔逊干涉仪结构原理

如迈克尔逊干涉仪光路图所示，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。M2为可动全反射镜，背部有三个粗调螺丝。（迈克尔逊干涉仪光路图见实验展板）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.介绍光源的时间相干性

时间相干性是光源相干程度的一种物理描述。迈克尔逊干涉仪是观察光源时间相干性的典型仪器。要得到对比度很好的干涉条纹，必须考虑光源的时间相干性。时间相干性由相干时间tm来描述，定义光源的相干时间为：

ΔLm为相干长度，上式表明，谱线宽度Δλ越窄，光源的单色性越好，其相干时间越大，即相干长度越长。半导体激光相干长度长，短则几厘米，长则数公里。钠光相干长度1~2厘米。白光相干长度更小，为微米数量级。

4.用钠光为光源，讲述及演示干涉仪调节方法，调出圆形干涉条纹。干涉条纹通过CCD在显示器上显示。5.讲述及演示钠光波长测试原理及方法。

在调出圆形干涉条纹的情况下，转动微调手轮，移动M1，可以看到条纹由中心向外涌出（或向中心涌入），在条纹开始涌出（或涌入）时，记下M1的位置d1。再继续移动M1同时开始计数，当条纹涌出（或涌入）条纹数N为50（或100）个时，记下M1的位置d2。计算出Δd=|d2-d1|，由公式

计算出钠光波长λ。测量5次取平均，并与标称值比较。

6.介绍钠黄光双谱线的波长差的测量原理和测量方法。进行演示。

由于钠黄光存在强度近似相等的双谱线，干涉条纹对比度与光程差近似成周期特性（干涉条纹清晰—模糊—清晰—模糊）。转动手轮，移动M1，使干涉条纹对比度为零（或最大），记下M1的位置d1。再继续移动M1，使干涉条纹对比度再次为零（或最大），记下M1的位置d2。计算出Δd=|d2-d1|，由公式

计算出黄光双谱线的波长差Δλ，λ取589.3nm。测量3次取平均，有效数字取三位。7.讲述及演示“等光程”状态以及白光干涉条纹的调节方法。

利用光程差增大条纹冒出、光程差减小条纹陷入的特点，调节动镜，使条纹由陷入变为冒出，其临界位置即为等光程。或在视场内出现偏心条纹（条纹弯曲、圆心不在视场内），则光程差由减小到增大的过程中，干涉条纹由某一方向弯曲变成直条纹（相当于等厚干涉）再变为反向弯曲，其临界位置（直条纹）即为等光程。放入白光（不要移去钠光），慢慢调节动镜，在等光程位置，在白光灯泡的虚像上会出现彩色干涉条纹，动镜的位置对应于等光程。在某一光路中放入透明薄膜（厚度适当），重新调出白光干涉条纹，动镜位置的改变的2倍即为薄膜引入的光程差，测量薄膜的厚度，可算出薄膜介质折射率。8.强调实验注意事项

光学元件表面严禁触摸，精密仪器操作耐心细致，反射镜粗到微动螺丝不能出现拧紧拧死现象，出现不好调节情况及时报告指导教师。

五、其它主要工作：

1.讲课后立即检查光源、照明小灯是否正常，学生做实验前准备工作

2.学生开始做实验20分钟后，检查学生干涉调节情况，如遇不会调整的，边操作边指导，使其掌握。

3.要求学生60分钟左右完成钠光波长测量，计算测量结果。80分钟左右完成钠黄光双谱线的波长测量，计算测量结果。4.检查数据，签字。

六、思考题：

1.为什么向“等光程”状态调节时，圆条纹变粗变疏？

迈克尔逊干涉仪法测定玻璃折射率 篇3

关键词：迈克尔逊干涉仪 玻璃折射率 方法

一、测定玻璃折射率的方法

1.三棱镜法。最准确的方法是使光束通过棱面夹角为60度的三棱镜而测定的情况。

2.油浸法。人们可以将一小块玻璃浸入已知折射率的液体中，当玻璃看不出来时，玻璃的折射率与已知液体的折射率相同，这种测定方法不够精确。

3.折射仪全反射法。将一面抛光的式样用高折射率的液体紧压在折射仪棱镜上，使用白光即可得出折射率的数值，准确度可达到小数点后第四位。

二、迈克尔逊干涉仪法测定玻璃折射率

（一）实验器材

GS——1型迈克尔逊干涉仪，JGQ——250型He——Ne激光器，扩束镜，白炽灯（台灯即可），千分尺，读数显微镜，不同式样的玻璃。

（二）实验原理

本实验主要应用迈克尔逊干涉仪，M1和M2是两个互相垂直放置的平面反射镜，其中，M2反射镜是固定的，M1反射镜可以在精密导轨上前后移动。M1的移动采用了精密螺杆旋进系统，移动的距离可由转动手轮的读书窗和微调手轮的刻度轮上读出。G1和G2是由同一块光学玻璃分割而成，具有同样的厚度和折射率，G1和G2平行放置且与M1和M2构成45度角。其中，G1的第二光学平面镀有半透膜，称为分光板，G2为补偿板。

当光源与发出的光线射到G1后，被分解为反射光（1）和透射光（2）；光线（1）垂直照射在M1上经反射后沿原路返回，并透过G1到达E处；光线（2）透过G2后垂直照射到M2经反射后沿原路返回，G1被反射到E处；由于光线（1）（2）是由同一束分解出的两束光，因此，光线（1）（2）是相干光束，在E处相遇时将产生干涉现象。

由于分光板的反射作用，M2在M1附近形成一平行于M1的虚象M2’，因而光在 M1和M2的反射可看作是M1和M2’的反射。所以，在迈克尔逊干涉仪中，所产生的干涉与厚度为D的空气膜产生的干涉是等效的。

（三）实验数据 （四）实验讨论

1.优点。迈克尔逊干涉仪对任何形状的密度均匀的玻璃碎块的折射率测定都适用，而且对其它透明均匀的物体也同样适用，玻璃碎块即使有污渍也不必清洗。

2.不足：

（1）此法不是所有玻璃碎块均都适用，对于厚度或密度不均的玻璃，彩色条纹不一定会出现。

（2）r1’范围过大，影响到测量精度.在用激光器时，视场中出现一两条花纹，到换上白炽灯后出现多条彩色条纹的时间内，M1所移动的距离过大时，r1’只能取这两时刻间读数的平均值，所以，M1在此时段内移动距离越小，r1’取值越精确，即（r1+r1’）/2。

（3）该方法测量精确度由介质材料厚度均匀性决定，被测玻璃碎块厚度应由读数显微镜测得，常用测量物体厚度仪器为千分尺，它只能精确到0.01mm，而读数显微镜能精确到0.001mm，迈克尔逊干涉仪能精确到0.0001mm，但在此前折算折射率公式n=（r1’-r1）/d+1中，用到玻璃碎块厚度，所以，最后测得折射率也只能精确到0.001mm。

参考文献：

[1]戴林.特殊痕迹检验.警官教育出版社，1994.