用迈克尔逊实验仪测量光波的波长数据处理

大学物理实验报告。包含实验目的,实验仪器,实验原理,步骤,实验数据等。

实验名称：

用迈克尔逊干涉仪测量光波的波长

一、实验目的：

用迈克尔逊干涉仪测定He-Ne激光的波长。

二、实验器材：

迈克尔逊干涉仪、He-Ne激光

三、实验原理：

'迈克尔逊干涉仪光路如图所示。当M1和M2严

格平行时，所得的干涉为等倾干涉。所有倾角

'为i的入射光束，由M1和M2反射反射光线的

光程差 均为2dcosi，式中i为光线在M1镜面

的入射角，d为空气薄膜的厚度，它们将处于同

一级干涉条纹，并定位于无限远。这时，图中E

处，放一会聚透镜，在其共焦平面上，便可观

察到一组明暗相间的同心圆纹。

干涉条纹的级次以中心为最高，在干涉纹中心，应为i=0，由圆环中心出现亮点

2d'的条件是 2d k ，得圆心处干涉条纹的级次k 。当M1和M2的间距d

逐渐增大时，对于任一级干涉条纹，例如第k级，必定以减少其cosik的值来满足2dcosik k ，故该干涉条纹向ik变大（cosik变小）的方向移动，即向外扩展。

时，就2

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个“陷 入”中心，且每陷入一个条纹，间距的改变亦为。 2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

实验 11迈克尔逊干涉仪测光波波长

1.迈克尔逊干涉形成的等倾干涉条纹的条件、条纹的特点、条纹出现的位置和测量波长的公式。比较等倾干涉条纹和牛顿环（等厚干涉）异同。 提示：（1）迈克尔逊干涉形成等倾干涉条纹的条件：①M1、M 2（M2在 M1镜附近的虚像）两反射镜互相平行。②产生干涉的两束光应是相干光，且光程差要满足明暗条纹条件； （2）条纹的特点包括条纹形状、条纹分布，条纹级数、条纹属性（等倾还是等厚）以及条纹的变化；

（3）条纹出现的位置是指条纹所在位置。（迈克尔逊干涉用的光源是光纤激光（点光源）条纹出现的位置是在两虚光源发出的两相干光相遇的范围，是非定域的，等厚干涉用的光源是面光源钠光，条纹出现的位置在牛顿环装置表面附近，是定域的）。

（4）实验测量波长公式：（△N为条

纹变化（冒出或陷入）条数，

△h为M1、M2镜间的空气薄膜厚度的变化）。

（5）用迈克尔逊干涉仪观察到的等倾干涉条纹与牛顿环的干涉条纹异同：二者虽然都是中间疏边缘密明暗相间的同心圆条纹，但牛顿环属于等厚干涉的结果，并且等倾干涉条纹中心级次高，而牛顿环则是边缘的干涉级次高，所以当增大（或减小）空气层厚度时，等倾干涉条纹会向外涌出（或向中心缩进），而牛顿环则会向中心缩

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利用origin 进行回归分析，最小二乘法拟合曲线。（数学软件origin 直线拟合原理即为最小二乘法）

计算公式：Δd=12N λ λ=2Δd N

算出其截距 斜率 则He -Ne 波长为

截距的标准差s x = 斜率的标准差s x = 单位（mm ）

自由度为5 拟合度(Adjust R -square)=

已知仪器误差Δ仪=100n m s d =

√n = 不确定度计算公式如下：

U d =√(

√n 2s d 2+Δ仪2= mm U N =0

U λ

λ=√(dln λ d Δd )2（U d ）2+(dln λ d N

)2（U N ）2 = U λ=97.52351442

λ=（±97.5）nm

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实验2钠黄光波长测定数据

计算公式：Δd=12N λ λ=2Δd N

通过对matlab 绘图程序，对实验测得的六个点进行最小二乘法数据分析：

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经过分析，发现有一组数据发生明显错误，故舍去该组数据进行分析。

算出其截距 斜率 则He -Ne 波长为

截距的标准差s x = 斜率的标准差s x = 单

迈克尔逊干涉仪的调整与应用

1. 原始数据及处理

1.1 测量钠光灯波长（?Na?589.3nm） 测量次数n 1 2 3 4 5 6 不确定度计算：

M2位置dn（mm） 32.85641 32.87118 32.88615 32.90086 32.91589 32.93072 逐差法 ?di?(dn?3?dn)/3（mm）0.01482 0.01490 0.01486 平均值 平均波长 ?d(mm) 0.01486 ?(nm) 594.4 ?A?2.48?x?2.48?(?di?1ni?di)2=0.00010mm, ?B?0.00004mm

n?1?U?d??A2??B2=0.00011mm U??U2U?d=4.4nm, Ur????100%=0.74%. ?N?1.2 双线的波长差：??Na?0.59nm 测量次数 1 2 3 4 M2位置（mm） 33.10405 33.39630 33.67745 33.97492 逐差法得到?D（mm） 0.28801 ??（nm） 0.61 2．思考题及分析：

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

迈克尔逊和法布里-珀罗干涉仪

摘要：迈克尔逊干涉仪是一种精密光学仪器，在近代物理和近代计量技术中都有着重要的应用。通过迈克尔逊干涉的实验，我们可以熟悉迈克尔逊干涉仪的结构并掌握其调整方法，了解电光源非定域干涉条纹的形成与特点和变化规律，并利用干涉条纹的变化测定光源的波长，测量空气折射率。本实验报告简述了迈克尔逊干涉仪实验原理，阐述了具体实验过程与结果以及实验过程中的心得体会，并尝试对实验过程中遇到的一些问题进行解释。 关键词： 迈克尔逊干涉仪；法布里-珀罗干涉仪；干涉；空气折射率；

一、引言

【实验背景】

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。法布里-珀罗干涉仪是珀罗于1897年所发明的一种能现多光束干涉的仪器，是长度计量和研究光谱超精细结构的有效工具； 它还是激光共振腔的基本构型，其理论也是研究干涉光片的基础，在光学中一直起着重要的作用。在光谱学中，应用精确的迈克尔逊干涉仪或法布里-珀罗干涉仪，可以准确而详细地测定谱线的波长及其精细结构。 【实

“迈克尔逊干涉仪”实验报告

【引言】

迈克尔逊干涉仪是美国物理学家迈克尔逊(A.A.Michelson)发明的。1887年迈克尔逊和莫雷(Morley)否定了“以太”的存在，为爱因斯坦的狭义相对论提供了实验依据。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，即1m=1 553 164．13个镉红线的波长。在光谱学方面，迈克尔逊发现了氢光谱的精细结构以及水银和铊光谱的超精细结构，这一发现在现代原子理论中起了重大作用。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。

【实验目的】

（1）了解迈克尔逊干涉仪的原理和调整方法。 （2）测量光波的波长和钠双线波长差。

【实验仪器】

迈克尔逊干涉仪、He-Ne激光器、钠光灯、扩束镜

【实验原理】

1.迈克尔逊干涉仪结构原理

图1是迈克尔逊干涉仪光路图，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

南昌大学物理实验报告

课程名称：普通物理实验（2）

实验名称： 空气折射率

学院：专业班级：

学生姓名：学号：

实验地点：座位号：

实验时间：

一、 实验目的：

1.进一步了解光的干涉现象及其形成条件，掌握迈克耳孙干涉光路的原理和调节方法。

2.利用迈克耳孙干涉光路测量常温下空气的折射率。

二、 实验仪器：

迈克耳孙干涉仪、气室组件、激光器、光阑。

三、 实验原理：

迈克尔逊干涉仪光路示意图如图1所示。其中，G为平板玻璃，称为分束镜，它的一个表面镀有半反射金属膜，使光在金属膜处的反射光束与透射光束的光强基本相等。 M1、M2为互相垂直的平面反射镜，M1、M2镜面与分束镜G均成450角；

?表示M2对G金属膜的虚像。 M1可以移动，M2固定。M2 从光源S发出的一束光，在分束镜G的半反射面上被分成反射光束1和透射光束2。光束1从G反射出后投向M1镜，反射回来再穿过G；光束2投向M2镜，经M2镜反射回来再通过G膜面上反射。于是，反射光束1与透射光束2在空间相遇，发生干涉。

M1 L1n1 ? M2激光S G 1 O L2n2 MM2

2

由图1可知，迈克尔逊干涉仪中，当光束垂直入射至M1、M2镜时，两束光的光程差?为

图1

大学物理实验-迈克尔逊干涉仪

（1312实验室）迈克尔逊干涉仪实验

一.实验目的

（1）了解迈克尔逊干涉仪的光学结构及干涉原理，学习其调节和使用方法

（2）学习一种测定光波波长的方法，加深对等倾的理解

（3）用逐差法处理实验数据

二.实验仪器

迈克尔逊干涉仪、He-Ne激光器、扩束镜等。

三.实验原理

迈克尔逊干涉仪是l883年美国物理学家迈克尔逊（A.A.Michelson）和莫雷（E.W.Morley）合作，为研究“以太漂移实验而设计制造出来的精密光学仪器。用它可以高度准确地测定微小长度、光的波长、透明体的折射率等。后人利用该仪器的原理，研究出了多种专用干涉仪，这些干涉仪在近代物理和近代计量技术中被广泛应用。

1.干涉仪的光学结构

迈克尔逊干涉仪的光路和结构如图1与2

所示。M1、M2是一对精密磨光的平面反射镜，

M1的位置是固定的，M2可沿导轨前后移动。G1、

G2是厚度和折射率都完全相同的一对平行玻璃

板，与M1、M2均成45°角。G1的一个表面镀

有半反射、半透射膜A，使射到其上的光线分为

光强度差不多相等的反射光和透射光；G1称为

分光板。当光照到G1上时，在半透膜上分成相

互垂直的两束光，透射光（1）射到M1，经M1

反射后，透过G2，在G1的半透膜上反射后

迈克尔逊干涉仪的原理与应用

在大学物理实验中，使用的是传统迈克尔逊干涉仪，其常见的实验内容是：观察等倾干涉条纹，观察等厚干涉条纹，测量 激光或钠光的波长，测量钠光的双线波长差，测量玻璃的厚度或折射率等。 由于迈克尔逊干涉仪的调节具有一定的难度，人工计数又比较枯燥，所以为了激发学生的实验兴趣，增加学生的科学知识，开阔其思路，建议在课时允许的条件下，向学生多介绍一些迈克尔逊干涉仪的应用知识。这也是绝大多数学生的要求。下面就向大家介绍一些利用迈克尔逊干涉仪及其原理进行的测量。

一、传统迈克尔逊干涉仪的测量应用

1. 微小位移量和微振动的测量[11-14]；采用迈克尔逊干涉技术,通过测量ＫＤＰ晶体生长的法向速率和台阶斜率来研究其台阶生长的动力学系数、台阶自由能、溶质在边界层内的扩散特征以及激发晶体生长台阶的位错活性。He-Ne激光器的激光通过扩束和准直后射向分束镜,参考光和物光分别由反射镜和晶体表面反射,两束光在重叠区的干涉条纹通过物镜成像,该像用摄像机和录像机进行观察和记录.滤膜用于平衡参考光和物光的强度.

纳米量级位移的测量：将迈克尔逊型激光干涉测量技术应用于环规的测量中。采用633nm稳频的

He-Ne激光波长作为测量基准，采用干涉条纹计

南昌大学物理实验报告

课程名称：普通物理实验（2）

实验名称： 空气折射率

学院：专业班级：

学生姓名：学号：

实验地点：座位号：

实验时间：

一、 实验目的：

1.进一步了解光的干涉现象及其形成条件，掌握迈克耳孙干涉光路的原理和调节方法。

2.利用迈克耳孙干涉光路测量常温下空气的折射率。

二、 实验仪器：

迈克耳孙干涉仪、气室组件、激光器、光阑。

三、 实验原理：

迈克尔逊干涉仪光路示意图如图1所示。其中，G为平板玻璃，称为分束镜，它的一个表面镀有半反射金属膜，使光在金属膜处的反射光束与透射光束的光强基本相等。 M1、M2为互相垂直的平面反射镜，M1、M2镜面与分束镜G均成450角；

?表示M2对G金属膜的虚像。 M1可以移动，M2固定。M2 从光源S发出的一束光，在分束镜G的半反射面上被分成反射光束1和透射光束2。光束1从G反射出后投向M1镜，反射回来再穿过G；光束2投向M2镜，经M2镜反射回来再通过G膜面上反射。于是，反射光束1与透射光束2在空间相遇，发生干涉。

M1 L1n1 ? M2激光S G 1 O L2n2 MM2

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由图1可知，迈克尔逊干涉仪中，当光束垂直入射至M1、M2镜时，两束光的光程差?为

图1