图1 迈克尔逊干涉实验系统图

1.实验目的

1）了解迈克尔逊干涉仪的结构和干涉条纹的形成原理；

2）学会迈克尔逊干涉仪的调整和使用方法；

3）观察光的等倾干涉和等厚干涉现象。

2.实验原理

迈克尔逊干涉原理

图2 迈克尔逊干涉系统原理图

图2为迈克尔逊干涉原理示意图。从光源S发出的一束光入射到分光棱镜上，光束经过分光棱镜发生反射和透射，分为强度相等的两束光。其中透射光束入射至平面反射镜M2；另外一束反射光射向M1；因分光棱镜透反射面与平面反射镜M1，M2均成45º角，所以两束光均垂直入射到M1和M2上。从M2反射回来的光经过棱镜反射，从M1反射回来的光经过棱镜透射，二者汇聚成一束光，在接收屛P处发生干涉，并在接收屛上可以观察到明暗相间的干涉条纹。

在光路中，M2´是M2经过分光棱镜所形成的虚像，两束相干光相当于从M1M2´反射而来，因此迈克尔逊干涉仪产生的干涉条纹如同实反射面M1和虚反射面M2´构成的虚平板产生的干涉条纹一样。虚平板的厚度和楔角可通过调节M1和M2反射镜进行控制。

3.实验仪器

激光器，正透镜，分光棱镜，平面反射镜，衰减片，观察屏或者CCD相机。

4.实验内容

1）了解迈克尔逊干涉仪的结构和干涉条纹的形成原理；

2）学会迈克尔逊干涉仪的调整和使用方法；

3）获得等倾干涉、等厚干涉条纹，观察其干涉现象；

5.实验步骤

1）依据光路图，按照笼式系统正确安装激光器、分光棱镜、动镜M1、定镜M2、观察屏P，使它们都处在同轴等高的位置上，M1与M2分别与之相对的分光棱镜的表面平行，保证M1、M2与分光棱镜内的分光膜成45°角，且M1与M2互相垂直。调节M1和M2平面反射镜背后的微调螺钉，使平面反射镜倾角优调节的余地，并使微调拉簧螺钉松紧适中。

2）调整激光器，使激光器出射光束垂直于分光棱镜，并与分光棱镜和M2的中心连线平行。

3）在观察屏上可见两个光斑，调节M1平面反射镜背后的微调螺钉使两个光斑完全重合，此时M1和M2基本垂直。

4）水平移动M1靠近或远离分光棱镜，直至观察屏上可见等倾干涉条纹，微调动镜M1背后的三个微调螺钉使干涉条纹圆心居中，并观察无视差时环形干涉条纹的大小不变，即干涉圆环没有出现吞吐现象，说明M1和M2严格垂直。若用CCD观察条纹，有必要在激光器前或者CCD前加入合适的衰减片，否则由于光强太强导致明暗条纹对比度太低，从而无法观察到干涉条纹。

5）在激光器前面合适的位置加入正透镜，将激光器出射的发散光束整形为平行光束，注意：透镜的焦距和整形后的光斑的大小要合适。

6）调节M1背后的微调螺钉，使M1和M2不完全垂直，从而获得等距离的明暗相间的直条纹，即是等厚干涉条纹，水平移动M1观察接收屏上干涉直条纹的变化。

6.实验现象

按照图2搭建迈克尔逊干涉实验系统。本实验采用的激光器型号为FCM635S10LC1P0，激光器出射的光为发散光。当M1和M2´严格平行时，就可以观察到明暗相间的等倾干涉同心圆环条纹，干涉图样如图3所示，左图为用CCD采集的干涉条纹，右图为用白屏观察的干涉条纹。水平移动M1，使M1逐渐靠近或者离开M2´，就会清晰地观察到环形条纹随着M1的移动显示出吞和吐的现象，并且，M1和M2´的距离越远，即虚平板的厚度越大，条纹越来越细且变密。

在激光器前面合适的位置加一正透镜，将激光器出射的发散光整形为平行光束，且当M1和M2´存在一定的夹角时，就可以在观察屏上观察到明暗相间的等厚干涉直条纹，干涉图样如图4所示，左图为用CCD采集的直条纹，右图为白屏观察的直条纹。移动M1，使M1和M2´距离发生变化，还可以看到条纹的移动现象。这两种干涉现象都称之为定域干涉。

7.注意事项

1）“不看”：不能直视激光光源。

2）“不摸”：光学元件表面不可用手触摸，更不允许用手擦拭！

3）“不用强”：调整各部件用力要适当，均匀缓慢，不可过度旋转或硬扳。

实验结论（参考自留）

（1）用CCD采集的等倾干涉条纹受CCD靶面尺寸和激光相干长度的影响，条纹数量有限。若改用白屏观察环形干涉条纹，可通过移动动镜来改变环形条纹的数量和疏密。直条纹不受CCD靶面尺寸和激光相干长度的影响。

（2）用CCD采集干涉条纹时，由于激光器输出的光强过大，为了能清晰的采集干涉条纹，在发射端或者接收端加入两个衰减片，衰减系数分别为0.1%和5%（具体系数视激光器的光强和实际情况进行更换）。

（3）实验的原理和步骤适用于产生平行光束的激光器，系统搭建好后可直接观察直条纹。要观察环形条纹时，需要在激光器前需要加一扩束镜，从而行程球面波，利于观察环形条纹。

（4）实验过程中，由于选择激光器和光学元件的不同，有时干涉条纹会成像在无穷远处，为了方便观察，在接收屛前加一透镜进行聚焦，使干涉条纹成像在有限的距离范围内，本实验无此透镜。

本实验实际用的激光器为光纤输出激光器，光纤端面输出的光为球面波，观察等倾干涉环形条纹时不需要加透镜，激光输出的光束直接进入分光镜，就能观察到清晰的环形条纹。在观察直条纹时需要在激光器前加以准直透镜，对光束进行准直后方能观察直条纹。条纹的对比度可以通过调整动镜的前后距离进行调节。