邁克爾孫干涉實驗問題釋疑

羅 濤

(長春師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林長春130032)

在大學(xué)物理實驗中，邁克爾孫干涉儀是光學(xué)實驗必備的儀器之一［1］。利用邁克爾孫干涉儀可以做很多相關(guān)實驗，如測定鈉光D雙線的平均波長及波長差、透明薄片厚度的光學(xué)測量、空氣折射率的測量等［2］。然而，學(xué)生在實驗過程中對邁克爾孫干涉儀進行調(diào)節(jié)時，往往會出現(xiàn)很多問題，不能調(diào)出合格的干涉條紋［3－4］。

要使邁克爾孫干涉儀產(chǎn)生等傾干涉條紋需要滿足兩個條件，第一是反光鏡M1和反光鏡M2至分光板P1鍍膜面的距離大致相等，第二是反光鏡M1和反光鏡M2嚴格垂直［5］。看似簡單的實驗步驟，卻成為很多學(xué)生的學(xué)習(xí)難點。于是與邁克爾孫干涉相關(guān)的實驗成為最費時間、最不容易做好的光學(xué)實驗之一。本文按實驗操作步驟的相關(guān)順序來分析各種問題形成的原因，并提出解決辦法。

典型的邁克爾孫干涉儀的構(gòu)造如圖1所示。調(diào)節(jié)邁克爾孫干涉儀產(chǎn)生等傾干涉條紋的步驟如下［5］:(1)點亮鈉燈，使之照射毛玻璃屏，形成均勻的擴展光源，在屏上畫一個十字叉絲;(2)旋轉(zhuǎn)粗動手輪，使反光鏡M1和M2至分光板P1鍍膜面的距離大致相等，沿M1中垂線方向觀察，將看到叉絲的雙影像;(3)仔細調(diào)節(jié)M1和M2背后的三個螺絲，改變M1和M2的相對方位，直至雙影像在水平方向和鉛直方向均完全重合，這時可觀察到干涉條紋，仔細調(diào)節(jié)六個螺絲，使干涉條紋成圓形;(4)細致緩慢地調(diào)節(jié)M2下方的兩個微調(diào)拉桿螺絲，當觀察者的眼睛左右上下的移動時，不發(fā)生條紋的變形及“涌出”或“陷入”現(xiàn)象。這時，觀察到的干涉紋才是嚴格的等傾干涉。

在學(xué)生做實驗的時候，經(jīng)常不能調(diào)出嚴格的等傾干涉條紋，究其原因主要有以下幾個方面。

第一，光源的位置沒放好。入射光線沒有沿接近M2的中垂線方向入射，這樣容易造成視場中的條紋不易調(diào)出，或條紋一半清楚而一半不清楚。

第二，叉絲的方位沒擺好。在調(diào)叉絲的兩個像重合時，容易造成虛假重合的現(xiàn)象。

第三，六個螺絲的松緊搭配不合理。為了讓其中一個像往另外一個像靠近，使勁擰緊或松開某個螺絲，使得后續(xù)步驟無法進行微調(diào)，或造成條紋時有時無。

圖1 典型的邁克爾孫干涉儀

第四，有的學(xué)生覺得叉絲的兩個像調(diào)重合了，可就是看不到條紋。其實是因為該學(xué)生的視角問題，應(yīng)改變視角來看兩個像是否始終保持重合。

第六，雖然已經(jīng)可以看到干涉條紋，但所看到的既非等傾也非等厚條紋。即看見圓弧了，就是不能調(diào)出整個的圓形條紋。為了解決這個問題，我們把兩個反光鏡的三個螺絲做一下標記，從背面看，按照從上由左到右的逆時針順序，分別標記為A、B、C螺絲。在表1中我們分析了調(diào)節(jié)A、B、C螺絲各起到什么作用，條紋怎么移動。若只看見上部分圓弧，則需要條紋往上移動，才能出現(xiàn)其他部分;條紋缺少上部分圓弧，則需要條紋往下移動，才能出現(xiàn)上部分圓弧。其它情況以此類推，然后參照表1來調(diào)節(jié)反光鏡M1和反光鏡M2的六個螺絲。

表1 條紋的移動與螺絲松緊調(diào)節(jié)

第七，條紋不穩(wěn)定，觀察者眼睛改變視角時，條紋變形往某一側(cè)“涌出”或“陷入”。可以參照表2調(diào)節(jié)拉桿進行修正。

表2 條紋的變形與拉桿的調(diào)節(jié)

第八，有的儀器調(diào)出的條紋始終呈橢圓，得不到一個標準的圓。這可分為三種情況。第一種情況是由于平面鏡M1與轉(zhuǎn)軸不垂直。雖然反光鏡M1和反光鏡M2嚴格垂直，但它們的方位發(fā)生了變化，使得平面鏡M1與轉(zhuǎn)軸不垂直，平面鏡M1與分光板的夾角也不再成45°角。具體解決辦法:使用氦氖激光作為入射光，摘下反光鏡M2，使用觀察屏來接收反光鏡M1的反射光，前后移動反光鏡M1，觀察激光的紅色斑點在觀察屏上的位置是否變化，如果有變化則說明反光鏡M1與轉(zhuǎn)軸不垂直。調(diào)節(jié)反光鏡M1背部螺絲，并前后移動反光鏡M1，直到觀察屏上紅色斑點的位置不發(fā)生變化，說明此時反光鏡 M1與轉(zhuǎn)軸垂直。然后安裝反光鏡M2，按照步驟(3)重新調(diào)節(jié)干涉條紋。第二種情況是分光板被前后倒置。將分光板拿下來，通過觀察兩面的反光效果來判斷，把分光板按鍍膜面朝補償板方向安裝好即可。第三種情況是補償板與分光板不嚴格平行。這種情況的校準可參照文獻［6］的方法來進行校準。

［1］王培霞，湯洪明.邁克爾遜干涉儀光程差公式及條紋特點詳解［J］.大學(xué)物理實驗，2008(1):17－19.

［2］耿完楨.大學(xué)物理實驗［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

［3］孫宇航.邁克爾遜干涉儀實驗中易出現(xiàn)的問題之探討［J］.西安郵電大學(xué)學(xué)報，2008(5):159－160.

［4］魏玉花，韓軍峰，王秋云.邁克爾遜干涉儀橢圓干涉條紋分析與校正［J］.棗莊學(xué)院學(xué)報，20013(5):44－46.

［5］楊述武.普通物理實驗3－光學(xué)實驗部分［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［6］王素紅.邁克爾孫干涉儀出現(xiàn)橢圓形干涉條紋的快速校準［J］.物理實驗，1998(4):37－38.