迈克尔逊干涉仪的手动调节

赵坤坤

摘 要：目前，已多次进行了与迈克尔逊干涉仪有关的实验，但其调节过程仍旧非常烦琐。分别介绍了以激光、钠光和白光作为光源时干涉条纹的手动调节方法。

关键词：迈克尔逊干涉仪；调节技巧；测量精度；凸透镜

中图分类号：TH744.3 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）22-0013-02

迈克尔逊干涉仪是l881年美国物理学家迈克尔逊（A.A.Michelson）为研究“以太漂移”实验而设计制造的精密光学仪器，它可准确地测定微小长度、光的波长、透明体的折射率等。由于在“精密光学仪器和用这些仪器进行光谱学的基本量度”等方面的贡献，迈克尔逊于1907年获得诺贝尔物理学奖。迈克尔逊干涉仪设计巧妙、构思精巧、测量精度高，堪称光学仪器中的经典之作，许多大学的物理实验室都开有与之相关的实验，但其调节十分困难，耗时过长，这是一直困扰着大学生和指导老师的问题。笔者在对该仪器反复使用、调节的基础上，探索了一套简便易行、行之有效的方法，为快速、有效地调节干涉条纹提供了一条便利途径。

1 构造原理

如图1所示，M1和M2是2块精密磨光的平面反射镜，G1和G2是2块厚度和折射率都完全相同的平行玻璃板，与M1和M2均呈45°角。G1的一个表面镀有半反射、半透射膜，G1称为分光板，G2称为补偿板。当光照射在G1上时，光会在半透半反射膜上分成相互垂直的2束光，反射光①照射到M2时，经M2反射后，透过G1射向观察处E；透射光②照射到M1时，经M1反射后透过G2，在G1的半透膜上反射后射向观察处E。这种装置可使1束光分成相互垂直的2束相干光，这是迈克尔逊干涉仪的主要优点之一。从E处向G1看时，除直接看到M2 镜外，还可通过半透半反射膜看到M1的像M1′，M1和M2镜引起的干涉与M1′和M2′引起的干涉等效，M1′和M2形成了空气“薄膜”。因M1′不是实物，所以可方便地改变薄膜的厚度（即M1′与M2的距离），甚至可以使M1′与M2重叠或相交。在某一镜面前，还可根据需要放置其他被研究的物体，这些都为其广泛地应用提供了便利。

2 手动调节技巧

2.1 He-Ne激光的干涉条纹调节

迈克尔逊干涉仪实验的本质是光的叠加。如果要想观察干涉条纹，就要使从M1和M2反射回来的光线完全重合。因此，只要在M1与M2严格垂直的基础上，使光线垂直照射M1，即可在光屏上看到明暗相间的圆形条纹，如图2所示。

图1 迈克尔逊干涉仪的构造原理 图2 圆形条纹

调节的关键在于“直”和“准”。“直”即要使M1与M2在光路中保持垂直；“准”即要保持45?角（仪器在出厂时已经安装好，不需调节）。

具体的调节方法有以下4步：①转动粗调手轮，使M2移到35～45 cm处，调节M1背面的3个螺钉（一般不调节M2），使其处于可调状态。②打开激光，使其垂直照射于M1，并使从M1反射回来的光线与入射光线重合，即反射光回到激光管。③在光屏上出现2排6个亮点后，调节M1背面的3个螺钉，使6个亮点中最亮的2个完全重合，此时可在最亮点两侧隐约看到几条细条纹。④在激光管和分光板之间加设1块凸透镜，调节凸透镜的高度，使激光从凸透镜中透过，并使透射光落在分光板上，观察光屏，即可看到干涉条纹。

2.2 钠黄光等倾干涉条纹的调节

迈克尔逊干涉仪可用来测量钠黄光的波长、波长差和相干长度。钠光干涉条纹的调节比激光干涉更加复杂，具体调节技巧有以下4步：①在观察He-Ne激光干涉条纹的基础上，将激光换成钠光灯，撤去凸透镜，在钠光光源与分光板之间加设1块毛玻璃或1张手巾纸，从而使光源散射。②逆时针方向旋转微调手轮，可观察到周期性出现和消失的钠黄光干涉条纹。③调节M1背面的3个螺钉和拉簧螺丝，将圆环中心移到视场中心。④再次调节垂直和水平拉簧螺丝，使圆环中心不随视觉的移动而出现“涌出”或“吞入”现象。此时，干涉条纹即为严格等倾干涉，即M1和M2严格垂直。

2.3 白光干涉条纹的调节

白光的干涉现象不同于激光和钠黄光，使用白光光源时，只有在薄膜厚度为0（a=0）的附近的M1′与M2交线处观察到干涉条纹，即彩色直条纹。白光的干涉可在钠黄光严格等倾干涉的基础上调节，调节方法有以下3步：①在严格等倾的基础上，调节水平拉簧螺丝，将干涉环中心移到视场边缘，视场中剩下半个圆环（即在严格等倾干涉的基础上调成等厚干涉）。②沿逆时针方向转动粗调手轮，当观察到条纹接近直线时，移开钠黄光，用白炽灯照射干涉仪。③沿逆时针方向转动微调手轮，直至观察到彩色条纹。

3 注意事项

基于上述步骤，我们能较快地调节出干涉条纹，但因迈克尔逊干涉仪是非常精密的光学仪器，微小的震动便会影响实验的进行和实验精度。因此，在实验操作中要注意以下5点细节：①调节螺钉和转动手轮时，一定要轻、慢，严禁强扭、硬扳。②调整反射镜背后的粗调螺钉时，要把微调螺钉调至中间位置，以便能在两个方向上微调。③在转动手轮时，只能缓慢地沿一个方向前进，避免引起较大的空转误差。④在转动手轮时，眼睛要一直看着活动镜的方向，当活动镜M2移至33 cm左右时，微调手轮的旋转一定要非常缓慢，这是因为白光干涉的条纹只有几条，旋转太快会难以观察。⑤记录数据时，不应有咳嗽和走动等附加动作，以免影响测量精度。

参考文献

[1]曾伦武.大学物理实验[M].南京：河海大学出版社，2010.

〔编辑：张思楠〕

摘 要：目前，已多次进行了与迈克尔逊干涉仪有关的实验，但其调节过程仍旧非常烦琐。分别介绍了以激光、钠光和白光作为光源时干涉条纹的手动调节方法。

关键词：迈克尔逊干涉仪；调节技巧；测量精度；凸透镜

中图分类号：TH744.3 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）22-0013-02

迈克尔逊干涉仪是l881年美国物理学家迈克尔逊（A.A.Michelson）为研究“以太漂移”实验而设计制造的精密光学仪器，它可准确地测定微小长度、光的波长、透明体的折射率等。由于在“精密光学仪器和用这些仪器进行光谱学的基本量度”等方面的贡献，迈克尔逊于1907年获得诺贝尔物理学奖。迈克尔逊干涉仪设计巧妙、构思精巧、测量精度高，堪称光学仪器中的经典之作，许多大学的物理实验室都开有与之相关的实验，但其调节十分困难，耗时过长，这是一直困扰着大学生和指导老师的问题。笔者在对该仪器反复使用、调节的基础上，探索了一套简便易行、行之有效的方法，为快速、有效地调节干涉条纹提供了一条便利途径。

1 构造原理

如图1所示，M1和M2是2块精密磨光的平面反射镜，G1和G2是2块厚度和折射率都完全相同的平行玻璃板，与M1和M2均呈45°角。G1的一个表面镀有半反射、半透射膜，G1称为分光板，G2称为补偿板。当光照射在G1上时，光会在半透半反射膜上分成相互垂直的2束光，反射光①照射到M2时，经M2反射后，透过G1射向观察处E；透射光②照射到M1时，经M1反射后透过G2，在G1的半透膜上反射后射向观察处E。这种装置可使1束光分成相互垂直的2束相干光，这是迈克尔逊干涉仪的主要优点之一。从E处向G1看时，除直接看到M2 镜外，还可通过半透半反射膜看到M1的像M1′，M1和M2镜引起的干涉与M1′和M2′引起的干涉等效，M1′和M2形成了空气“薄膜”。因M1′不是实物，所以可方便地改变薄膜的厚度（即M1′与M2的距离），甚至可以使M1′与M2重叠或相交。在某一镜面前，还可根据需要放置其他被研究的物体，这些都为其广泛地应用提供了便利。

2 手动调节技巧

2.1 He-Ne激光的干涉条纹调节

迈克尔逊干涉仪实验的本质是光的叠加。如果要想观察干涉条纹，就要使从M1和M2反射回来的光线完全重合。因此，只要在M1与M2严格垂直的基础上，使光线垂直照射M1，即可在光屏上看到明暗相间的圆形条纹，如图2所示。

图1 迈克尔逊干涉仪的构造原理 图2 圆形条纹

调节的关键在于“直”和“准”。“直”即要使M1与M2在光路中保持垂直；“准”即要保持45?角（仪器在出厂时已经安装好，不需调节）。

具体的调节方法有以下4步：①转动粗调手轮，使M2移到35～45 cm处，调节M1背面的3个螺钉（一般不调节M2），使其处于可调状态。②打开激光，使其垂直照射于M1，并使从M1反射回来的光线与入射光线重合，即反射光回到激光管。③在光屏上出现2排6个亮点后，调节M1背面的3个螺钉，使6个亮点中最亮的2个完全重合，此时可在最亮点两侧隐约看到几条细条纹。④在激光管和分光板之间加设1块凸透镜，调节凸透镜的高度，使激光从凸透镜中透过，并使透射光落在分光板上，观察光屏，即可看到干涉条纹。

2.2 钠黄光等倾干涉条纹的调节

迈克尔逊干涉仪可用来测量钠黄光的波长、波长差和相干长度。钠光干涉条纹的调节比激光干涉更加复杂，具体调节技巧有以下4步：①在观察He-Ne激光干涉条纹的基础上，将激光换成钠光灯，撤去凸透镜，在钠光光源与分光板之间加设1块毛玻璃或1张手巾纸，从而使光源散射。②逆时针方向旋转微调手轮，可观察到周期性出现和消失的钠黄光干涉条纹。③调节M1背面的3个螺钉和拉簧螺丝，将圆环中心移到视场中心。④再次调节垂直和水平拉簧螺丝，使圆环中心不随视觉的移动而出现“涌出”或“吞入”现象。此时，干涉条纹即为严格等倾干涉，即M1和M2严格垂直。

2.3 白光干涉条纹的调节

白光的干涉现象不同于激光和钠黄光，使用白光光源时，只有在薄膜厚度为0（a=0）的附近的M1′与M2交线处观察到干涉条纹，即彩色直条纹。白光的干涉可在钠黄光严格等倾干涉的基础上调节，调节方法有以下3步：①在严格等倾的基础上，调节水平拉簧螺丝，将干涉环中心移到视场边缘，视场中剩下半个圆环（即在严格等倾干涉的基础上调成等厚干涉）。②沿逆时针方向转动粗调手轮，当观察到条纹接近直线时，移开钠黄光，用白炽灯照射干涉仪。③沿逆时针方向转动微调手轮，直至观察到彩色条纹。

3 注意事项

基于上述步骤，我们能较快地调节出干涉条纹，但因迈克尔逊干涉仪是非常精密的光学仪器，微小的震动便会影响实验的进行和实验精度。因此，在实验操作中要注意以下5点细节：①调节螺钉和转动手轮时，一定要轻、慢，严禁强扭、硬扳。②调整反射镜背后的粗调螺钉时，要把微调螺钉调至中间位置，以便能在两个方向上微调。③在转动手轮时，只能缓慢地沿一个方向前进，避免引起较大的空转误差。④在转动手轮时，眼睛要一直看着活动镜的方向，当活动镜M2移至33 cm左右时，微调手轮的旋转一定要非常缓慢，这是因为白光干涉的条纹只有几条，旋转太快会难以观察。⑤记录数据时，不应有咳嗽和走动等附加动作，以免影响测量精度。

参考文献

[1]曾伦武.大学物理实验[M].南京：河海大学出版社，2010.

〔编辑：张思楠〕

摘 要：目前，已多次进行了与迈克尔逊干涉仪有关的实验，但其调节过程仍旧非常烦琐。分别介绍了以激光、钠光和白光作为光源时干涉条纹的手动调节方法。

关键词：迈克尔逊干涉仪；调节技巧；测量精度；凸透镜

中图分类号：TH744.3 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）22-0013-02

迈克尔逊干涉仪是l881年美国物理学家迈克尔逊（A.A.Michelson）为研究“以太漂移”实验而设计制造的精密光学仪器，它可准确地测定微小长度、光的波长、透明体的折射率等。由于在“精密光学仪器和用这些仪器进行光谱学的基本量度”等方面的贡献，迈克尔逊于1907年获得诺贝尔物理学奖。迈克尔逊干涉仪设计巧妙、构思精巧、测量精度高，堪称光学仪器中的经典之作，许多大学的物理实验室都开有与之相关的实验，但其调节十分困难，耗时过长，这是一直困扰着大学生和指导老师的问题。笔者在对该仪器反复使用、调节的基础上，探索了一套简便易行、行之有效的方法，为快速、有效地调节干涉条纹提供了一条便利途径。

1 构造原理

如图1所示，M1和M2是2块精密磨光的平面反射镜，G1和G2是2块厚度和折射率都完全相同的平行玻璃板，与M1和M2均呈45°角。G1的一个表面镀有半反射、半透射膜，G1称为分光板，G2称为补偿板。当光照射在G1上时，光会在半透半反射膜上分成相互垂直的2束光，反射光①照射到M2时，经M2反射后，透过G1射向观察处E；透射光②照射到M1时，经M1反射后透过G2，在G1的半透膜上反射后射向观察处E。这种装置可使1束光分成相互垂直的2束相干光，这是迈克尔逊干涉仪的主要优点之一。从E处向G1看时，除直接看到M2 镜外，还可通过半透半反射膜看到M1的像M1′，M1和M2镜引起的干涉与M1′和M2′引起的干涉等效，M1′和M2形成了空气“薄膜”。因M1′不是实物，所以可方便地改变薄膜的厚度（即M1′与M2的距离），甚至可以使M1′与M2重叠或相交。在某一镜面前，还可根据需要放置其他被研究的物体，这些都为其广泛地应用提供了便利。

2 手动调节技巧

2.1 He-Ne激光的干涉条纹调节

迈克尔逊干涉仪实验的本质是光的叠加。如果要想观察干涉条纹，就要使从M1和M2反射回来的光线完全重合。因此，只要在M1与M2严格垂直的基础上，使光线垂直照射M1，即可在光屏上看到明暗相间的圆形条纹，如图2所示。

图1 迈克尔逊干涉仪的构造原理 图2 圆形条纹

调节的关键在于“直”和“准”。“直”即要使M1与M2在光路中保持垂直；“准”即要保持45?角（仪器在出厂时已经安装好，不需调节）。

具体的调节方法有以下4步：①转动粗调手轮，使M2移到35～45 cm处，调节M1背面的3个螺钉（一般不调节M2），使其处于可调状态。②打开激光，使其垂直照射于M1，并使从M1反射回来的光线与入射光线重合，即反射光回到激光管。③在光屏上出现2排6个亮点后，调节M1背面的3个螺钉，使6个亮点中最亮的2个完全重合，此时可在最亮点两侧隐约看到几条细条纹。④在激光管和分光板之间加设1块凸透镜，调节凸透镜的高度，使激光从凸透镜中透过，并使透射光落在分光板上，观察光屏，即可看到干涉条纹。

2.2 钠黄光等倾干涉条纹的调节

迈克尔逊干涉仪可用来测量钠黄光的波长、波长差和相干长度。钠光干涉条纹的调节比激光干涉更加复杂，具体调节技巧有以下4步：①在观察He-Ne激光干涉条纹的基础上，将激光换成钠光灯，撤去凸透镜，在钠光光源与分光板之间加设1块毛玻璃或1张手巾纸，从而使光源散射。②逆时针方向旋转微调手轮，可观察到周期性出现和消失的钠黄光干涉条纹。③调节M1背面的3个螺钉和拉簧螺丝，将圆环中心移到视场中心。④再次调节垂直和水平拉簧螺丝，使圆环中心不随视觉的移动而出现“涌出”或“吞入”现象。此时，干涉条纹即为严格等倾干涉，即M1和M2严格垂直。

2.3 白光干涉条纹的调节

白光的干涉现象不同于激光和钠黄光，使用白光光源时，只有在薄膜厚度为0（a=0）的附近的M1′与M2交线处观察到干涉条纹，即彩色直条纹。白光的干涉可在钠黄光严格等倾干涉的基础上调节，调节方法有以下3步：①在严格等倾的基础上，调节水平拉簧螺丝，将干涉环中心移到视场边缘，视场中剩下半个圆环（即在严格等倾干涉的基础上调成等厚干涉）。②沿逆时针方向转动粗调手轮，当观察到条纹接近直线时，移开钠黄光，用白炽灯照射干涉仪。③沿逆时针方向转动微调手轮，直至观察到彩色条纹。

3 注意事项

基于上述步骤，我们能较快地调节出干涉条纹，但因迈克尔逊干涉仪是非常精密的光学仪器，微小的震动便会影响实验的进行和实验精度。因此，在实验操作中要注意以下5点细节：①调节螺钉和转动手轮时，一定要轻、慢，严禁强扭、硬扳。②调整反射镜背后的粗调螺钉时，要把微调螺钉调至中间位置，以便能在两个方向上微调。③在转动手轮时，只能缓慢地沿一个方向前进，避免引起较大的空转误差。④在转动手轮时，眼睛要一直看着活动镜的方向，当活动镜M2移至33 cm左右时，微调手轮的旋转一定要非常缓慢，这是因为白光干涉的条纹只有几条，旋转太快会难以观察。⑤记录数据时，不应有咳嗽和走动等附加动作，以免影响测量精度。

参考文献

[1]曾伦武.大学物理实验[M].南京：河海大学出版社，2010.

〔编辑：张思楠〕