迈克耳孙干涉仪圆心位置微调系统的设计

梁小冲，穆万军，汪仕元,朱　俊，郝彦军，于白茹，李　伟，李紫源，饶大庆，邹旭敏

(四川大学 物理科学与技术学院，四川 成都 610064)



迈克耳孙干涉仪圆心位置微调系统的设计

梁小冲，穆万军，汪仕元,朱俊，郝彦军，于白茹，李伟，李紫源，饶大庆，邹旭敏

(四川大学 物理科学与技术学院，四川 成都 610064)

摘要：迈克耳孙干涉实验中干涉图像的圆心不易调节并且容易损坏仪器，为此设计了限位拉杆调节螺钉装置与磁力调心装置，改良后的实验装置可以使操作者快速、准确地调节好干涉图像的圆心位置.

关键词：迈克耳孙干涉；干涉图像；限位；磁力调心；圆心位置

1问题的提出

图1为迈克耳孙干涉仪[1]结构图，“反射镜1”是可动反射镜，“反射镜2”是固定反射镜，“反射镜调节螺钉”可以调节2个反射镜面的反射光斑重合，也可粗调干涉图像圆心的位置，“垂直拉杆调节螺钉”和“水平拉杆调节螺钉”主要都由拉杆螺套和内螺杆组成，其作用是微调干涉图像圆心的位置. 在迈克耳孙干涉实验过程中，学生们常常在调节干涉图像的圆心位置时感到很困难. 当用反射镜调节螺钉来调节圆心位置时，因为粗调螺钉的微小转动都会使螺钉的轴向进退量较大，使反射镜面的方位变化较大，从而使来自固定反射镜和可动反射镜这2个反射镜面的光斑不再重合，进而导致干涉图像消失；在用拉杆调节螺钉微调圆心位置时，经常是拉杆调节螺钉的螺套旋转到极限位置了还没有把圆心调节到观察屏的中部，特别是螺套向外旋转到极限位置后，螺套就会掉下，固定反射镜面的方位就会发生较大变化，同样会导致干涉图像消失. 更为糟糕的是拉杆调节螺钉的螺套还不能徒手恢复到合理的位置，必须要借助手钳或螺丝刀之类的工具，这不仅给学生的正常实验带来困难，还给仪器的维护、管理人员增加了大量的额外工作. 为防止拉杆调节螺钉的螺套向外旋出掉落，现有迈克耳孙干涉仪在拉杆调节螺钉的内螺杆上设置了限位钉，但是仍然经常出现拉杆调节螺钉的螺套拧掉的情况. 经仔细观察发现，其原因是内螺杆已到极限位置，操作者仍在旋转拉杆调节螺钉的螺套，螺套和内螺杆的细牙螺纹间出现了打滑现象，因为这种打滑的阻力很小，手感不明显，打滑错位的响声也很小，不容易引起操作者的注意. 由此可见，现有迈克耳孙干涉图像圆心位置的微调系统应该进行必要的改进，以便学生更好的完成实验.

图1　迈克耳孙干涉仪结构图

2对迈克耳孙干涉图像圆心位置微调系统的改进

2.1　对迈克耳孙干涉仪拉杆调节螺钉系统的可靠限位

图2(a)是迈克耳孙干涉仪限位拉杆调节螺钉装置[2]示意图，图2(b)是拉杆调节螺钉的结构示意图. 在迈克耳孙干涉仪的固定反射镜横杆4的左侧固定拉杆调节螺钉座2，下方固定拉杆调节螺钉座5，拉杆调节螺钉1拧入拉杆调节螺钉座2的螺纹孔中，将弹簧3压缩在固定反射镜横杆4的左侧，拉杆调节螺钉1的外侧设置了限位槽9，在限位槽9的中间加工了1条中位线8，当中位线8处于拉杆调节螺钉座2的螺纹口位置时，弹簧3有一定压缩量，固定反射镜横杆4向右有一定的弯曲量，拉杆调节螺钉可在螺纹孔中进退，通过弹簧使固定反射镜横杆的弯曲量产生变化，从而起到干涉图像圆心位置在水平方向上的微调，同时在拉杆调节螺钉座2上伸出1根限位杆7，限位杆7插入拉杆调节螺钉1的限位槽9中，可以防止拉杆调节螺钉旋出掉落，旋进则有拉杆调节螺钉座的端面限位，这样一来，拉杆调节螺钉的前后限位准确牢固，彻底消除了拉杆调节螺钉旋出掉下的问题，这就能保证学生的正常实验，同时减少了仪器维护的工作量.

(a)迈克耳孙干涉仪限位拉杆调节螺钉装置

(b)拉杆调节螺钉的结构示意图1.拉杆调节螺钉　2.拉杆调节螺钉座　3.弹簧　4.固定反射镜横杆　5.拉杆调节螺钉座　6.螺杆座7.限位杆　8.中位线　9.限位槽图2　实验装置结构示意图

虽然迈克耳孙干涉仪限位拉杆调节螺钉在调节圆心位置的时限位准确牢固，但是调节量还是有限，经常是有限位槽的拉杆调节螺钉已经旋转到极限，干涉圆环的圆心还没有出现在观察屏中部.

2.2　迈克耳孙干涉仪磁力调心装置

为了解决现有迈克耳孙干涉仪限位拉杆调节螺钉调节圆心位置的调节量非常有限的问题，设计了迈克耳孙干涉磁力调心装置，如图3所示.

1.动磁块座　2.动磁块　3.静磁块　4.静磁块座　5.螺杆　6.固定反射镜横杆　7.平衡线　8.螺杆座图3　迈克耳孙干涉仪磁力调心装置

螺杆座8固定在迈克耳孙干涉仪机身上，动磁块2固定在动磁块座1上，动磁块座1固定在螺杆5上，螺杆5连接在螺杆座8的螺纹孔中，静磁块3固定在静磁块座4上，静磁块座4固定在固定反射镜横杆6上，平衡线7标注在螺杆座8上，竖直方向上的结构和水平方向的相同.

迈克耳孙干涉磁力调心装置主要由磁块和调节螺钉组成，静磁块固定在迈克耳孙干涉仪的固定反射镜横杆上，动磁块固定在调节螺钉上，在水平和竖直方向上各有1组动、静磁块，每组磁块的同极相对，动静磁块之间产生斥力，在动静磁块之间画1条平衡线，实验开始时，调节动磁块的外露端面到平衡线位置，此时动静磁块间的斥力使固定反射镜横杆产生适量弯曲，在需要调节等倾干涉圆心位置时，只要调节动、静磁块之间间隙大小即可，间隙变小，斥力增大，间隙变大，斥力减小，固定反射镜横杆的弯曲程度随着斥力大小变化，带动固定反射镜面摆动，起到干涉圆心位置的调节作用. 实验结束后，调节动静磁块间距离最大，使固定反射镜横杆的弯曲程度最小.

迈克耳孙等倾干涉磁力调心装置的优点是调心范围大小可以由操作者决定，开始时动磁块超过平衡线使动静磁块间距小，调心范围就大，反之就小，克服了现有拉杆调节螺钉调节范围小的缺点，特别是避免了丧失调心作用和导致干涉图像消失的危险.

3实验现象和结果

在调节干涉图像圆心位置的过程中，迈克耳孙干涉仪限位拉杆调节螺钉装置牢固地限制拉杆调节螺钉的后退极限位置，保证拉杆调节螺钉不会被拧掉. 但它的调节范围有限，有时不能完全依靠拉杆调节螺钉把圆心调节到观察屏的中部.

迈克耳孙干涉仪磁力调心装置可以准确、灵敏地把迈克耳孙干涉圆心调节到观察屏的中部. 其调节范围也可以改变，在实验开始前把迈克耳孙干涉仪磁力调心装置的调节范围加大，即让动磁块越过平衡线，离静磁块的距离更小，动静磁块之间的斥力更大，平面反射镜下横杆的弯曲变形量更大，这样就可以使干涉图像的圆心位置的调节范围更大，从而保证学生能顺利进行迈克耳孙干涉实验.

4结论

迈克耳孙干涉仪限位拉杆调节螺钉装置可以牢固地限制拉杆调节螺钉的进退极限位置，调节螺钉不会拧掉，不再给仪器维护带来大量的额外工作量. 利用迈克耳孙干涉仪磁力调心装置可以准确、灵敏地把迈克耳孙干涉图像的圆心调节到观察屏的中部.

参考文献：

[1]王植恒, 何原,朱俊. 大学物理实验[M]. 北京：高等教育出版社,2008：93-98.

[2]汪仕元，雍志华，王姝. 迈克耳孙干涉图像限位螺杆调心装置 [P]. 中国, ZL 201220073345.6. 2012.12.05.

[3]汪仕元,邵鑫,夏莹. 迈克耳孙等倾干涉磁力调心装置 [P]. 中国, CN202903131U.[P].2013.4.24.

[4]吕洪方,谭小平. 迈克耳逊干涉微小尺度测量系统的研究[J]. 江汉大学学报,2012,40(1):41-43.

[5]刘建静. 迈克耳逊干涉仪测波长常见问题的分析实验科学与技术[J]. 实验科学与技术,2012,40(1):41-43.

[6]肖文波,何兴道,朱泉水,等. 利用迈克尔逊干涉仪测量激光波长的误差分析[J]. 实验室科学,2010,13(5):86-87.

[7]肖文波,何兴道,朱泉水,等. 利用迈克尔逊干涉仪测量激光波长的误差分析[J]. 实验室科学,2010,13(5):86-87.

[责任编辑：郭伟]

Design of a micro-tensioning system for adjusting image center in Michelson interferometer

LIANG Xiao-chong, MU Wan-jun, WANG Shi-yuan, ZHU Jun,HAO Yan-jun, YU Bai-ru, LI Wei, LI Zi-yuan, RAO Da-qing, ZOU Xu-min

(College of Physical Science and Technology, Sichuan University, Chengdu 610064, China)

Abstract:To overcome the difficulty of image center adjustment and to avoid destroying the apparatus, a micro-tensioning system for adjusting the image center in Michelson interferometer was designed. The design principle and structure chart of the position-limiting rod adjustment screw and the magnetic alignment device were introduced. The center position of the interference was adjusted fast and accurately by the improved experiment device.

Key words:Michelson interference; interference image; limited position; magnetic alignment; center position

中图分类号：TH744.3

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2015)01-0027-03

作者简介：梁小冲(1986-)，男，辽宁鞍山人，四川大学物理科学与技术学院实验师，硕士，从事大学物理实验教学.通讯作者：穆万军(1963-)，男，四川成都人，四川大学物理科学与技术学院讲师，博士，从事大学物理实验研究工作.

收稿日期：2014-06-25；修改日期：2014-09-01

“第8届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文

资助项目：四川大学新世纪教改项目六期(No.SCUY044)