利用迈克尔逊干涉仪验证光拍原理

程方昊 贾冰 张婕

1.齐鲁理工学院计算科学与信息工程学院山东济南250200;2.齐鲁理工学院土木工程学院山东济南250200

摘要：当两列同向传播的简谐波满足速度相同，频率相近的条件时，在相遇的地方，叠加形成拍。光具有波粒二相性，光拍是光波动性的一种体现，本文创新性地利用迈克尔逊干涉仪验证了光拍原理。

关键词：震动叠加;迈克尔逊干涉仪;光拍

两束振幅相等、频率较大且相差较小的同向机械波可进行合成产生拍现象，具体表现为振动的忽强忽弱。光作为一种高频波，理论上也能产生这种现象。普通光源发出的光波，初相位的无规则且变化迅速，实验过程中，如何使普通光源产出的光波也满足恒定相位差的条件，是产生光拍现象的关键。为使相位差恒定，将光波分解成两列或几列，通过各种方式，改变各分光束走过的路程，然后相遇。这样，尽管原始光波间的初相位变化迅速，但分光束之间仍然有恒定的相位差，满足干涉叠加的条件。基于以上原因，选择迈克尔逊干涉仪作为基本实验仪器验证光拍原理的可能性。

1 实验验证

钠光中包含二条主谱线，中心波长分别为λ1=589.6nm，λ2=589.0nm，波长差很小。试验中，近似认为两条谱线无限窄，则钠光中只有λ1、λ2两个波长，满足干涉条件。则干涉条纹强度将出现周期性变化的“拍”现象。

1.1 实验原理

在試验中，通过分光板将波列分别射向M1和M2，经反射后波列在E处相遇。根据干涉叠加原理，当两列同向传播的简谐波满足速度相同，频率相近的条件时，在相遇的地方可能重叠，这时能够产生干涉。但是，如果两光路的光程差太大，两波列将不再重叠，这时就不能发生干涉。将两个分光束产生干涉效应的最大光程差，称为该光源所发射的该单色光波的相干长度。

对钠黄光，它是由589.0nm和589.6nm的双线组成，波长差为0.6nm。在试验中，将会产生两套干涉条纹，相互叠加。则在干涉场中的强度分布由两组干涉条纹共同决定，两者非相干叠加，干涉条纹的视见度会随着光程差的改变作周期性变化。

1.2 实验步骤

实验步骤简述：

（1）摆放好所有实验仪器后，先利用氦氖激光器调节干涉仪，使之能产生等倾干涉条纹。

（2）更换钠光灯，通过调节螺旋测微计鼓轮，减小M1和M2′之间的距离d，根据中心条纹“收缩”到“舒张”的瞬间，确定M1和M2′重合（d=0）时位置。

（3）随后继续按原方向转动鼓轮，并利用机器视觉系统上采集并观察干涉条纹变化规律。

（4）记录各次视见度最低时M2的位置读数，进行数据处理及分析。

1.3 实验现象

发现随着动镜M2的移动，干涉条纹发生周期性的变化，由最清晰逐渐变得模糊至看不到条纹，再出现模糊条纹至清晰。但随着d的增加，各周期内最清晰条纹的可见度逐渐降低，产生可见度为零的区间范围逐渐增大。

1.4 数据处理及分析

应用左右趋近法测量以确定条纹视见度最差时的位置。测量干涉条纹视见度最差位置时，由于Δ.很小且人眼分辨力有限，所以观察到在很大一个范围内条纹视见度都很差，也就是说，干涉条纹模糊区域很宽，确定能见度最差的位置存在很大的不准确性。因此，考虑应用左右趋近法测量数据，减小随机误差，最终得钠黄双线的波长差约为0.59921nm。

1.5 实验结论

该实验精确地测量出钠黄双线的波长差，验证了光拍原理的合理性，为应用此原理检测滤光片奠定了基础。

2 结语

利用钠光作为光源，它是由589.0nm和589.6nm的双线组成，得到的等倾干涉圆条纹也是两种干涉图样的叠加，随着光程差的改变，干涉图样的清晰度发生了变化。利用迈克尔逊干涉仪可以得到连续变化的光程差，由此观察到条纹的视见度产生周期性的变化，这就是“光拍”现象。

参考文献：

[1]钱惠国.再议滤光片光谱透过率的测量.大学物理实验，2007.

[2]褚圣麟.原子物理学[M].北京：高等教育出版社，1995.