利用迈克尔逊干涉仪测量激光波长的误差分析

发布时间: 2020-06-24 19:49 标签：尔逊迈克干涉仪波长误差

ISSN1672-4305CN12-1352/N

实验室科学LABORATORY SCIENCE第13卷第5期 2010年10月

Vol 13 No 5 Oct 2010

实验研究

利用迈克尔逊干涉仪测量激光波长的误差分析

肖文波,何兴道,朱泉水,王庆,陈学岗

(南昌航空大学大学物理国家级实验教学示范中心,江西南昌 330063)

摘要:文章主要对大学物理实验迈克尔逊干涉仪测量激光波长的误差进行了分析,认为影响系统测量精度的主要误差来源包括干涉条纹的过细导致在读数过程中加入多条条纹的宽度而产生的误差,读数的误差和移动条纹过程引入误差,以及两个反射镜不严格垂直引入误差;并给出了详细的物理解释。关键词:迈克尔逊干涉仪;激光波长;误差分析

中图分类号:TH-3 文献标识码:A do:i10.3969/.jissn.1672-4305.2010.05.028

Erroranalysisofthemeasurementoflaserwavelength

byusingMichelsoninterferometer

XIAOWen-bo,HEXing-dao,ZHUQuan-shu,iWANGQin,CHENXue-gang

(NationalPhysicsExperimentTeachingCenter,NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China)Abstract:

Inthispaper,variouserrorsinthephysicsexperimentofmeasuringlaserwavelengthbyu

singMichelsoninterferometerareanalyzed.Thesystem smainerrorsourcesincludemorestripesaddedinreadingdataduetointerferencefringesmeticulous,readingerror,errorintheprocessofmovingstripesanderrorswhentwomirrorsarenotstrictlyvertica.lThen,thedetailedphysicalexplanationsaregiven.

Keywords:Michelsoninterferometer;laserwavelength;erroranalysis 迈克尔逊干涉仪是一种典型的用分振幅法产生双光束以实现干涉的精密光学仪器。它可用来测量长度长

[4]

[1]

殊迈克尔逊干涉仪故障进行了讨论、分别是分光镜反转180度放置,分光镜与补偿镜变换了位置、固定反射镜镜面反转180度放置。有些人

[10]

、线胀系数

[2]

、火焰温度场的测定

[3]

、激光波分析了迈

等。因此,大多数高校的普通物理实验开设了克尔逊干涉仪由于激光波长的变化对测量误差的影响,并推导了其中光程差的通用公式。但是以上研究未结合实验原理解释产生误差现象,并给出具体

的解决方法。文中主要从干涉原理和实验现象入手,分析迈克尔逊干涉仪测量激光波长的误差,并给出具体解决方法。

该实验。但是由于学生对实验现象的不理解导致误操作而在实验中常出现一些异常现象,成为了实验学习的难点。针对此问题,许多物理实验工作者从干涉基本概念和迈克尔逊干涉仪的结构以及改进方法对实验进行了详细的讨论与研究

有些学者

[8]

[5-7]

。

[9]

分析了分光板与补偿板不严格平

对三种特

行等问题,以及相应的处理方法。有人

1 实验原理

实验原理如图1(a)所示。G1和G2是两块平行放置的平行平面玻璃板,它们的折射率和厚度都完全相同。G1的背面镀有半反射膜,称作分光板;2M1和M2,基金项目:国家级实验教学示范中心建设项目(2009);江

西省教育厅赣教技字[2007]179号资助;博士

肖文波,等:利用迈克尔逊干涉仪测量激光波长的误差分析

装在与G1成45 角的彼此互相垂直的两臂上。M2固定不动,M1可沿臂轴方向前后平移。激光从光源处射出,进入G1分光板,经过G1分光板半反射膜分束,光线分为两束;第一束光反射后垂直射向M1反射镜,然后反射进入G1板的半反射膜;第二束光透射G1分光板后,穿过补偿板G2,然后垂直射入M2反射,反射光也进入G1板的半反射膜。实际上,自M1和M2上的反射相当于自距离为d的M1和M2 上的反射,其中M2 是反射镜M2所成的虚像。M1与M2 之间形成的是一个空气薄膜。调M2后面的螺丝,使两组光斑最亮的亮点对齐于视场中心,形成等倾干涉。两束光形成一系列同心圆干涉条纹如图1(b)。转动迈克尔逊干涉仪粗手轮,找出条纹由!吞∀变!吐∀的区域,让读数窗口基准线对准某一刻度,使读数窗中的刻度轮与微调手轮的刻度轮相互配合,读出初始位置d1。转动微调手轮直到N条干涉条纹涌出或陷入时记下位置数据d2。根据公式: =2 d/N就可以计算出波长;其中 d=d2-d1

。

%粗调大手轮读数,由窗口刻度读出;

&细调鼓轮读数,由细调鼓轮旁刻度读出,需要

估读一位。

每次正式读初始位置数前,仪器刻度要较准零点,以及保证粗调大手轮转动时细调鼓轮不应相应转动。移动条纹过程中应保证细调手轮的单向调节,中途细调鼓轮不能反转,避免回程误差。

(3)两个反射镜不严格垂直引入误差

干涉条纹的正确判断关系到实验数据的精确度,严格的等倾干涉要求移动反射镜镜面M1和虚反射镜镜面M2#严格平行;当不是平行的时候,形成的干涉条纹就不是等倾干涉,而是等厚干涉,而且不是同心圆环。当不是等倾干涉条纹的时候,运用以上公式计算的时候就会对波长产生误差。

3 结束语

迈克尔逊干涉仪是比较精密的光学仪器,在调节实验中,要了解它的光学原理,且边调节边观察。通过以上误差分析,明确了迈克尔逊干涉仪的调节过程,减少了操作盲目性;只有根据其原理而科学、准确的操作,才能准确测出相应的物理量。参考文献(References):

[1] 姜坤,朱若谷.用迈克尔逊干涉仪测微定位工作台的位移

[J].中国计量学院学报,2006,17(4):281-283.

[2] 周菊林.用光的干涉和衍射测量金属的线胀系数[J].大学物

理实验,2009,22(3):45-47.

[3] 温学达,刘钊,周惠君,等.利用迈克耳孙干涉仪重建蜡烛火

焰温度场[J].物理实验,2007,27(6):44-47.

[4] 龚勇清,易江林,陈学岗,等.大学物理实验[M].北京:科学

出版社,2007:123-132.

[5] 李雅丽,施建珍,袁莉,等.多个等倾干涉条纹同时形成的理

论与实验研究[J].物理与工程,2007,17(4):29-32.[6] 李绍劲,薛保平,武银兰,等.对光干涉和迈克尔逊干涉实验的

几点认识[J].实验室科学,2005(1):51-53.

[7] 赵忠伟,陈鹏,孙中涛,等.迈克尔逊干涉环自动计数装置设计

[J].光电技术应用,2009,24(6):36-50.

[8] 李登峰,祖小涛,郭瑞红.迈克尔逊实验中问题的分析[J].

实验科学与技术,2007,5(1):84-85.

[9] 樊俊义,张丽珠.迈克尔逊干涉仪调节中的故障处理[J].实

验室科学,2008(4):141.

[10] 刘路,周苒.迈克尔孙干涉仪定域干涉光程差和波长的讨论

[J].四川教育学院学报,2007,23(5):111-112.

图1 实验原理图(a)和等倾干涉条纹(b)

2 实验误差分析

影响系统测量精度的主要误差来源包括干涉条纹的过细导致在读数过程中加入多条条纹的宽度而

产生的误差,读数的误差和移动条纹过程引入误差,以及两个反射镜不严格垂直引入误差。

(1)干涉条纹过细,直接影响读数的精确性主要原因是由于迈克尔逊干涉仪中,平面镜M1

和M2#间形成的空气薄膜厚度d过大,形成的干涉条纹过密。因此,应调节粗调大手轮使条纹间距离适当靠近,这样就容易计条纹变化时的个数。

(2)读数的误差和移动条纹过程误差

迈克尔逊干涉仪中读数由三部分组成:∃标尺读数;

收稿日期:2010-08-09

作者简介:肖文波(1975-),男,江西南昌人,博士,讲师,主

要研究方向为大学物理教学工作以及半导体光电检测研究工作。

利用迈克尔逊干涉仪测量激光波长的误差分析

相关内容