分光板和补偿板对迈克尔逊干涉仪的影响【字数：9346】
在通常的使用迈克尔逊干涉仪的光学实验中，仪器的测量常会受到分光板和补偿板间各种缺陷的影响，这些缺陷或者不足将最终导致实验结果产生各种各样的偏差，并增大实验的操作难度。针对迈克尔逊干涉仪的分光板和补偿板间存在的一些问题，本毕业设计将对干扰迈克尔逊干涉仪使用的部分因素展开研究。首先，我们对迈克尔逊干涉仪中分光板和补偿板对实验结果的影响进行定量测定，分别检测出其对实验误差的影响，然后根据实验的测量结果，对迈克尔逊干涉仪做适当的调试和改进，在降低实验操作难度的基础上，减小了测量误差。最后对改进后的仪器做测试，并与普通迈克尔逊干涉仪进行比较。
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究的背景和意义 1
1.2 迈克尔逊干涉仪的基础实验原理 2
1.3 分光板和补偿板对于迈克尔逊干涉仪的作用 4
第二章 迈克尔逊干涉仪分光板补偿板工作原理 5
2.1 迈克尔逊干涉仪实验 5
2.1.1 实验原理 5
2.1.2实验操作 7
2.1.3实验注意事项 8
2.2 分光板的工作原理及棱镜调整 9
2.2.1分光板的工作原理 9
2.2.2直角棱镜矫正装置的安装 10
第三章 迈克尔逊干涉仪的分光镜矫正及移去补偿板影响 11
3.1 引言 11
3.2 分光板的矫正补充 12
（1） 调节直角棱镜折射面与望远镜1的光轴相垂直 12
（2） 调节望远镜2和第二折射面 12
（3） 调节第二反射镜垂直于第二望远镜的光轴 13
（4） 调整和矫正分光板 13
3.3 迈克尔逊干涉仪移去补偿板的异常研究 14
3.3.1 在移去补偿板后的反射镜移动的异常现象 14
3.3.2实验的理论分析 15
3.3.3讨论与结果 16
3.4 补偿板折射率的测定 17
3.4.1 实验内容与方法 17
3.4.2 实验数据与结果 18
第四章 总结与展望 20
参考文献 21
致 谢 23
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
绪论
研究的背景和意义
迈克尔逊干涉仪的出生，源自美国的物理学家迈克尔逊为了研究以太介质的漂移假说所制成的仪器，而目前，迈克尔逊干涉仪主要用来测量光波波长，距离的测定以及测量某些透明介质的厚度或者反射率之中。在光学理论研究、光学精密测量和光测压电材料的压电系数等方面迈克尔逊干涉仪也有广泛应用。迈克尔逊干涉仪得以广泛应用的原因在于该仪器能够利用光的干涉效应对长度进行高精度的测量，因此，若不降低迈克尔逊干涉仪测量时的误差，则许多实验的误差都无法减少。根据迈克尔逊干涉仪测量误差的不确定度分析，有人指出分光板和补偿板是造成误差的主要原因。随着光的波动学说的发展, 经典力学观点认为光波是通过以太这种介质进行传播的, 对以太的研究也随之兴盛起来, 直到 1879 至1887 年, 迈克尔逊和莫雷做了一系列极为精确的测定, 才得到明确的否定结论。
目前本人在使用迈克尔逊干涉仪进行实验的过程中，因为操作不规范、仪器老化等不同的问题，发现实验仪器上的分光板和补偿板要达到实验目的效果时，是要两者严格平行，且与导轨严格垂直的，否则就会对实验测量的结果产生巨大影响。当然，学生使用的仪器中，分光板和补偿板两板是由两者对应的铁质框架固定的，反射镜亦同理，在长久的使用后，这样的设计很难达到两板与导轨间的严格垂直或者两板与导轨成严格的45°角，更难做到两板之间的平行。在本次毕业设计中，我们通过改进方法降低了分光板和补偿板对结果的影响，以期达到更高精度的测量。我们通过文献调研、理论分析、实验设计等办法，定量研究了分光板和补偿板对实验结果的影响程度。
基础实验原理
图一中是迈克尔逊干涉仪的基础机构，而照片里显示的是迈克尔逊干涉仪实物照片，不难看出仪器由底座，导轨，光源，以及两块竖直固定的透镜及两块平面镜组成。底座上有三个用来调节底座的水平的平衡螺丝。导轨上有滑动装置，装置上固定了第一反射镜M1，通过滑动装置可以调节并记录M1的位置，而第二反射镜M2是无法移动的被固定住。第一反射镜在导轨上前后移动的同时通过传动系统与精密丝杆相连，并且可以在仪器的读书窗读出M1在导轨上移动的距离。当我们想要调整第二反射镜的高度或者水平的方位时，第二反射镜镜座上的微调螺丝可以帮我们进行微微调整。分光板位于图一中G1的位置上，补偿板位于G2的位置上，补偿板和分光板的形状、大小、折射率、厚度完全一致，唯一的区别在于，分光板后有一个半透膜而补偿板没有。当然，根据前文所述，当分光板和补偿板不严格垂直导轨会严重影响实验的结果，所以两者一定垂直于导轨。
在调整两反射镜垂直，补偿镜和分光镜相互平行的时候可以得到正常结果，让经过分光的两条光束垂直射入观测屏，能在观测屏上看到明暗相间的同心圆。当分光板和补偿板不平行时，入射光光首先会通过G1的半反射面反射到M1，经过M1反射后穿过G1到达观察屏；因为G2不平行于G1，透射光通过G2后不再是垂直射到M2上，所以M2的反射光和入射光不再平行。所以，M2的反射光在G1的反射面反射后不再平行于另一束反射光，因此，透射光形成的虚像S1’和S2’两点的连线不在垂直于观察屏，观察屏上的图像也就变成了椭圆图样。假设，S1’和S2’两点的连线和观察屏所成的角度为φ，相邻的两条干涉条纹的间距为：
因为cosφ<<1，所以?r’≥?r，故条纹间距变大，形成了椭圆图样。通过对迈克尔逊干涉仪测量的不确定度分析，可以得到，当两个平面反射镜互相垂直时，采用目测技术误差是最主要的误差，而椭圆干涉图样优势影响目测技术误差的最主要因素。
当G1和G2平行时，光路①先后3次穿过G1，光路②穿过一次G1和两次G2，所以两条光路穿过玻璃板的光程是相等的。当分光板和补偿板不平行时，经过分光板折射产生的第二光路经过补偿板后的光程会产生变化，经过反射的光路和经过补偿的光路两者的光程不相等。这种情况下等光程的公式不成立，继续使用的话结果必然有误差，因此分光板和补偿板不平行是造成实验误差的一个重要因素。
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究的背景和意义 1
1.2 迈克尔逊干涉仪的基础实验原理 2
1.3 分光板和补偿板对于迈克尔逊干涉仪的作用 4
第二章 迈克尔逊干涉仪分光板补偿板工作原理 5
2.1 迈克尔逊干涉仪实验 5
2.1.1 实验原理 5
2.1.2实验操作 7
2.1.3实验注意事项 8
2.2 分光板的工作原理及棱镜调整 9
2.2.1分光板的工作原理 9
2.2.2直角棱镜矫正装置的安装 10
第三章 迈克尔逊干涉仪的分光镜矫正及移去补偿板影响 11
3.1 引言 11
3.2 分光板的矫正补充 12
（1） 调节直角棱镜折射面与望远镜1的光轴相垂直 12
（2） 调节望远镜2和第二折射面 12
（3） 调节第二反射镜垂直于第二望远镜的光轴 13
（4） 调整和矫正分光板 13
3.3 迈克尔逊干涉仪移去补偿板的异常研究 14
3.3.1 在移去补偿板后的反射镜移动的异常现象 14
3.3.2实验的理论分析 15
3.3.3讨论与结果 16
3.4 补偿板折射率的测定 17
3.4.1 实验内容与方法 17
3.4.2 实验数据与结果 18
第四章 总结与展望 20
参考文献 21
致 谢 23
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
绪论
研究的背景和意义
迈克尔逊干涉仪的出生，源自美国的物理学家迈克尔逊为了研究以太介质的漂移假说所制成的仪器，而目前，迈克尔逊干涉仪主要用来测量光波波长，距离的测定以及测量某些透明介质的厚度或者反射率之中。在光学理论研究、光学精密测量和光测压电材料的压电系数等方面迈克尔逊干涉仪也有广泛应用。迈克尔逊干涉仪得以广泛应用的原因在于该仪器能够利用光的干涉效应对长度进行高精度的测量，因此，若不降低迈克尔逊干涉仪测量时的误差，则许多实验的误差都无法减少。根据迈克尔逊干涉仪测量误差的不确定度分析，有人指出分光板和补偿板是造成误差的主要原因。随着光的波动学说的发展, 经典力学观点认为光波是通过以太这种介质进行传播的, 对以太的研究也随之兴盛起来, 直到 1879 至1887 年, 迈克尔逊和莫雷做了一系列极为精确的测定, 才得到明确的否定结论。
目前本人在使用迈克尔逊干涉仪进行实验的过程中，因为操作不规范、仪器老化等不同的问题，发现实验仪器上的分光板和补偿板要达到实验目的效果时，是要两者严格平行，且与导轨严格垂直的，否则就会对实验测量的结果产生巨大影响。当然，学生使用的仪器中，分光板和补偿板两板是由两者对应的铁质框架固定的，反射镜亦同理，在长久的使用后，这样的设计很难达到两板与导轨间的严格垂直或者两板与导轨成严格的45°角，更难做到两板之间的平行。在本次毕业设计中，我们通过改进方法降低了分光板和补偿板对结果的影响，以期达到更高精度的测量。我们通过文献调研、理论分析、实验设计等办法，定量研究了分光板和补偿板对实验结果的影响程度。
基础实验原理
图一中是迈克尔逊干涉仪的基础机构，而照片里显示的是迈克尔逊干涉仪实物照片，不难看出仪器由底座，导轨，光源，以及两块竖直固定的透镜及两块平面镜组成。底座上有三个用来调节底座的水平的平衡螺丝。导轨上有滑动装置，装置上固定了第一反射镜M1，通过滑动装置可以调节并记录M1的位置，而第二反射镜M2是无法移动的被固定住。第一反射镜在导轨上前后移动的同时通过传动系统与精密丝杆相连，并且可以在仪器的读书窗读出M1在导轨上移动的距离。当我们想要调整第二反射镜的高度或者水平的方位时，第二反射镜镜座上的微调螺丝可以帮我们进行微微调整。分光板位于图一中G1的位置上，补偿板位于G2的位置上，补偿板和分光板的形状、大小、折射率、厚度完全一致，唯一的区别在于，分光板后有一个半透膜而补偿板没有。当然，根据前文所述，当分光板和补偿板不严格垂直导轨会严重影响实验的结果，所以两者一定垂直于导轨。
在调整两反射镜垂直，补偿镜和分光镜相互平行的时候可以得到正常结果，让经过分光的两条光束垂直射入观测屏，能在观测屏上看到明暗相间的同心圆。当分光板和补偿板不平行时，入射光光首先会通过G1的半反射面反射到M1，经过M1反射后穿过G1到达观察屏；因为G2不平行于G1，透射光通过G2后不再是垂直射到M2上，所以M2的反射光和入射光不再平行。所以，M2的反射光在G1的反射面反射后不再平行于另一束反射光，因此，透射光形成的虚像S1’和S2’两点的连线不在垂直于观察屏，观察屏上的图像也就变成了椭圆图样。假设，S1’和S2’两点的连线和观察屏所成的角度为φ，相邻的两条干涉条纹的间距为：
因为cosφ<<1，所以?r’≥?r，故条纹间距变大，形成了椭圆图样。通过对迈克尔逊干涉仪测量的不确定度分析，可以得到，当两个平面反射镜互相垂直时，采用目测技术误差是最主要的误差，而椭圆干涉图样优势影响目测技术误差的最主要因素。
当G1和G2平行时，光路①先后3次穿过G1，光路②穿过一次G1和两次G2，所以两条光路穿过玻璃板的光程是相等的。当分光板和补偿板不平行时，经过分光板折射产生的第二光路经过补偿板后的光程会产生变化，经过反射的光路和经过补偿的光路两者的光程不相等。这种情况下等光程的公式不成立，继续使用的话结果必然有误差，因此分光板和补偿板不平行是造成实验误差的一个重要因素。
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