實驗十一用邁克爾遜干涉光路測空氣折射率光的干涉是重要的光學現(xiàn)象之一，是光的波動性的重要實驗根據(jù)。兩列頻度相同、振動方向相同和位相差恒定的相干光在空間相交區(qū)域?qū)l(fā)生互相強化或減緩現(xiàn)象，即光的干涉現(xiàn)象。光的波長其實很短(410－７～810－７之間)，但干涉白色的寬度和白色數(shù)卻很容易用光學儀器測得。按照干涉白色數(shù)量和寬度的變化與光程差、波長等的關系式，可以推出微小厚度變化(光波波長數(shù)目級)和微小角度變化等，因而干涉現(xiàn)象在拍照技術、測量技術、平面角測量技術、材料撓度及形變研究等領域有著廣泛地應用。相干光源的獲取除用激光外，在實驗室中通常是將同一光源采用分波陣面或分振幅種方式獲得，并使其在空間經(jīng)不同路徑會合后形成干涉。邁克爾遜干涉儀是1883年德國化學學家邁克爾遜和莫雷合作，為研究“以太”漂移而設計制造下來的精密光學儀器。它是借助分振幅法形成雙光束以實現(xiàn)干涉。在近代化學和近代計量技術中，如在波譜線精細結構的研究和用光波標定標準米尺等實驗中都有著重要的應用。借助該儀器的原理，研發(fā)出多種專用干涉儀。一、實驗目的1、掌握邁克爾遜干涉光路的原理和調(diào)節(jié)方式。2、學會調(diào)出非定域干涉白色、等傾干涉白色、等厚干涉白色。
3、學習借助邁克爾遜干涉光路檢測常溫下空氣的折射率。二、實驗儀器He-Ne激光器及電源，擴束鏡（短焦距凸透鏡），全反鏡，濕度計，小孔光闌，密封玻璃管，氣壓計等。三、實驗原理1、邁克爾遜干涉光路圖11.1是邁克爾遜干涉光路原理圖，從光源S發(fā)出的一束光射到分束板后表面鍍有半反射膜（通常鍍金屬銀）光的折射實驗儀器，光在半反射膜上反射和透射，被分成光強接近相等的兩束光，一束為反射光1，一束為透射光2。當激光束以45角射向分束板的半反射膜上，又凝聚成一束光，射到光屏E處。因為反射光1和透射光2，起著補償光束2的光程的作用。若果沒有則光束1會三次經(jīng)過玻璃板，而光束2只經(jīng)過玻璃板一次。的存在致使光束1、2經(jīng)過玻璃板的光程相等，因而使光束1、2的光程差只由其幾何路程決定。因為本實驗采用相干性挺好的激光，故補償板并不重要。但若果使用的是單色性不好、相干性較差的光源，如鈉光燈或汞燈，甚至白熾燈，就成為必需的了。這是由于波長不同的光折射率不同，由分光板能同時滿足那些不同波長的光所需的不同光程補償。11.1邁克爾遜干涉原理圖2、干涉圖樣′反射而至的，因而可以把它們形成的干涉等效為M′之間的空氣薄膜所形成的干涉來剖析研究。（1）點光源的非定域干涉如圖11.2所示。
激光束經(jīng)短焦距凸透鏡會聚后可得點光源S，它發(fā)出球面波經(jīng)G′發(fā)出的球面波，在它們能相遇的空間里處處相干，即各處都能形成干涉格子。因而在這個光場中的任何地方放置毛玻璃屏都能觀察到干涉白色。我們稱這些干涉為非定域干涉。隨著S的連線垂直時（此時M′連線和屏H的交點O的距離大體相等，且它們之間有一小傾角）將得到直線白色。其他情況下將得到橢圓、雙曲線干涉白色。11.2非定域干涉光路圖11.3非定域圓白色的特點剖析圖下邊剖析非定域圓白色的特點（如圖11.3所示）。′到屏上任一點P的光程差為因為比較小，所以有越小，k越大。即緊靠中心的白色干涉級次高，緊靠邊沿(r大)的白色干涉級次低。（3.2）兩式相加，得干涉白色寬度越大。（c）白色的“吞吐”。平緩聯(lián)通M鏡，改變d，可看到干涉白色的“吞”、“吐”現(xiàn)象。這是由于對于某一特定級次為k小，可以見到白色“吞”的現(xiàn)象。在圓心處，有，所造成干涉白色“吞”或“吐”的數(shù)量N所以，若已知波長，就可以從白色的“吞”“吐”的數(shù)量N，求得M和白色的“吞”“吐”數(shù)目N，則由上式可求得波長′互相平行時，用擴充光源照射。對于夾角相同的各光束，由上下兩表面反射而產(chǎn)生的兩相干光束，其光程差均為因而產(chǎn)生同一級干涉粉色。
用人眼直接觀察，或放一會聚透鏡在其后焦面上用屏去觀察，可以見到一組同心圓環(huán)。每一個圓各自對應一恒定的夾角，所以這些干涉稱為等傾干涉。等傾干涉白色定域于無窮遠。在這種同心圓狀干涉白色中，以圓心處級別最高，此時減小時，圓心處干涉白色的級次越來越高，可以看見圓環(huán)狀白色一個一個從中心“吐”出來的現(xiàn)象；反之，當d減少時，可以看見圓環(huán)狀白色一個一個從中心“吞”進去。每“吞”進或則“吐”出一條白色時，d就減小或則減少上式表明：當d一定時，越緊靠中心的干涉圓環(huán)(即越大，即干涉白色中間稀邊沿密。當一定時，d越小，越大，即干涉白色隨著d的減少而顯得稀疏。′之間所產(chǎn)生的空氣層很薄時，用擴充光源照明都會出現(xiàn)等厚干涉白色。由于等厚干涉白色定域在鏡面附近，若用耳朵直接觀察，應將耳朵聚焦在鏡面附近。當角度很小時，由上下兩表面反射而產(chǎn)生的兩相干光束，其光程差仍可近似地表示為后表面未鍍半反射膜，則有半波損失，M后表面鍍半反射膜（銀或鋁或多層介質(zhì)膜），則情況比較復雜，M′的相交處的干涉白色就不一定是最暗的。因為是有限的（取決于反射鏡對耳朵的張角，通常比較小），所以可以忽視，光程差主要取決于長度d光的折射實驗儀器，空氣層寬度相同的地方光程差相同，所以觀察到的白色是平行于交棱的等間隔分布的直線白色。
而在遠離交（與波長大小可比）項的作用不可忽視，而同一條干涉白色對應的光程差應相等，因而在較大的地方必需要通過減小d來補償。所以同一條干涉白色在逐步減小的地方必需要向d減小的方向聯(lián)通，致使干涉白色漸漸弄成圓弧，并且彎曲的方向是凸向交棱的方向。3、邁克爾遜干涉法測空氣折射率如圖11.4所示。當光束垂直入射至M上介質(zhì)的折射率。設單色光在真空中的波長為λ，當δ=kλ，k=0,1,2,3,?時，干涉強化，相應接收屏中心的光強為極大。由式（6）知，兩束相干光的光程差不但與幾何路程有關，還與路程上介質(zhì)的折射率有關。若氣室外二氧化碳折射率改變量為Δ氣室的寬度)，進而導致干涉圓環(huán)“涌出”或“縮進”N條，則有11.4檢測空氣折射率實驗原理圖若果先將氣室抽成真空，這時對光的折射率是1，之后平緩充氣，使管內(nèi)二氧化碳的浮力到