迈克尔孙干涉实验问题释疑

罗 涛

(长春师范大学物理学院，吉林长春130032)

在大学物理实验中，迈克尔孙干涉仪是光学实验必备的仪器之一［1］。利用迈克尔孙干涉仪可以做很多相关实验，如测定钠光D双线的平均波长及波长差、透明薄片厚度的光学测量、空气折射率的测量等［2］。然而，学生在实验过程中对迈克尔孙干涉仪进行调节时，往往会出现很多问题，不能调出合格的干涉条纹［3－4］。

要使迈克尔孙干涉仪产生等倾干涉条纹需要满足两个条件，第一是反光镜M1和反光镜M2至分光板P1镀膜面的距离大致相等，第二是反光镜M1和反光镜M2严格垂直［5］。看似简单的实验步骤，却成为很多学生的学习难点。于是与迈克尔孙干涉相关的实验成为最费时间、最不容易做好的光学实验之一。本文按实验操作步骤的相关顺序来分析各种问题形成的原因，并提出解决办法。

典型的迈克尔孙干涉仪的构造如图1所示。调节迈克尔孙干涉仪产生等倾干涉条纹的步骤如下［5］:(1)点亮钠灯，使之照射毛玻璃屏，形成均匀的扩展光源，在屏上画一个十字叉丝;(2)旋转粗动手轮，使反光镜M1和M2至分光板P1镀膜面的距离大致相等，沿M1中垂线方向观察，将看到叉丝的双影像;(3)仔细调节M1和M2背后的三个螺丝，改变M1和M2的相对方位，直至双影像在水平方向和铅直方向均完全重合，这时可观察到干涉条纹，仔细调节六个螺丝，使干涉条纹成圆形;(4)细致缓慢地调节M2下方的两个微调拉杆螺丝，当观察者的眼睛左右上下的移动时，不发生条纹的变形及“涌出”或“陷入”现象。这时，观察到的干涉纹才是严格的等倾干涉。

在学生做实验的时候，经常不能调出严格的等倾干涉条纹，究其原因主要有以下几个方面。

第一，光源的位置没放好。入射光线没有沿接近M2的中垂线方向入射，这样容易造成视场中的条纹不易调出，或条纹一半清楚而一半不清楚。

第二，叉丝的方位没摆好。在调叉丝的两个像重合时，容易造成虚假重合的现象。

第三，六个螺丝的松紧搭配不合理。为了让其中一个像往另外一个像靠近，使劲拧紧或松开某个螺丝，使得后续步骤无法进行微调，或造成条纹时有时无。

图1 典型的迈克尔孙干涉仪

第四，有的学生觉得叉丝的两个像调重合了，可就是看不到条纹。其实是因为该学生的视角问题，应改变视角来看两个像是否始终保持重合。

第六，虽然已经可以看到干涉条纹，但所看到的既非等倾也非等厚条纹。即看见圆弧了，就是不能调出整个的圆形条纹。为了解决这个问题，我们把两个反光镜的三个螺丝做一下标记，从背面看，按照从上由左到右的逆时针顺序，分别标记为A、B、C螺丝。在表1中我们分析了调节A、B、C螺丝各起到什么作用，条纹怎么移动。若只看见上部分圆弧，则需要条纹往上移动，才能出现其他部分;条纹缺少上部分圆弧，则需要条纹往下移动，才能出现上部分圆弧。其它情况以此类推，然后参照表1来调节反光镜M1和反光镜M2的六个螺丝。

表1 条纹的移动与螺丝松紧调节

第七，条纹不稳定，观察者眼睛改变视角时，条纹变形往某一侧“涌出”或“陷入”。可以参照表2调节拉杆进行修正。

表2 条纹的变形与拉杆的调节

第八，有的仪器调出的条纹始终呈椭圆，得不到一个标准的圆。这可分为三种情况。第一种情况是由于平面镜M1与转轴不垂直。虽然反光镜M1和反光镜M2严格垂直，但它们的方位发生了变化，使得平面镜M1与转轴不垂直，平面镜M1与分光板的夹角也不再成45°角。具体解决办法:使用氦氖激光作为入射光，摘下反光镜M2，使用观察屏来接收反光镜M1的反射光，前后移动反光镜M1，观察激光的红色斑点在观察屏上的位置是否变化，如果有变化则说明反光镜M1与转轴不垂直。调节反光镜M1背部螺丝，并前后移动反光镜M1，直到观察屏上红色斑点的位置不发生变化，说明此时反光镜 M1与转轴垂直。然后安装反光镜M2，按照步骤(3)重新调节干涉条纹。第二种情况是分光板被前后倒置。将分光板拿下来，通过观察两面的反光效果来判断，把分光板按镀膜面朝补偿板方向安装好即可。第三种情况是补偿板与分光板不严格平行。这种情况的校准可参照文献［6］的方法来进行校准。

［1］王培霞，汤洪明.迈克尔逊干涉仪光程差公式及条纹特点详解［J］.大学物理实验，2008(1):17－19.

［2］耿完桢.大学物理实验［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2005.

［3］孙宇航.迈克尔逊干涉仪实验中易出现的问题之探讨［J］.西安邮电大学学报，2008(5):159－160.

［4］魏玉花，韩军峰，王秋云.迈克尔逊干涉仪椭圆干涉条纹分析与校正［J］.枣庄学院学报，20013(5):44－46.

［5］杨述武.普通物理实验3－光学实验部分［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［6］王素红.迈克尔孙干涉仪出现椭圆形干涉条纹的快速校准［J］.物理实验，1998(4):37－38.