大学物理实验迈克尔逊干涉仪的光源改进

杨景景　黄亮

【摘要】利用改进的半导体激光器作为迈克尔逊干涉仪实验中的He？鄄Ne激光器光源。以独到的设计，半导体激光器使光源张角扩大，扩展等倾干涉区域，提高了学生对于迈克尔逊干涉仪的调整效率，进一步加深了学生对于等倾干涉和对波动光学的理解。该项设计在保证了教学效果的同时，大大减低了实验器材的价格和维护成本。

【关键词】迈克尔逊干涉仪 半导体激光器

【Abstract】We replace the He？鄄Ne gas laser devices in Michelson Interferometer Experiment with semiconductor laser which designed by ourselves. By our design， we enlarge the angle of laser，expend the area of Equal Inclination Interference. This design improves the college students efficiency in experiment， and facilitates their understanding about Equal Inclination Interference and Wave Optics. This design is both beneficial to teaching results and to reduce the price for the experimental equipment and maintenance costs.

【Key Words】Michelson Interferometer Experiment； semiconductor laser

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）02-0148-02

迈克尔逊干涉仪是光学干涉仪中最常见的一种，其发明者是美国物理学家阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克尔逊。迈克耳逊干涉仪的原理是一束具有微小张角的入射光分为两束后各自被对应的平面镜反射回来，这两束光从而能够发生干涉[1][2]。大学物理实验中，光学实验室一般采用He？鄄Ne激光器作为迈克尔逊干涉仪实验的光源。在光源进入干涉仪光路之前，加上透镜使激光器光纤发出的平行光变成具有一定扩展角度的等倾干涉光源。在实验中我们发现由于He？鄄Ne激光器的光源倾角较小，在干涉仪中的等倾干涉区域过小，使学生在调节迈克尔逊干涉的实验过程中调节出等倾干涉条纹的难度增大。这使学生对于该实验的理解和操作都造成了较大的困扰。因此，我们研制了一套半导体激光器光源系统来替代He？鄄Ne激光器作为迈克尔逊干涉仪实验的光源。以它独到的设计和优势来改善等倾干涉光源的等倾干涉区域。

1.设计原理：

迈克尔逊干涉仪工作利用G1分光板的半反射膜，将入射工作光源分为1和2光路，使其发生相干现象。在大学物理实验课程中，我们观察和分析迈克尔逊干涉仪的等倾干涉圆环，等倾干涉原理如图1所示，S光源以i角度入射进入厚度为h的光学玻璃板，在玻璃板上下反射面形成1和2相干光源，通过透镜L在观察屏P上形成等倾干涉圆环，圆环半径为r环。

可以看出入射角度i的大小直接决定了圆环直径的大小。而圆环直径越大，因此在改良S光源时，我们着重考虑了扩展入射光倾角的半导体激光器光源改良方案。迈克尔逊干涉仪的半导体激光器系统设计电路图原理如图2所示。

从图2中可以看到，半导体激光器的设计思路清晰简明，并且能够由一台光源提供8台迈克尔逊干涉仪工作，半导体激光器的体积很小，事实上造价也很低廉。一台半导体激光器的价格为800元，而He？鄄Ne激光器的价格在3000到5000不等。

3.实验仪器效果讨论

我们测量比较了半导体激光器与He？鄄Ne激光器的倾角。由于激光器光源距离分光板G1大约为3cm，因此我们选择在光源距离桌面3cm时，测量比较两光源的光斑。如图3所示，左侧为半导体激光器光斑，右侧为He？鄄Ne激光器光斑。可以很明显的看到距离观察平面3cm时，半导体激光器的光斑直径为3cm，而He？鄄Ne激光器的光斑为1.2cm。从这里可以看出，在干涉实验中，半导体激光器可以提供更大的倾角和入射角度I，同时能够提供更大的相干区域。这些都使迈克尔逊干涉实验中的等倾干涉圆环图样变得更加容易调试和测量。

4.结论

本文介绍了一种简单实用效果良好的半导体激光器系统，有效的扩展了S光源的倾角和衍射区域，这套光源降低了大学物理实验中的迈克尔逊干涉实验的调整难度，提高了衍射环的半径值与圆环的亮度与对比度，达到了很好的教学效果。并且这套半导体激光器系统在降低造价的同时，也非常便于维护和检修，对于大学物理实验室有着积极的意义。

参考文献：

[1]金雪尘、宋红燕 大学物理实验 南京大学出版社

[2]浦天舒 大学物理实验 清华大学出版社

[3]马文蔚 物理学 东南大学出版社

[4]付文羽、刘正岐 光子学报 Vol.35 No 9 2006.9