迈克尔逊干涉仪 说明书.docx

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迈克尔逊干涉仪说明书

产品说明书

 

一、用途

该仪器主要用于高等院校物理实验中观察光的干涉现象(等厚条纹、等倾条纹、白光彩色条纹),测定单色光波长,测定光源和滤光片相干长度、配法布里─珀罗系统观察多光束干涉现象。

附加适当装置,还可以扩大实验范围(如测薄片厚度和折射率,空气折射率等)。

因此,它是一种用途很广的验证有关基础理论的教学实验仪器。

二、原理

图1

如图1所示:

从光源S发出的一束光,射向分光板G1,因分光板的后表面镀了半透膜,光束在半透膜上反射和透射分成互相垂直的两束光。

这两束光分别射向相互垂直的参考镜M1,移动镜M2,经M1、M2反射后,又汇于分光板G1,最后光线朝着E的方向射出。

则在E处我们就能观察到清晰的干涉条纹。

图中M2′是参考M2为半透膜表面G1所成的虚象。

所以在光学上,这里的干涉就相当于M2′和M2之间的空气板的干涉。

设置补偿板G2是为了当使用白光光源时,补偿G1的色散。

三、主要技术参数和规格

1、移动镜行程:

WSM─100型100mm

WSM─200型200mm

2、微动手轮分度值:

0.0001mm

3、波长测量精度:

当条纹计数为100时,测定单色光波长的相对误差<2%。

4、观察望远镜光学特性:

放大率3x

出瞳直径5.3mm视场角8°

5、导轨直线性误差:

WSM—100型±16″

WSM—200型±24″

6、分光板,补偿板平面度:

λ/30

7、移动镜参考镜平面度:

λ/20

8、仪器外形尺寸(mm)

WSM─100型长430×宽180×高320

WSM─200型长500×宽210×高360

9、仪器净重:

WSM─100型11公斤WSM─200型15公斤

四、仪器的结构与调整

开箱后,检查装箱清单和实物是否相符,产品合格证及说明书是否齐全,然后清洗导轨,丝杆面上的防锈油脂,加上T5精密仪表油。

仪器主体如图2所示,导轨(7)固定在一只稳定的底座上,由三只调平螺丝(9)支承调平后可以拧紧锁紧圈(10)以保持座架稳定。

丝杆(6)螺距为1mm,转动粗动手轮

(2),经一对传动比大约为2:

1的齿轮付带动丝杆旋转与丝杆啮合的可调螺母(4),通过防转挡块及顶块带动移动镜(11)在导轨面上滑动,实现粗动,移动距离的毫米数可在机体侧面的毫米刻尺(5)上读得;通过读数窗口,在刻度盘(3)上读到0.01mm,转动微动手轮

(1),经1:

100蜗轮付传动,可实现微动,微动手轮的最小读数值为0.0001mm,移动镜(11)和固定镜(14)的倾角可分别用镜背后的三颗滚花螺丝(13)来调节,各螺丝的调节范围是有限度的。

如果螺丝向后顶得过松在移动时,可能因震动而使镜面倾角变化,如果螺丝向前顶得太紧,致始条纹形状不规则,因此必须使螺丝在能对于干涉条纹有影响的范围内进行调节,在固定镜(14)附近有两个微调螺丝(15),垂直的螺丝使镜面干涉图象上下微动,水平螺丝则使干涉图象水平移动,丝杆顶进力可通过滚花螺帽(8)来调整,仪器各部活动环节要求转动轻便,弹性元件接触力适宜,为此,使用时各活动件须定期加薄油(如钟油)。

当使用完毕,需存放一段时期时,导轨丝杆面应上防锈油,由于结构上原因,微动手轮正反空回,出厂时允许在0.03mm范围内,这对测试是无影响的。

迈克尔逊干涉仪光路暴露在外面,适用于教学演示,其条纹质量,出厂时已经保证,如果出现不园整,不规则现象,应检查分光板和补偿之间相互是否平行,照明光轴是否在视场上居中,与分光面成45°等。

用户可调移动镜和固定镜粗微动螺钉来实现,以保证干涉条纹清晰。

图2干涉仪结构示意图

五、使用方法

需配适当的光源,如:

激光、钠灯、加滤色片的汞灯、白光等。

在实验前应将仪器调整至水平。

1、观察非定域干涉条纹

1点光源:

建议使用JGQ-250氦氖激光源或HNL-55700多束光纤激光源。

2使用JGQ-250氦氖激光源作光源时,先把扩束镜装在激光器上,并将扩束的激光斑照在干涉仪分光板上,光轴基本与固定镜垂直。

3使用HNL-55700多束光纤激光源作光源时,按其说明书将一束光纤安装在分光板的前端,使出射的激光斑照射在分光板上,光轴基本与固定镜垂直。

因从光纤出射的激光已经扩束,故不需另加扩束镜。

4转动粗动手轮,将移动镜M1的位置置于机体侧面标尺所示约32mm处,此位置为固定镜M2和移动镜M1相对于分光板的大约等光程位置。

从投影屏处观察(此时不放投影屏),可看到由M1和M2各自反射的两排光点像,仔细调整M1和M2后的三只调节螺钉,使两排光点像严格重合,这样M1和M2就基本垂直即M1和M2′就互相平行了。

装上投影屏,即可在屏上观察到非定域干涉条纹,再轻轻调节M2后的调节螺钉,使出现的圆条纹中心处于投影屏中心。

5转动粗动手轮和微动手轮,使M1在导轨上移动,并观察干涉条纹的形状、疏密及中心“吞”、“吐”条纹随程差的改变而变化的情况。

2、测量He-Ne激光的波长

利用非定域的干涉条纹测定波长。

按上述1的方法调出干涉圆条纹,单向缓慢转动微调手轮移动M1,将干涉环中心调至最暗(或最亮),记下此时M1的位置,继续转动微调手轮,当条纹“吞进”或“吐出”变化数为m时,再记下M1的位置,设M1位置的变化数为ΔL,则根据双光束干涉原理,测得He-Ne激光的波长为:

λ=2ΔL/m

测量时,m的总数要不少于500条,可每累进50条时读取一次数据,连续取10个数据,应用逐差法加以处理。

3、观察定域干涉条纹

1扩展光源:

建议采用可升降式低压钠灯(GP20Na—II),He-Ne激光器作调整仪器用辅助光源。

2等倾干涉

先用He-Ne激光器调整仪器,在激光器前放一小孔光栏,使扩束的激光束通过光栏,并经分光板G1反射到移动镜M1上(此时应将固定镜的反射面遮住),再反射经分光板返回至小孔光栏上,仔细调整M1后的三个调节螺钉使最后的反射光点像与光栏的小孔严格重合。

转动粗动手轮移动M1,要求反射光点像不随M1的移动而产生漂移。

此后的实验过程中,不可再旋动M1后的三颗调节螺钉。

换上钠光灯,出光口装有毛玻璃,以使光源成为面光源,用聚焦到无穷远的眼睛代替屏,仔细调节M2后的调节螺钉,可看到圆条纹,进一步调节M2的调节螺钉,使眼睛上下左右移动时,各圆的大小不变,仅是圆心随眼睛移动,这是我们看到的就是严格的等倾条纹。

移动M1观察条纹的变化情况。

3等厚干涉

移动M1和M2′大致重合,调节M2后的螺钉使M1和M2′有一个很小的夹角,这时视场中出现直线干涉条纹,这就是等厚干涉条纹。

仔细调节M2后的螺钉和微调螺钉,即改变夹角的大小,观察条纹的疏密变化。

4、测量钠光的相干长度

可利用等厚条纹的观察方式,用等厚干涉条纹来测出钠光的相干长度。

首先把干涉仪两臂调到接近相等,此时干涉条纹的对比度最佳,然后移动M1,直至干涉条纹由模糊变为几乎消失,这时的光程差即为相干长度。

钠光灯的相干长度为2cm左右。

可观察He-Ne激光的相干情况,因为激光的单色性很好,相干长度有几米到几十米的范围,故不必在干涉仪上测出。

5、测钠黄光波长及钠黄光双线的波长差

1按第3条②等倾干涉的调节方法将仪器调整好,并调出干涉圆条纹,再按第2条测量He-Ne激光波长的方法进行测量。

2同上调整仪器。

如果使用绝对单色光源,当干涉光的光程差连续改变时,条纹的可见度一直是不变的。

当使用的光源包含两种波长λ1及λ2,且λ1及λ2相差很小,当光程差为

L=mλ1=(m+1/2)λ2(其中m为正整数)

时,两种光的条纹为重叠的亮纹和暗纹,使得视野中条纹的可见度减低,若λ1及λ2的光的亮度又相同,则条纹的可见度为零,即看不清条纹了。

再逐渐移动M1以增加(或减少)光程差,可见度又逐渐提高,直到λ1的亮条纹与的λ2亮条纹重合,暗条纹和暗条纹重合,此时可看到清晰的干涉条纹,再继续移动M1,可见度又下降,在光程差

L+ΔL=(m+Δm)λ1=(m+Δm+3/2)λ2

时,可见度最小(或为零)。

因此,可测出从某一可见度为零的位置到下一个可见度为零的位置,位置差为ΔL,其间光程差变化应为:

Δλ即为欲测的钠黄光双线的波长差,λ为λ1及λ2的平均值,可用步骤①中测出的波长值代入。

6、观察白光干涉条纹

按第3条②等倾干涉的调节方法将仪器调整好,并调出干涉圆条纹,转动粗动手轮,使圆条纹变宽,当出现1-2条条纹时,用微动手轮再仔细地调到条纹消失,即零光程位置,此时,将光源换成平行的白光光源,在E处可观察到中央为直线黑纹,两旁有对称分布的彩色条纹的白光干涉条纹。

用本方法可以测量固体透明薄片折射率n或厚度。

当调出中央条纹后,在M1和G1之间放入一透明薄片,中央条纹移出视场,将M1向G1前移,会重新观察到中央条纹,测出放入薄片前后均可观察到彩色条纹的位置差ΔL,由式:

可求出

或n,一般

应<0.5mm为宜。

7、多光束干涉

将干涉仪上的分光板部件和移动镜拆除,换上法布里—珀罗系统。

转动粗动手轮,使法布里—珀罗系统的移动镜和参考镜保持一定的距离(约2~3mm)。

用扩束的氦氖激光(或前置有毛玻璃的钠光灯)从移动镜的后面射入,仔细调整两镜后面的螺钉,使两镜平行,此时可在E处观察到(或利用观察望远镜)干涉圆条纹。

例:

以钠光灯为光源时,先在毛玻璃上用笔画一“+”作标记,在E处先用肉眼观察到重叠的“+”字像,通过调节移动镜和参考镜的螺钉,使像重合为一个“+”字,此时即可观察到干涉圆条纹;在E处放置观察望远镜,通过仔细调节移动镜和参考镜下的微调螺钉,可观察到两圈一组(分别由589.0nm和589.6nm构成)的干涉环;此时连续同向转动微动手轮,可发现589.0nm和589.6nm的两个环慢慢重叠为一个环,然后又分开为两个环,周而复始;通过测量微动手轮的移动镜移动距离,即可计算出钠的波长差。

由于法布里—珀罗系统具有较高的分辨本领,理论上固定间隔的法布里—珀罗标准具的分辨本领可达1/100埃的数量级。

对本仪器而言,无论换用钠光或白光,其实验现象或测量结果均大大优于平板式单光束干涉,而干涉滤光片就是应用此法制作的具有较好波长半宽度的选光元件。

六、维护保养

1、仪器应妥善地放在干燥、清洁的房间内,防止振动,仪器搬动时,应托住底座,以防导轨变形。

2、光学零件不用时,应存放在清洁的干燥盆内,以防止发霉。

反光镜、分光镜一般不允许擦拭,必要擦拭时,须先用备件毛刷小心掸去灰尘,再用脱脂清洁棉花球滴上酒精和乙醚混合液轻拭。

3、传动部件应有良好的润滑。

特别是导轨、丝杆、螺母与轴孔部分,应用T5精密仪表油润滑。

4、使用时,各调整部位用力要适当,不要强旋、硬扳。

5、导轨面丝杆应防止划伤、锈蚀,用毕后,仍保持不失油状态。

6、经过精密调整的仪器部件上的螺丝,都涂有红漆,不要擅自转动。

七、常见故障及检修方法

1、干涉环不圆正:

原  因:

(1)分光板膜层面反向。

(2)两组出射光瞳错位。

(3)分光板、补偿板、移动镜及参考镜有压应力。

检修方法:

分光板膜层应是入射光的第二面,如装在第一面,则调出的等倾干圆涉环是直的椭圆形干涉环,可旋松分光板的三只宽头螺钉,取出分光板,反过180°重新装入金属框内,把三只宽头螺钉旋到原来的压紧力。

分光板调整请参考故障6检修方法。

分光板,补偿板的宽头螺钉,移动镜及参考镜的调节滚花螺钉压紧力过大,使各镜片逐步变形产生等倾干涉圆环不规则,适当放松过紧的螺钉即可消除。

2、读数空位大于0.03mm

原  因:

(1)传动螺母和丝杆的配合间隙大。

(2)拖板体下面的顶块间隙偏大。

(3)档板与导轨配合过松。

检修方法:

可先调整顶块间隙,拖板体在工作状态下旋松顶块螺钉,左手大拇指将拖板体向读数头方向轻推,中指压紧顶块,然后固紧顶块螺钉。

如果仍未达到要求,调整档板与导轨的间隙达0.02mm,再调节传动螺母上的两只螺钉(老产品有四只)

3、转动粗动手轮时拖板不走。

原  因:

(1)仪器受强烈冲击后,丝杆向尾架方向脱出,造成读数头

啮合齿轮错位。

(2)传动小齿轮固紧螺母松动,造成传动小齿轮与丝杆打滑。

(3)大齿轮及粗动手轮的压紧螺母松动。

检修方法:

首先检查粗动手轮压紧螺母,然后检查精密丝杆是否向尾架方向脱出,如已脱出,可松动尾架三只螺钉,一面将丝杆推向读数头,一面慢慢转动粗动手轮,最后旋紧尾架三只螺钉,如果是小齿轮固紧螺母和大齿轮固紧螺母松动,先拆去传动盒盖,再拆下门字架,固紧螺母,重新依次装配即可。

4、转动微动手轮时拖板不走。

原  因:

(1)传动小齿轮压紧螺母松,使盆形弹簧片无压紧力,造成

蜗轮空转。

(2)粗微动有脱开机构的干涉仪,蜗杆压紧弹簧片失灵。

(3)微动手轮压紧螺母松。

检修方法:

先检查微动手轮的压紧螺母。

然后打开传动盒盖,取下门字架,旋紧传动小齿轮压紧螺母,使盆形弹簧片压紧蜗轮,此时转动蜗轮应带动精密丝杆,依次装好拆下的另件。

如果是脱开机构,应检查蜗杆拖板是否已被压死。

如被压死,可拆下左右压块,清洗、上油(7101油脂)重新装配即可,如蜗杆拖板较松,说明蜗杆拖板的弹簧压力减小,

(1)可拆下弹簧改小R增加弹性。

(2)调换弹簧片。

5、转动粗动手轮时,等倾干涉环从中心向外漂移。

原  因:

入射的光源不垂直于移动镜。

检修方法:

此种现象,并非仪器故障,主要是入射的光源不垂直于移动镜,因多数易误解为导轨直线性不好所致,故亦在此说明。

首先调整干涉仪三只底脚调平螺钉,使仪器基本按放水平,然后调整光源,使扩束激光充满固定镜,将移动镜调至零光程附近,转动粗动手轮调等倾直条纹,说明扩束激光基本垂直于移动镜,此时转动粗动手轮出现的干涉圆环就不会漂移。

6、白光干涉条纹不对称。

原  因:

(1)受运输冲击或使用过程中碰过分光板和补偿板两板平行

度已被破坏。

检修方法:

调整分光板与补偿板的平行性,在没有自准直仪时,可通过两板同时观察室内目标物。

如日光灯,调节两板上的宽头螺钉,使双象基本重合,这时调出的白光彩色条纹可达到基本对称,如仍有不对称现象,可调节补偿板的三只宽头螺钉达到完全对称。

7、波长测定值偏长。

原  因:

(1)拖板体测面弹簧片压力太紧。

(2)档板与导轨配合过紧。

(3)导轨面润滑油脂太厚。

(4)蜗轮稍有打滑。

(5)丝杆尾架压紧力偏小。

检修方法:

先检查拖板体测面的弹簧片是否太紧,如太紧可将弹簧变形减少压力的办法解决。

第二取下拖板体,检查开合螺母上的档板与导轨面的配合是否过紧,如过紧可调整档板,旋松两只螺钉,提高档板与导轨接触处垫入0.02mm厚的锡片,放下档板,固紧螺钉,拿掉锡片。

第三导轨如加上厚的油脂,会使拖板增加阻尼或厚的油脂上带有杂质,会使拖板不按导轨直线移动。

应清洗后重新上油。

第四检查尾架内的弹簧,如压紧力偏小,可把滚花螺套旋出,将弹簧拉长即可。

如遇蜗轮稍有打滑,检修时必须小心拆装,先拆下传动盒盖,拆下门字架,取下小钢球,旋下小齿轮压紧螺母,用专用夹具取下读数盘,平面轴承,盆形弹簧片、蜗轮等。

在汽油中清洗、烘干,重新涂硬性润滑油脂(杭光3#或7107油脂),重新装配时可在平面轴承与读数盘之间加0.2mm的金属垫片,手感磨擦力有所增加后,依次重新装配,再进行测量检查。

迈克尔逊干涉系统

法布里—珀罗干涉系统

八、主机、附件包装箱清单

1、主机(包括水平拉杆和滑架)1台

2、分光镜部件1套

3、移动镜部件1套

4、投影屏1只

5、镜头毛刷1支

6、检验合格证1份

7、使用说明书1份

8、干燥剂(硅胶)2袋

9、法布里──珀罗固定镜部件1套

10、法布里──珀罗移动镜1套

11、望远镜(包括垂直插杆)1套

(其中9-11仅在A型机中附有,购买时清注意报价单)

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