光學(xué)精密測(cè)量的基石——邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)

　　邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)中一個(gè)經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)，它不僅在驗(yàn)證光的波動(dòng)性方面發(fā)揮了重要作用，而且在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。從精確測(cè)量光波長(zhǎng)到檢測(cè)材料的微小變化，邁克爾遜干涉儀展示了其價(jià)值。

　　一、用途

　　光波長(zhǎng)的精確測(cè)量

　　利用干涉條紋的數(shù)量和移動(dòng)情況可以非常精確地測(cè)定光源的波長(zhǎng)。

　　檢驗(yàn)光學(xué)元件的質(zhì)量

　　通過(guò)觀察干涉圖樣，可以檢測(cè)鏡面的平整度和平行度等光學(xué)性能。

　　材料折射率的測(cè)量

　　當(dāng)樣品插入光路中時(shí)，由于折射率的不同會(huì)導(dǎo)致光程差的變化，從而可以通過(guò)干涉條紋的變化來(lái)計(jì)算材料的折射率。

　　精密長(zhǎng)度測(cè)量

　　邁克爾遜干涉儀可用于納米級(jí)別的長(zhǎng)度測(cè)量，例如在引力波探測(cè)器LIGO中用于檢測(cè)極小的距離變化。

　　二、原理

　　邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)基于光的干涉原理，即兩束相干光源相遇時(shí)會(huì)產(chǎn)生相長(zhǎng)或相消干涉現(xiàn)象。該實(shí)驗(yàn)的核心思想是將一束單色光分成兩束，分別沿不同的路徑傳播后再重新合并，產(chǎn)生干涉圖案。如果兩條光路的光程差發(fā)生變化，則干涉條紋會(huì)發(fā)生移動(dòng)。具體來(lái)說(shuō)：

　　當(dāng)兩束光的光程差為整數(shù)倍的波長(zhǎng)時(shí)，發(fā)生相長(zhǎng)干涉，形成亮條紋；

　　若光程差為半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍，則發(fā)生相消干涉，形成暗條紋。

　　三、結(jié)構(gòu)組成

　　邁克爾遜干涉儀主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：

　　分束器（Beam Splitter）

　　通常是一個(gè)半透半反鏡，用于將入射光分成兩束。

　　固定反射鏡（Fixed Mirror）

　　反射其中一束光回到分束器，與另一束光匯合。

　　可動(dòng)反射鏡（Movable Mirror）

　　可以精確調(diào)節(jié)位置，改變另一束光的光程。

　　光源（Light Source）

　　提供穩(wěn)定的單色光，如氦氖激光器。

　　屏幕或探測(cè)器（Screen/Detector）

　　用于觀察或記錄干涉條紋。

　　四、使用方法

　　準(zhǔn)備工作

　　確保所有光學(xué)元件安裝正確，并調(diào)整至最佳工作狀態(tài)。

　　打開光源，確保光線穩(wěn)定且強(qiáng)度適中。

　　初步調(diào)整

　　調(diào)節(jié)兩個(gè)反射鏡的角度，使它們分別垂直于分束器，并且彼此平行。

　　通過(guò)目視或借助輔助設(shè)備檢查干涉條紋是否清晰可見。

　　進(jìn)行測(cè)量

　　緩慢移動(dòng)可動(dòng)反射鏡，觀察干涉條紋的移動(dòng)情況。

　　記錄特定條件下條紋移動(dòng)的數(shù)量及相應(yīng)的移動(dòng)距離，根據(jù)公式計(jì)算光波長(zhǎng)或其他所需參數(shù)。

　　數(shù)據(jù)處理

　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)，利用干涉原理的相關(guān)公式進(jìn)行分析計(jì)算。

　　對(duì)結(jié)果進(jìn)行誤差分析，評(píng)估實(shí)驗(yàn)精度。