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迈克耳孙干涉仪
迈克耳孙干涉仪
利用干涉条纹精确测量长度或长度改变的仪器。它是A.A.迈克耳孙在1881年设计成功的。迈克耳孙和他的合作者应用此种干涉仪不仅进行了测以太风的著名实验，而且还用它研究光谱的精细结构，并第一次以光的波长为基准对标准米尺进行了测定。后人又根据此种干涉仪的基本原理研制出各种具有实用价值的干涉仪。所以说，迈克耳孙干涉仪在近代物理和近代计量技术的发展上起过并还在起着重要的作用。
迈克耳孙干涉仪的结构如图1所示。D和C是两块平行放置的平行平面玻璃板，它们的折射率和厚度都完全相同。D的背面镀有半反射膜，称作分光板。C称补偿板。M1和M2是两块平面反射镜,它们装在与D成45°角的彼此互相垂直的两臂上。M2固定不动，M1可沿臂轴方向前后平移。
data/attachment/portal/201111/06/153155pcvkv3lpkppjppvp.jpg迈克耳孙干涉仪
由扩展光源发出的光，经分光板分成两部分，它们分别近于垂直地入射在平面反射镜M1和M2上。经M1反射的光回到分光板后一部分透过分光板沿E的方向传播,而经M2反射的光回到分光板后则是一部分被反射在E方向。由于两者是相干的,在E处可用肉眼观察到或用照相物镜拍摄到相干条纹。
从光学上看，光自M1和M2上的反射就相当于自距离为d的M1和data/attachment/portal/201111/06/153155a1cr1a4v5j5py1lz.gif上的反射(图1)，其中data/attachment/portal/201111/06/153155a1cr1a4v5j5py1lz.gif是平面镜M2为分光板所成的虚像。因此,迈克耳孙干涉仪所生的干涉与厚度为d的、没有多次反射的空气平行平面板所生的干涉完全一样。
显然,若光在平面反射镜M1或M2上的入射角用i表示，则两部分光的位相差为
data/attachment/portal/201111/06/1531552icksczssefg2sz2.gif式中λ为光的波长，φ为光在半反射膜上的内、外反射时所引起的位相变化之差。φ的数值与半反射膜特性有关。
data/attachment/portal/201111/06/153155m39l4gy5smvlq9vl.jpg迈克耳孙干涉仪
当M2与M1严格垂直，即data/attachment/portal/201111/06/153155a1cr1a4v5j5py1lz.gif与M1严格平行时，所得干涉为等倾干涉。干涉条纹为位于无限远或透镜的焦平面上明暗相间的同心圆环（图2）。第k级亮条纹是由满足下式的入射光的反射造成的
data/attachment/portal/201111/06/1531551izgp4p6rg15c151.gif式中k为整数，称作干涉亮条纹的级次。可见，当d一定时,中心处干涉环的级次量高。愈向边缘，级次愈低,而当i不变，即只观察视场中的某一固定点时,此处干涉环的级次随d的增大而增高，而且d每增大data/attachment/portal/201111/06/1531556o6jj0y5bzju0lcq.gif时，有一个干涉环移过此点向外扩展。因此在d不断增大时,可观察到干涉条纹不断从中心冒出并移向边缘，而且视场中的条纹变得密集。反之，当d减小时,条纹则移向中心并在中心消失，视场中的条纹变得稀疏。当d=0时,则观察到一均匀的视场，其亮度决定于φ的数值。
当M2与M1不完全垂直时，M2与M1构成一楔形空气层。若d足够小，则近似地得等厚干涉条纹,这时干涉条纹定位在空气层上,其形状为明暗相间的直条纹（图3）。干涉条纹随d的变化如图4所示，其中两边d较大，中间为零。
data/attachment/portal/201111/06/153155dgg0wy4syf0zwtkw.jpg迈克耳孙干涉仪
data/attachment/portal/201111/06/153155707km8a49azx07xz.jpg迈克耳孙干涉仪
经M1反射的光三次穿过分光板，而经M2反射的光只通过分光板一次。补偿板就是为消除这种不对称性而设置的。在干涉仪用单色光照明时，补偿板并非必要，分光板所增加的光程可以用空气中的光程补偿。但在用多色光作光源时，因为玻璃和空气的色散不同，补偿板则不可缺少。
欲要观察白光的干涉条纹，两相干光的光程差要非常小，亦即M1和M2要非常接近，此时看到的是彩色条纹。如果将M2稍作倾斜,使data/attachment/portal/201111/06/153155a1cr1a4v5j5py1lz.gif和M1相交,则得以交线处(d=0)的干涉条纹为中心的对称彩色直条纹，中央条纹不带彩色，其亮度视半反射膜的情况而变，常为暗条纹（见白光条纹）。