利用邁克爾遜干涉儀驗證光拍原理

程方昊 賈冰 張婕

1.齊魯理工學院計算科學與信息工程學院山東濟南250200;2.齊魯理工學院土木工程學院山東濟南250200

摘要：當兩列同向傳播的簡諧波滿足速度相同，頻率相近的條件時，在相遇的地方，疊加形成拍。光具有波粒二相性，光拍是光波動性的一種體現(xiàn)，本文創(chuàng)新性地利用邁克爾遜干涉儀驗證了光拍原理。

關鍵詞：震動疊加;邁克爾遜干涉儀;光拍

兩束振幅相等、頻率較大且相差較小的同向機械波可進行合成產(chǎn)生拍現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為振動的忽強忽弱。光作為一種高頻波，理論上也能產(chǎn)生這種現(xiàn)象。普通光源發(fā)出的光波，初相位的無規(guī)則且變化迅速，實驗過程中，如何使普通光源產(chǎn)出的光波也滿足恒定相位差的條件，是產(chǎn)生光拍現(xiàn)象的關鍵。為使相位差恒定，將光波分解成兩列或幾列，通過各種方式，改變各分光束走過的路程，然后相遇。這樣，盡管原始光波間的初相位變化迅速，但分光束之間仍然有恒定的相位差，滿足干涉疊加的條件?；谝陨显?，選擇邁克爾遜干涉儀作為基本實驗儀器驗證光拍原理的可能性。

1 實驗驗證

鈉光中包含二條主譜線，中心波長分別為λ1=589.6nm，λ2=589.0nm，波長差很小。試驗中，近似認為兩條譜線無限窄，則鈉光中只有λ1、λ2兩個波長，滿足干涉條件。則干涉條紋強度將出現(xiàn)周期性變化的“拍”現(xiàn)象。

1.1 實驗原理

在試驗中，通過分光板將波列分別射向M1和M2，經(jīng)反射后波列在E處相遇。根據(jù)干涉疊加原理，當兩列同向傳播的簡諧波滿足速度相同，頻率相近的條件時，在相遇的地方可能重疊，這時能夠產(chǎn)生干涉。但是，如果兩光路的光程差太大，兩波列將不再重疊，這時就不能發(fā)生干涉。將兩個分光束產(chǎn)生干涉效應的最大光程差，稱為該光源所發(fā)射的該單色光波的相干長度。

對鈉黃光，它是由589.0nm和589.6nm的雙線組成，波長差為0.6nm。在試驗中，將會產(chǎn)生兩套干涉條紋，相互疊加。則在干涉場中的強度分布由兩組干涉條紋共同決定，兩者非相干疊加，干涉條紋的視見度會隨著光程差的改變作周期性變化。

1.2 實驗步驟

實驗步驟簡述：

（1）擺放好所有實驗儀器后，先利用氦氖激光器調(diào)節(jié)干涉儀，使之能產(chǎn)生等傾干涉條紋。

（2）更換鈉光燈，通過調(diào)節(jié)螺旋測微計鼓輪，減小M1和M2′之間的距離d，根據(jù)中心條紋“收縮”到“舒張”的瞬間，確定M1和M2′重合（d=0）時位置。

（3）隨后繼續(xù)按原方向轉動鼓輪，并利用機器視覺系統(tǒng)上采集并觀察干涉條紋變化規(guī)律。

（4）記錄各次視見度最低時M2的位置讀數(shù)，進行數(shù)據(jù)處理及分析。

1.3 實驗現(xiàn)象

發(fā)現(xiàn)隨著動鏡M2的移動，干涉條紋發(fā)生周期性的變化，由最清晰逐漸變得模糊至看不到條紋，再出現(xiàn)模糊條紋至清晰。但隨著d的增加，各周期內(nèi)最清晰條紋的可見度逐漸降低，產(chǎn)生可見度為零的區(qū)間范圍逐漸增大。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

應用左右趨近法測量以確定條紋視見度最差時的位置。測量干涉條紋視見度最差位置時，由于Δ.很小且人眼分辨力有限，所以觀察到在很大一個范圍內(nèi)條紋視見度都很差，也就是說，干涉條紋模糊區(qū)域很寬，確定能見度最差的位置存在很大的不準確性。因此，考慮應用左右趨近法測量數(shù)據(jù)，減小隨機誤差，最終得鈉黃雙線的波長差約為0.59921nm。

1.5 實驗結論

該實驗精確地測量出鈉黃雙線的波長差，驗證了光拍原理的合理性，為應用此原理檢測濾光片奠定了基礎。

2 結語

利用鈉光作為光源，它是由589.0nm和589.6nm的雙線組成，得到的等傾干涉圓條紋也是兩種干涉圖樣的疊加，隨著光程差的改變，干涉圖樣的清晰度發(fā)生了變化。利用邁克爾遜干涉儀可以得到連續(xù)變化的光程差，由此觀察到條紋的視見度產(chǎn)生周期性的變化，這就是“光拍”現(xiàn)象。

參考文獻：

[1]錢惠國.再議濾光片光譜透過率的測量.大學物理實驗，2007.

[2]褚圣麟.原子物理學[M].北京：高等教育出版社，1995.