邁克爾遜干涉儀干涉條紋不穩(wěn)定原因及改進(jìn)措施

朱碩碩，楊達(dá)曉，文 璐，彭亞軍，黨富裕，陳亞武，姚 雪，方 旺

(重慶科技學(xué)院，重慶 401331)

邁克爾遜干涉儀干涉條紋不穩(wěn)定原因及改進(jìn)措施

朱碩碩，楊達(dá)曉*，文 璐，彭亞軍，黨富裕，陳亞武，姚 雪，方 旺

(重慶科技學(xué)院，重慶 401331)

現(xiàn)有邁克爾遜干涉儀產(chǎn)生的干涉條紋容易抖動(dòng)，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大誤差，甚至影響實(shí)驗(yàn)正常進(jìn)行。探尋干涉條紋抖動(dòng)主要原因，改進(jìn)儀器結(jié)構(gòu)和增加減振裝置，提高原有儀器的抗振動(dòng)干擾性能，使干涉條紋穩(wěn)定性提高。

邁克爾遜干涉儀；干涉條紋；振動(dòng)；改進(jìn)

“邁克爾遜干涉儀的調(diào)整與使用”是非常重要的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)，對(duì)該實(shí)驗(yàn)存在的問題[1-4]、誤差和不確定度等理論分析[5-9]，以及圍繞邁克爾遜干涉儀的拓展及應(yīng)用[10-11]，已有較多的文獻(xiàn)。但是，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課中，受實(shí)驗(yàn)場地及條件的限制，通常多臺(tái)儀器放置在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，較多學(xué)生同時(shí)上課使用。實(shí)驗(yàn)過程中，人員走動(dòng)、板凳的移動(dòng)及其它原因使儀器產(chǎn)生振動(dòng)，光屏上同一位置干涉光光程差發(fā)生改變，導(dǎo)致光屏上同一位置處干涉條紋級(jí)次改變，干涉條紋抖動(dòng)，甚至消失。干涉條紋不穩(wěn)定導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差過大，降低了實(shí)驗(yàn)的樂趣，甚至嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)正常進(jìn)行，極大打擊學(xué)生學(xué)習(xí)研究積極性，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

為此，已有研究者為了干涉條紋穩(wěn)定對(duì)該儀器設(shè)計(jì)了防振臺(tái)[12]，但是尋找干涉條紋抖動(dòng)主要原因，改善實(shí)驗(yàn)儀器使用性能仍十分必要。

1 邁克爾遜干涉儀

邁克爾遜干涉儀光路原理圖[13]如圖1所示。點(diǎn)光源S發(fā)出的光射在分光鏡G1,G1右表面鍍有半透半反膜，將入射光分成強(qiáng)度相等的兩束。反射光和透射光分別垂直入射到平面鏡M1和M2，它們經(jīng)反射后再回到G1的半透半反膜處，再分別經(jīng)過透射和反射后，到達(dá)光屏E。如到達(dá)E處的兩束光滿足相干條件，可觀察到干涉條紋。其中，G2為補(bǔ)償鏡，它與G1為相同材料，有相同的厚度，且表面與G1平行.目的是使參加干涉的兩光束經(jīng)過玻璃板的次數(shù)相等，不引入額外光程差。M1為可移動(dòng)平面鏡，背部有粗調(diào)螺釘可改變鏡面傾角。M2為固定平面鏡，背部也有粗調(diào)螺釘，側(cè)面和下面還有兩個(gè)拉簧微調(diào)螺釘。

圖1 邁克爾遜干涉儀光路原理圖

2 干涉條紋抖動(dòng)原因探討

根據(jù)干涉條紋產(chǎn)生機(jī)理，邁克爾遜干涉儀相鄰干涉條紋明暗條紋對(duì)應(yīng)光程差為微米量級(jí)，即該儀器本身對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件要求較高。分析可知實(shí)驗(yàn)時(shí)與干涉條紋抖動(dòng)有關(guān)的因素有：(1)地面和實(shí)驗(yàn)桌的振動(dòng)；(2)激光器和擴(kuò)束鏡的振動(dòng)；(3)邁克爾遜干涉儀的振動(dòng)。下面通過具體的實(shí)驗(yàn)作進(jìn)一步分析。

2.1 地面和實(shí)驗(yàn)桌的振動(dòng)

邁克爾遜干涉儀是精密儀器，對(duì)外部環(huán)境要求極高，而在實(shí)驗(yàn)室同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的學(xué)生較多，實(shí)驗(yàn)過程中，難免會(huì)有學(xué)生走動(dòng)而引起地面振動(dòng)，在操作過程中偶爾也會(huì)觸碰實(shí)驗(yàn)桌，這些都會(huì)引起實(shí)驗(yàn)桌振動(dòng)從而導(dǎo)致桌上儀器振動(dòng)，使干涉條紋抖動(dòng)。經(jīng)過多次驗(yàn)證：人員在實(shí)驗(yàn)室里走動(dòng)，輕輕敲擊實(shí)驗(yàn)桌都能引起干涉條紋非常明顯的抖動(dòng)。

為檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)桌振動(dòng)的影響，將邁克爾遜干涉儀放置于常見的能夠防振的光學(xué)平臺(tái)上實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)地面振動(dòng)的影響基本消除，但是如果輕敲臺(tái)面，使臺(tái)面振動(dòng)，干涉條紋仍然抖動(dòng)非常明顯。

2.2 激光器和擴(kuò)束鏡的振動(dòng)

作為邁克爾遜干涉儀的光源，為了檢測激光器振動(dòng)是否對(duì)干涉條紋有影響，進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)測試：將激光器與邁克爾遜干涉儀放在不同實(shí)驗(yàn)桌上，且實(shí)驗(yàn)桌互相不接觸，輕輕敲擊放置干涉儀的實(shí)驗(yàn)桌或邁克爾遜干涉儀底座，干涉條紋明顯抖動(dòng)，但輕輕敲擊放置激光器的升降臺(tái)或擴(kuò)束鏡，干涉條紋幾乎沒有變化，說明激光器的振動(dòng)不會(huì)引起干涉條紋明顯抖動(dòng)。

2.3 邁克爾遜干涉儀的振動(dòng)

通過前面的實(shí)驗(yàn)分析，可以得到以下結(jié)論：導(dǎo)致干涉條紋抖動(dòng)的原因，主要為邁克爾遜干涉儀本身的振動(dòng)。但干涉條紋抖動(dòng)主要由邁克爾遜干涉儀哪個(gè)部件的振動(dòng)引起，還得通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究。為此，繼續(xù)做如下測試：

(1)輕輕敲擊干涉儀的底座，干涉條紋容易發(fā)生抖動(dòng)，且抖動(dòng)十分明顯，且敲擊過后干涉條紋經(jīng)較短時(shí)間后便穩(wěn)定。

(2)輕輕敲擊分光板和補(bǔ)償板，干涉條紋也容易發(fā)生抖動(dòng)，且抖動(dòng)幅度明顯，但敲擊過后干涉條紋很快就能穩(wěn)定。

(3)輕輕敲擊可移動(dòng)平面鏡上端和側(cè)面，干涉條紋會(huì)發(fā)生明顯抖動(dòng)，但敲擊過后干涉條紋很快便穩(wěn)定。

(4)輕輕敲擊固定平面鏡上端和側(cè)面，干涉條紋極易發(fā)生明顯的抖動(dòng)，且抖動(dòng)幅度較大，甚至光屏上的干涉條紋變成一片亮斑而看不到明暗條紋，且敲擊過后干涉條紋需要相對(duì)較長才能穩(wěn)定。

對(duì)多臺(tái)邁克爾遜干涉儀多次試驗(yàn)，結(jié)果一致。分析這一系列測試結(jié)果，可知邁克爾遜干涉儀干涉條紋容易受外界振動(dòng)影響主要原因有：(1)放置儀器的實(shí)驗(yàn)桌若是普通的實(shí)驗(yàn)桌，沒有防振措施，容易造成桌上儀器振動(dòng)；(2)最根本原因是邁克爾遜干涉儀的固定平面鏡極易振動(dòng)，造成兩束相干光光程差改變，光屏上同一位置對(duì)應(yīng)的干涉級(jí)次改變，導(dǎo)致干涉條紋位置發(fā)生改變。

3 改進(jìn)措施

針對(duì)現(xiàn)有邁克爾遜干涉儀使用時(shí)存在的問題，提出以下改進(jìn)措施。

3.1 改善實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件

經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)室中與墻壁比較近的實(shí)驗(yàn)桌上的儀器和與墻壁比較遠(yuǎn)的實(shí)驗(yàn)桌上的儀器比較，因?yàn)榍罢咚幬恢玫孛嬲駝?dòng)幅度較小，從而干涉條紋受人員走動(dòng)和板凳移動(dòng)等影響相對(duì)較小。所以建議實(shí)驗(yàn)桌盡量靠墻擺放，且在實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)人員盡量不要來回走動(dòng)及挪動(dòng)板凳，避免引起地面振動(dòng)。

3.2 增加減振裝置

為隔離地面振動(dòng)，可將普通實(shí)驗(yàn)桌更換為具有抗振性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。但是市場上，具有防振性能的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)價(jià)格為幾千甚至上萬元，如需要較多實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)室改造經(jīng)濟(jì)成本高。當(dāng)然，可以通過實(shí)驗(yàn)尋找合適材料，研制隔振裝置，達(dá)到避免地面和桌面的振動(dòng)影響儀器使用效果。為找到合適材料，做了后續(xù)測試。

(1)在邁克爾遜干涉儀下放置一塊厚約3毫米橡膠墊，敲擊實(shí)驗(yàn)桌或者人員在地面走動(dòng)，發(fā)現(xiàn)干涉條紋抖動(dòng)明顯，說明橡膠墊無明顯減振效果。

(2)在邁克爾遜干涉儀下放置一塊厚約4厘米泡沫墊，敲擊實(shí)驗(yàn)桌或者人員在地面走動(dòng)，發(fā)現(xiàn)干涉條紋仍會(huì)抖動(dòng)，表明泡沫墊有減振作用，但效果不理想。

(3)在邁克爾遜干涉儀下放置內(nèi)胎和木板，測試發(fā)現(xiàn)，人員在地面走動(dòng)時(shí)，干涉條紋抖動(dòng)情況較以前有所改善，但敲擊實(shí)驗(yàn)桌時(shí)干涉條紋仍抖動(dòng)明顯。

(4)在邁克爾遜干涉儀下放置厚約5厘米海綿墊和木板，測試發(fā)現(xiàn)能明顯減弱人員在地面走動(dòng)對(duì)干涉條紋的影響，但敲擊實(shí)驗(yàn)桌干涉條紋還是能觀察到抖動(dòng)現(xiàn)象。

以上測試表明，海綿墊的減振效果最佳，但是僅增加減振裝置仍然不能達(dá)到理想的減振效果。

3.3 改進(jìn)邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)，提高儀器本身抗振動(dòng)干擾性能

現(xiàn)有邁克爾遜干涉儀固定平面鏡連接機(jī)構(gòu)示意圖如圖所示。固定平面鏡通過一根較細(xì)橫桿連接到儀器主體上，這種連接結(jié)構(gòu)本身容易振動(dòng)，可簡化為如圖所示的微振動(dòng)系統(tǒng)，三個(gè)彈簧可用一等效彈簧替代，連接桿和平面鏡部分質(zhì)量簡化為質(zhì)量M。該微振動(dòng)系統(tǒng)在外界振動(dòng)作用下作受迫振動(dòng)，橫桿振動(dòng)時(shí)帶動(dòng)固定平面鏡振動(dòng)，造成等傾干涉條紋發(fā)生抖動(dòng)甚至消失，即原有邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)本身抗振動(dòng)干擾性能低。

圖2 邁克爾遜干涉儀固定平面鏡連接機(jī)構(gòu)示意圖

圖3 邁克爾遜干涉儀固定平面鏡連接機(jī)構(gòu)微振動(dòng)系統(tǒng)示意圖

現(xiàn)將儀器上原安裝固定平面鏡的橫桿及連接固定平面鏡的拉簧螺釘機(jī)構(gòu)拆除，設(shè)計(jì)一個(gè)L形支架，將L形支架通過豎直側(cè)面上的螺釘固定在邁克爾遜干涉儀主體上，再將固定平面鏡通過螺釘安裝在L形支架水平面上。這樣把固定平面鏡與儀器的原來彈性連接方式，通過L形支架變成牢固的剛性連接方式，解決固定平面鏡容易振動(dòng)問題，使得干涉條紋不易抖動(dòng)。

經(jīng)測試，敲擊實(shí)驗(yàn)桌或者人員在地面走動(dòng)，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的儀器上干涉條紋仍有抖動(dòng)現(xiàn)象，但是抖動(dòng)幅度較改進(jìn)前明顯減小，且敲擊桌面過后干涉條紋很快就能穩(wěn)定下來，表明儀器改進(jìn)后干涉條紋穩(wěn)定性有較大改善，但外界振動(dòng)仍能影響干涉條紋穩(wěn)定性。因此，仍需在改進(jìn)后的儀器下方增加海綿墊進(jìn)行隔振。最終測試表明，干涉條紋穩(wěn)定性較無海綿墊有進(jìn)一步改善。敲擊實(shí)驗(yàn)桌或者人員在地面走動(dòng)，干涉條紋基本沒有明顯抖動(dòng)，即對(duì)干涉條紋穩(wěn)定性影響較小，實(shí)驗(yàn)仍然可以正常進(jìn)行，達(dá)到比較理想效果。

圖4 對(duì)固定平面鏡連接方式改進(jìn)后的邁克爾遜干涉儀

4 結(jié) 論

對(duì)邁克爾遜干涉儀干涉條紋抖動(dòng)原因進(jìn)行了詳細(xì)研究，找到了干涉條紋容易受外界振動(dòng)影響的原因，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。對(duì)現(xiàn)有儀器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并增加合適減振裝置，經(jīng)測試證明干涉條紋穩(wěn)定性顯著提高，該儀器抗振性能得到極大改善。

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Reasons and Improvement Measures about Interference Stripes Instability of Michelson Interferometer

ZHU Shuo-shuo,YANG Da-xiao,WEN Lu,PENG Ya-jun,DANG Fu-yu,CHEN Ya-wu,YAO Xue,FANG Wang

(Chongqing University of Science and Technology,Chongqing 401331)

The interference fringes produced by the existing Michelson interometer were easy to dithering.The reasons of interference dithering have been analyzed.The structure of instrument has been improved,and a shock absorber was used to increase vibration disturbance resistance of the instrument.The stability of interference image was improved.

Michelson interometer；interference stripes；vibration；improvement

2016-06-13

慶市大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(20141155015);重慶市高等學(xué)校教學(xué)改革研究立項(xiàng)項(xiàng)目(1203132);重慶科技學(xué)院教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目201146)

1007-2934(2016)06-0065-04

O 4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.006.016

*通訊聯(lián)系人