论文总字数：17894字

目 录

1.引言 5

2.理论基础 7

2.1迈克尔逊干涉仪工作原理 7

2.2相干光 9

2.3相干光束的产生 10

2.4光场的时间相干性 11

2.5相干长度和相干时间 13

2.6相干长度和单色性 14

2.7具体测量原理 14

3.实验测量及分析 15

3.1 等倾干涉条纹特点 15

3.2实验需要设备 15

3.3钠光相干长度的测量步骤及数据 16

3.4激光相干长度的测量步骤及数据 17

3.5计算及分析 18

4.光源相干性的应用 18

5.结论 19

6.讨论 19

参考文献 21

致谢 22

运用迈克尔逊干涉仪进行激光和钠光时间相干性的探究

赵枢祥

,China

Abstract: interferometer is a device that USES the interference effect of light to measure the physical quantity. For different purposes, there are different types of interferometers，Among them, the Michelson interferometer has been developed into a multipurpose device since its introduction. The Michelson interferometer is a precise interferometer, the most common instrument in laboratory and optical metrology, which is typical of the temporal coherence of light .This paper discusses the temporal coherence measurement of the light source—— Coherence length, coherence time by Michelson interferometer device，By studying the characteristics of laser and sodium light time coherence, we can get a better understanding of the differences between laser and other light sources.

Key words: Michelson interferometer, coherence, coherence time, coherence length

1 引言

光学现象是我们生活中比较常见的物理现象。我们看到的五颜六色的世界，看到不同的景象和美丽的风光，是因为那些物体发射光波或者折射和反射的一些光进入到我们的视线里，光和我们的生活是关系非常密切的，生活中的各个活动几乎都离不开光。对于光的研究，古今中外的人们都进行了不懈的努力。中国古代文学中就有相关光学知识的运用，相关文献中就记载着光的直线传播和光的折射等光学现象，这是中国最早的关于光的记录。然而，长久以来，人们对于光的认识，仅仅停留在一些比较常见和简单的物理现象中。对光的认真开始探讨是从英国物理学家牛顿开始的，他提出了光的微粒理论，这个理论成功的解释了光沿直线传播和光的折射等物理现象，与此同时，惠更斯则提出来光的波动理论，这一理论的完在菲涅耳和托马斯.杨等人的努力下得到了很大的完善，他们极大的推动了光的波动理论发展。伴随着光的反射定律和折射定律的发现，荷兰的李普塞发明望远镜和17世纪初期的冯特纳和延森的显微镜的发明，为几何光学的发展开辟了新的道路。到了19世纪，波动光学已经初步的发展起来，在波动光学时期，杨氏和菲涅耳的著作有着极其重要的作用。并且，托马斯.杨通过利用干涉实验，比较顺利的测量出了光波长的大小，这就是比较熟悉的杨氏干涉实验。并且，菲涅耳还成功的补充了惠更斯原理，这个原理同样解释了光沿直线传播的现象，并且还解释了光的衍射现象，这一原理成为波动光学的一个重要原理，自此波动光学开始战胜微粒学说。对于光的研究，到了十九世纪六十年代的时候，发生了很大的变革。麦克斯韦在先前人们提出的理论之上，在他自己的理论中提出，预言了电磁波是真实存在的，并且电磁波是以光速传播的，。这表明光是一种电磁现象，这个电磁理论，后来被赫兹所进行的实验证实存在电磁波，至此之后，确立了光的电磁理论。光的电磁理论，在物理学的发展过程中有着很重要的作用，电磁理论指出了电磁和光的一致性，证实了辩证唯物论的一个普遍原理，即大千世界的各种现象是存在着相互的联系的，在此基础上人们对于光的电磁性质有了更加深刻的认识。伴随着电磁波的发现和对电磁波的深刻认识，人们慢慢发现电磁波在不同的传播介质中会发生反射或者折射等一些现象，在传播中出现干涉，衍射等现象。根据当时已有的知识，光波也具有相似的干涉，衍射现象，本篇文章主要讨论光的干涉相关问题。

光波的干涉,是波的迭加原理的一种表现。顾名思义，如果两列波的振动频率是接近相同，并且两列波相遇时，它们的振动方向是同一个方向的,在观察的过程中，两列波的振动是连续不间断的，那么，这样的两列波相互叠加后，叠加后形成的和振动就会在一些地方变得削弱，并且在一些地方变得增强，这种振动的强度变化并不是无规则的，相反，这种振动变化呈现出一定的周期性。两列波在相互发生干涉的时候，因为它们之间相位的不同，假若这两个相互干涉的正弦波的相位差是一恒定的常数，那么，这样的两个正弦波它们的频率是相同的，所以，这两个波的干涉就是完全相干的。一般情况下，两个没有关联的光波叠加是不会产生干涉图样的，但是，为了从这些互不关联的光波中观察到我们需要的干涉图样，我们需要从这些波源中调节出相干性较高的波，从而从这些相干光波中观察干涉条纹图样。光波产生干涉条纹的一个前提性质就是光波的相干性，光源的相干性包括时间相干性和空间相干性，空间相干性问题来源于普通的扩展光源不同部分之间的不相干，即在相同的时间，研究空间中不同的两点干涉情况。时间相干性问题来源于光源发光过程在时间上的断续性。时间相干性问题表现在波场的纵方向上，具体的讲，时间相干性问题，就是研究光场中两个固定的点，在不同的时间内光场的干涉情况。目前，为了制作相干性较高的光波，有两种实验方案，一种方法是波前分割，这种方法就是从利用波源发射出的波，波前与波源的距离差不多，然后通过有几条有狭缝的挡板，这个挡板可以除去从微小波源发出的波，我们只需要让这几个狭缝和发射的光源之间距离的相同，那么，入射到这几个狭缝的光波就是可以认为是相同的波前，这几个狭缝的每一个点可以认为是一个次波源，这些次波源会发出次波，因为是在同一个挡板上，所以这些点发出的次波相位可以视为是相同的，杨氏双缝实验通过用这个方法，得到了的光束它们之间的相干性是比较好的。另一种是波幅分割法，波幅分割法原理就是用半反射，半透明的镀银镜，把入射的光波分为两部分，通过这种方式，制造出透射波和反射波，这两部分光波具有很强的相似性，它们之间的相干性是很强的，假设这两束光它们之间的光程长度不一样，这样它们在观察屏的相位就会不同，就会产生明显的干涉图样，迈克尔逊干涉仪就是基于此原理。光源的相干性有很重要的研究价值，在谈论一个光源是否是否满足相干光源的条件这些问题时，我们需要考虑几个方面，一方面，我们需要考虑光源本身发光的持续时间的一个相关条件，另外一个方面，我们还需要考虑光源的空间的相关条件，即空间相干性。本文探究激光和钠光的时间相干性，为了便于讨论，和对相干性的深刻理解，通过使用控制变量法，控制空间变量上的恒定不变，仅认为周相差的变化是因为时间变量而引起的，正是基于此，利用迈克耳逊干涉仪探究光源的时间相干性。

迈克尔逊干涉仪是美国物理学家迈克耳逊设计、制作的一种高精度的光学测量仪器。迈克尔逊使用他的干涉仪起初用光的波长作为基本的单位，把长度的标准建立在一个永久不变的基础上。由于迈克尔逊干涉仪将两束相干光完全的分离，所以，这两束光的光程差可以根据要求做出各种改变，因此得到了比较广泛的应用。此外，迈克尔逊利用他自己的干涉仪进行了光谱线的精细结构方面的探究，基于迈克尔逊干涉仪，还发展出了很多的干涉仪器，比如加装计算机和CCD就可以进行工厂一些产品的质量检查，可以检查一些玻璃制品的折射率和相关的光学性质。

2 理论基础

2.1 迈克尔逊干涉仪工作原理

如下图1所示，这是常见的迈克尔逊干涉仪实物图。

图1 迈克尔逊干涉仪实物图

迈克尔逊干涉仪装置的结构示意图如下图2所示，M₂和M₁是一对平面反射镜，这两个平面反射镜它们之间是互相垂直的，在反射镜的后面都有调节螺丝，可以通过调节这些螺丝达到调节平面镜方位的作用，在迈克尔逊干涉仪中，M₁反射镜一般是不需要移动的，它是固定起来的，M₂和G₁精密丝相连，它可以沿着导轨在上面左右的缓慢移动，M₂可动反射镜可以沿着臂轴进行前后的移动，它移动的距离是由转盘来读出。当M₁和M₂严格平行时，M₂缓缓移动，在观察屏上面可以看到干涉圆环图样不断的从中心出冒出或者涌入，并且圆环的变化在明和暗之间交替的变化，表现出周期性。当M₁和M₂之间不是平行时，则表现出来的就是等厚干涉，对应的干涉图样则是一些线状条纹。在迈克尔逊干涉仪中，粗手轮上面的读数表盘上的分度值是10-2mm,迈克尔逊干涉仪中微动手轮上面的的分度值是10-4mm,所以是可以估读到10-5mm的，在迈克尔逊干涉仪上面，有一个平行平面玻璃板G₁,玻璃板与两个臂轴之间夹角为45度，并且在G₁玻璃板的背面上镀着半透射膜，通过这个半反透射膜，可以将入射的光束分离成为两束光，一束反射光和一束透射光，由此改变了这两束光的传播方向，反射光和透射光它们之间的振幅是几乎相同的，所以它们的光强也是近似相等。由此，G₁玻璃板又可以称之为分光板，在图中，和G₁一样，G₂也是相同材质的玻璃板，只不过G₂玻璃板背后并没有半透膜，G₂与G₁是严格平行放置的，因为是相同材质，所以G₁和G₂的厚度以及折射率都是完全相同。 从光源发射出来的光，到达分光板后将会被分离成为两束光，一束反射光在分光板G₁反射后将向着反射镜M₂的方向传播，传播方向与M₂反射镜垂直，一束透射光透过分光板后，将向着反射镜M₂的方向传播，并且传播方向同样和M₂垂直，这样的两列波经过M₁和M₂反射镜后，会在反射镜上反射回来，沿着与之前相反的方向反射回来，最终这两束光都到达在观察屏方向 ，因为这两列光波是来自于同一束光，所以这两束光它们是相干光，在观察屏方向可以看到干涉图样。

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