CN205749282U - 一种利用迈克尔逊干涉光路测量空气折射率的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种利用迈克尔逊干涉光路测量空气折射率的实验装置。它是在光学平台上设置激光器、扩束镜、分束镜、干涉条纹显示屏、平面全反射镜M₁及M₂，激光器发出的光经分束镜分成光强接近相等的两束光，分别垂直射向M₁及M₂，经它们反射后形成干涉条纹。在分束镜与M₁之间的光路上设置气室，气室设置气体压强传感器及气泵，干涉条纹显示屏上设置光电传感器。通过气泵向气室充气，记下压强的变化量及干涉条纹变化的数目，即可计算出空气折射率。本实用新型采用透明树脂材料做成气室，不易摔坏，两端镀膜能增强光的透射率，利用气体压强传感器测气体压强，通过气泵向气室充气，利用光电传感器检测干涉条纹变化的数目，方便准确。

Description

一种利用迈克尔逊干涉光路测量空气折射率的实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种大学物理实验装置，具体是涉及一种利用迈克尔逊干涉光路测量空气折射率的实验装置。

背景技术

光的干涉是重要的光学现象之一，是光的波动性的重要实验依据。两列频率相同、振动方向相同且相位差恒定的相干光在空间相交区域将会发生相互加强或减弱的现象，即光的干涉现象。光的波长虽然很短，但干涉条纹的间距和条纹数却很容易用光学仪器测得。根据干涉条纹数目和间距的变化与光程差、波长之间的关系式，可以推出微小长度变化(光波波长数量级)和微小角度变化，因此光的干涉现象在照相技术、测量技术、平面角检测技术、材料应力及形变研究等领域有着广泛的应用。相干光源的获取除用激光外，在实验室中一般是将同一光源采用分波阵面或分振幅两种方法获得，并使其在空间经不同路径会合后产生干涉。迈克尔逊干涉仪是1883年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作，为研究“以太”漂移而设计制造出来的精密光学仪器，它利用分振幅法产生双光束以实现干涉。在近代物理和近代计量技术中，如在光谱线精细结构研究和用光波标定标准米尺等实验中都有着重要的应用，后来多种专用干涉仪都是在此基础上研制的。

利用迈克尔逊干涉光路测量空气折射率是目前大学物理实验中一个常见的项目。目前的实验装置通常是采用透明玻璃管作为气室，通过气囊向玻璃管内充入空气，利用气压表测量玻璃管内气体的压强，同时利用人眼直接观察并记录干涉条纹变化的数目，然后代入公式计算出空气的折射率。但是这种装置与测量方法存在以下不足：

其一，实验过程中学生容易将玻璃管摔坏。

其二，通过气囊向玻璃管内充入空气，如果学生充入气体过多，容易造成玻璃管爆裂，从而可能造成人身伤害。利用气压表测量玻璃管内气体的压强不方便而且不准确。

其三，利用人眼直接观察并记录干涉条纹变化的数目，容易造成人眼疲劳，读数失误，从而影响实验结果的准确性。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本实用新型提出一种利用迈克尔逊干涉光路测量空气折射率的实验装置，该装置采用透明树脂材料做成的气室代替玻璃管，不易摔坏，利用气体压强传感器监测气室内气体的压强，通过控制器控制微型气泵向气室内充入空气，可以避免充入气体过多造成气室爆裂。利用光电传感器代替人眼检测并记录干涉条纹变化的数目，从而提高实验结果的准确性。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：在光学平台上设置激光器、扩束镜、分束镜、干涉条纹显示屏、平面全反射镜M₁及M₂，激光器发出的光经扩束镜，再经分束镜半反射膜的透射和反射，被分成光强接近相等的两束光，一束为透射光，一束为反射光。当激光束以45°角射向分束镜时，被分成相互垂直的两束光，这两束光分别垂直射向两平面全反射镜M₁及M₂，经它们反射后再回到分束镜的半反射膜上，经半反射膜反射和透射后又汇聚成一束光，射到干涉条纹显示屏上。由于反射光与透射光为两相干光束，因此可以在屏上观察到干涉条纹。在分束镜与平面全反射镜M₁之间的光路上设置由透明树脂材料做成的气室，两端镀膜以增强光的透射率，气室内设置一气体压强传感器，一端开口于气室内，气体压强传感器通过接口与控制器相连，用来测量气室内气体的压强，并可显示出来。微型气泵一端与气室相连，另一端与控制器相连，利用气体压强传感器监测气室内气体的压强，通过控制器控制微型气泵向气室内充入空气，可避免充入气体过多造成气室爆裂。在干涉条纹显示屏上设置光电传感器，利用光电传感器代替人眼检测并记录干涉条纹变化的数目，从而提高实验结果的准确性。实验时通过微型气泵向气室内充入空气，改变气室内气体的压强，记下压强的变化量，同时记录干涉条纹变化的数目，根据公式即可计算出空气的折射率。

本实用新型的有益效果是，该装置采用透明树脂材料做成的气室代替玻璃管，不易摔坏，两端镀膜能增强光的透射率。利用气体压强传感器监测气室内气体的压强，通过控制器控制微型气泵向气室内充入空气，方便准确而且可以避免充入气体过多造成气室爆裂。利用光电传感器代替人眼检测并记录干涉条纹变化的数目，避免人眼疲劳造成的读数失误，从而提高实验结果的准确性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

附图是本实用新型的结构示意图。

图中1.激光器，2.激光器电源，3.扩束镜，4.分束镜，5.气室，6.平面全反射镜M₁，7.平面全反射镜M₂，8.干涉条纹显示屏，9.光电传感器，10.气体压强传感器，11.微型气泵，12.控制器，13.干涉条纹变化数目显示屏，14.气体压强显示屏，15.气泵启停控制按键，16.电源开关按键。

具体实施方式

图中，在光学平台上设置激光器1、扩束镜3、分束镜4、干涉条纹显示屏8、平面全反射镜M₁6及平面全反射镜M₂7，激光器1与激光器电源2相连，激光器1发出的光经扩束镜3，再经分束镜4半反射膜的透射和反射，被分成光强接近相等的两束光，一束为透射光，一束为反射光。当激光束以45°角射向分束镜4时，被分成相互垂直的两束光，这两束光分别垂直射向平面全反射镜M₁6及平面全反射镜M₂7，经它们反射后再回到分束镜4的半反射膜上，经半反射膜反射和透射后又汇聚成一束光，射到干涉条纹显示屏8处。由于反射光与透射光为两相干光束，因此可以在屏上观察到干涉条纹。在分束镜4与平面全反射镜M₁6之间的光路上设置由透明树脂材料做成的气室5，气室5两端镀膜以增强光的透射率，气室5内设置一气体压强传感器10，一端开口于气室5内，气体压强传感器10与控制器12相连，用来测量气室5内气体的压强，并可通过控制器12上的气体压强显示屏14显示出来。微型气泵11一端与气室5相连，另一端与控制器12相连，利用气体压强传感器10监测气室5内气体的压强，通过控制器12控制微型气泵11向气室5内充入空气，可避免充入气体过多造成气室5爆裂。在干涉条纹显示屏8上设置光电传感器9，利用光电传感器9代替人眼检测并记录干涉条纹变化的数目，并可通过控制器12上的干涉条纹变化数目显示屏13显示出来，从而提高实验结果的准确性。

具体实验操作步骤为：

(1)先不加扩束镜3，调节两平面全反射镜M₁6及平面全反射镜M₂7互相垂直，使激光器1发出的光束垂直入射到M₁6及M₂7的中心，从M₁6及M₂7返回的两个光点要同时返回激光器1的出射孔，并且要在干涉条纹显示屏8上完全重合。还要注意M₁6及M₂7到分束镜4的距离要接近相等，以便得到粗而疏的圆环状干涉条纹，便于观察测量。最后加上扩束镜3，要尽量在干涉条纹显示屏8上观察到同心圆环状干涉条纹，并将干涉条纹中心调到光电传感器9上。

(2)将气室5的阀门拧紧以防气体在压缩的过程中溢出，通过控制器12上的气体压强显示屏14记录此时气室5内气体压强的初始值p₁。

(3)按下控制器12上的气泵启停控制按键15，启动微型气泵11向气室5内缓慢充入空气，使气室5内气体的压强变化，可以在干涉条纹显示屏8上观察到干涉条纹从中心“涌出”或“缩进”，通过控制器12上的干涉条纹变化数目显示屏13显示条纹的变化数目。稍后按下气泵启停控制按键15，通过干涉条纹变化数目显示屏13记下条纹的变化数目为ΔK。通过控制器12上的气体压强显示屏14记录此时气室5内气体的压强值p₂，则气室5内气体压强的变化量为Δp＝p₂-p₁。

(4)计算干涉条纹变化的数目与相应压强变化量的比值测出气室的长度L，将激光的波长λ及初始时气室5内气体的压强p₁代入公式即可计算出压强为p₁时空气的折射率。

以上对本实用新型的结构进行了阐述，但是本实用新型所介绍的实施例并没有限制的意图，在不背离本实用新型主旨的范围内，本实用新型可有多种变化和修改。

Claims (3)

1.一种利用迈克尔逊干涉光路测量空气折射率的实验装置，它是在光学平台上设置激光器(1)、扩束镜(3)、分束镜(4)、干涉条纹显示屏(8)、平面全反射镜M₁(6)及平面全反射镜M₂(7)，在分束镜(4)与平面全反射镜M₁(6)之间的光路上设置气室(5)，其特征是：气室(5)内设置一气体压强传感器(10)，一端开口于气室(5)内，气体压强传感器(10)与控制器(12)相连，用来测量气室(5)内气体的压强，并可通过控制器(12)上的气体压强显示屏(14)显示出来，微型气泵(11)一端与气室(5)相连，另一端与控制器(12)相连，利用气体压强传感器(10)监测气室(5)内气体的压强，通过控制器(12)控制微型气泵(11)向气室(5)内充入空气。

2.根据权利要求1所述的利用迈克尔逊干涉光路测量空气折射率的实验装置，其特征是：在干涉条纹显示屏(8)上设置光电传感器(9)，利用光电传感器(9)代替人眼检测并记录干涉条纹变化的数目。

3.根据权利要求1所述的利用迈克尔逊干涉光路测量空气折射率的实验装置，其特征是：气室(5)是由透明树脂材料做成的，气室(5)两端镀膜。