物理现象探索：等倾干涉与迈克尔逊干涉仪

等倾干涉

Equal Inclination Interference

在实验室中，我们常用迈克尔逊干涉仪来观察等倾干涉条纹。迈克尔逊干涉仪是1881年由美国物理学家迈克尔逊和莫雷为研究“以太”漂移而设计制造的精密光学仪器。历史上，迈克尔逊－莫雷实验结果否定了“以太”的存在，为爱因斯坦建立狭义相对论奠定了实验基础。迈克尔逊和莫雷因在该工作上所取得的杰出成就获得了1907年诺贝尔物理学奖。在近代物理学和近代计量科学中，迈克尔逊干涉仪具有重大的影响，得到了广泛应用，特别是20世纪60年代激光出现以后，各种应用就更为广泛。

实验装置

迈克尔逊干涉仪，激光或钠光光源。

图1　迈克尔逊干涉仪

图2　迈克尔逊干涉仪示意图

迈克尔逊干涉仪结构原理如下：激光光源，分光镜G₁右表面镀有半透半反膜，使入射光分成强度相等的两束。全反射镜M1和M2，M1为固定全反射镜，背部有3个粗调螺丝，侧面和下面有两个微调螺丝。M2为可动全反射镜，背部有3个粗调螺丝。观察区E，如E处的两束光满足相干条件，可发生干涉现象。G₂为补偿板，与G₁一样的材料和厚度，且平行安装。M2在导轨上由粗动手轮和微动手轮的转动而前后移动。

现象观察

1.移开扩束透镜，打开激光器电源使之出射激光，调节激光方向使入射光与反射光重合。

2.观察由M1和M2反射到屏上的两组光点，反复调节背部3个调节螺丝，使M1反射的光点和M2反射的光点一一对应重合。

3.把扩束透镜置于激光束中，使激光扩束后投射到分光板上，调节光照位置直到观察到屏上有同心圆。

4.转动微动手轮观察干涉图样的变化情况，顺时针或反时针转动，观察干涉图样中心冒出或内陷的情况。

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图3　干涉照片

图3是由迈克尔逊干涉仪得到的干涉照片，照片上我们可以清晰地看到干涉花样是明暗相间的同心圆，条纹的密度是内疏外密。

现象解密

等倾干涉是薄膜干涉的一种。光线以倾角i入射均匀的薄膜，在薄膜上下表面各有一次反射，上下两束反射光线经透镜会聚，形成干涉，如图4所示。由于入射角相同的光经薄膜两表面反射形成的反射光在相遇点总有相同的光程差，也就是说，凡入射角相同的就形成同一条纹，故倾斜度不同的光束经薄膜反射所形成的干涉花样是一些明暗相间的条纹。因为倾角i相同时，干涉情况一样，所以这种干涉称为等倾干涉。此外，等倾干涉条纹只呈现在会聚平行光的透镜的焦平面上，不用透镜时产生的干涉条纹应在无限远处，所以我们说等倾干涉条纹定域于无限远处。

图4　上下两束反射光线经透镜会聚，形成干涉

应用拓展

利用迈克尔逊干涉仪不仅可以观察光的等厚、等倾干涉现象，精密地测定光波波长、微小长度、光源的相干长度等，还可以测量气体、液体的折射率等。

思考题

1.在调等倾干涉条纹时，为什么条纹有一个由直变圆的渐变过程？

2.为什么向“等光程”状态调节时，圆条纹变粗变疏？

3.迈克尔逊干涉仪中的圆状干涉条纹与牛顿环的性质是否相同？为什么？

4.如用白炽灯作光源，怎样调节干涉仪才能看到干涉条纹？

5.在生活中我们能看到哪些等倾干涉条纹，请举例。