白光和激光扩展光源协同调节白光等厚干涉条纹

     迈克尔逊干涉仪是一种分振幅双光束干涉仪， 其设计精巧、原理简单，是最能体现科学之美的代 表物之一。其科学之美体现在以下几方面：一是设 计思想的创造性。它能够产生干涉光束的分离，便 于在光路中布置其他光学器件，可作为多种干涉实 验的平台。二是设计的艺术性。它使用补偿板实现两 臂光路对称，消除白光色散，可通过白光干涉条纹精 准确定等光程位置。迈克尔逊干涉仪曾被用于开展以 下三个重要实验：1887年测量以太漂移的迈克尔逊莫 雷实验；1892年首次系统地研究光谱线的精细结构； 1895年首次将光的波长与标准米进行比较[1]。目前， 迈克尔逊干涉仪已经在生产和科研领域得到广泛应 用[2-4]。迈克尔逊干涉仪是近代许多干涉仪的原型， 作为傅里叶变换红外光谱仪的核心组件，其中，激 光干涉引力波天文台LIGO就是臂长为4千米的超级迈 克尔逊干涉仪[5]。

  迈克尔逊实验是经典的大学物理实验，包括点光 源非定域干涉、激光等倾干涉、激光等厚干涉、白光 等厚干涉的观察，主要利用干涉原理进行波长测量、 薄片厚度测量等[6]。由于白光是复色光，相干长度很 短，白光干涉彩色条纹只能在光程差很小即d≈0附近 的极小范围内才能被观察到，作为等光程的标志。因 此，寻找白光干涉彩色条纹成为实验成败的决定因素，在实验过程中需要非常仔细地移动动镜。一线教 师根据实践经验提出了一些改进方法。一是借助透射 光栅的光程补偿作用增大白光干涉条纹的可观察范 围；二是使用相干长度比白光大的复色光源如汞灯， 缩小动镜的调节范围。然而，这两种方法都需要在现 有实验仪器的基础上额外增加实验装置。

  笔者长期从事光学实验教学，在教学实践中探索 出一种利用迈克尔逊实验基本实验器材进行白光干涉 条纹快速调节方法，即利用白光和激光扩展光源协同 进行白光等厚干涉条纹的调节，可供广大物理实验教 师参考。

1   白光等厚干涉条纹常规调节方法及存在的 问题

   大部分物理实验教材中提到的白光等厚干涉条纹 的调节过程包括以下步骤。一是以波长为632.8 nm的 氦氖激光器为光源，调出非定域干涉条纹；二是使 用氦氖激光器扩展光源调出严格的等倾干涉，移动 动镜直到接近等光程位置；三是调节固定镜水平倾 斜度，得到1 mm的等厚直条纹；四是换上白光扩展 光源，仔细调节动镜，调出白光等厚干涉条纹。由 于激光相干性好，激光扩展光源形成的等厚干涉条纹的相干深度足够大，动镜M1和M2在分束板G1中的 像即虚镜M2' 之间的距离d在很大范围内都能观察到 清晰的干涉条纹。当M1与M2' 逐渐接近至相交，再相 互远离时，使用激光扩展光源得到的等厚干涉条纹 的形状会发生由弯曲变为直线，再到弯曲的变化， 如图1所示。所以，使用激光扩展光源形成的等厚干 涉条纹的形状可作为动镜调节方向的判断依据。

  白光是复色光，相干长度在微米量级，只有当动 镜M1和虚镜M2'之间的距离d在等光程位置，即动镜M1 和虚镜M2'的相交线附近几个微米之内时，才能观察到 图2(b)所示的白光干涉彩色条纹，否则，看不到任何 条纹，如图2(a)所示。由于能够观察到白光干涉条纹 的d范围很小，在移动动镜M1时要缓慢地调节微调螺 旋，稍微转动快一点，就很难找到彩色条纹。一旦错 过，继续沿原方向调节也是离等光程位置越来越远。 所以，白光干涉条纹的调节过程中找准动镜的调节方 向非常关键。动镜调节速度也是一个重要因素，放慢 速度有利于准确地捕捉干涉条纹，但会增加调节时 间。如果长时间看不到任何清晰图像，就容易导致学 生注意力不集中，从而失去耐心。所以，合适的调节 速度也是实验成功的关键。

  实验中常用的干涉仪是二级螺旋测微仪的组合， 通常是通过微调手轮调节动镜，使其达到等光程位 置。当调节速度稍快导致干涉条纹超过所需位置时， 则要反向调节动镜。此时仅靠微调手轮消除回程差难 度较大，需要先消除粗调手轮的回程差，再消除微调 手轮回程差。

2    白光和激光扩展光源协同调节

   针对以上这些问题，笔者结合实践经验设计了 白光和激光扩展光源协同等厚干涉条纹调节方法，在 调节白光等厚干涉条纹时，使用白光和激光扩展光源 在不同的观察区域形成干涉条纹。一方面，可以明确 动镜的调节方向和调节速度，以及判断回程差是否消 除，解决了视场中无图像、易疲劳的问题；另一方 面，可以实时对比激光和白光等厚干涉条纹，有利于 理解白光等厚干涉条纹的特点。

  调节方法如下：一是经凸透镜扩束的激光和白光 同时照射毛玻璃屏，通过干涉仪的G1镜观察，既可以 观察到激光形成的干涉条纹，又可以观察到白光干涉 现象，如图3(a)所示。二是在零光程位置，可以看到 彩色的白光等厚干涉彩色条纹和激光干涉条纹共存的 现象，如图3(b)所示。这种调节方法具有以下四个优 势：一是可以根据激光扩展光源形成的等厚干涉条纹 的形状确定动镜调节方向，即沿干涉条纹从弯曲变垂 直的方向调节动镜；二是可以根据激光扩展光源等厚 干涉条纹的移动速度选择合适的动镜调节速度，只要 在能够分辨出激光等厚干涉条纹的速度下调节动镜， 就能够调出白光等厚干涉条纹；三是当反方向调节动 镜时，可以通过激光干涉条纹的移动，判断回程差是 否已消除；四是在调节过程中，可以在视场中看到激 光干涉条纹的移动，有利于学生集中注意力。

3   协同调节的实际效果

   在实际教学中，笔者对常规调节方法、白光和激 光扩展光源协同调节两种方法进行了对比，分别观察 白光等厚干涉条纹，并测量薄片厚度的实验效果。使 用常规调节方法的小组完成实验所需时间较长，且常 能看到学生从头重复实验过程，仅有50%左右的学生能 在规定时间内独立完成实验内容。使用白光和激光扩展光源协同调节方法的小组完成实验所需时间较短， 只有极个别学生未能在规定的时间内完成实验内容。

4     结语

   迈克尔逊干涉仪白光等厚干涉彩色条纹的常规调 节存在动镜调节方向和速度不易确定、长时间观察不 到条纹的状态下易失去耐心、回程差是否消除不易判 断等问题。使用白光和激光扩展光源协同调节方法， 通过激光干涉条纹的形状和移动方向确定动镜调节的 方向和速度，并消除回程差，从而使学生集中注意 力，获得了良好效果，缩短了实验时间。利用这种调 节方法，绝大部分学生能够在规定的时间内完成实验内容。通过实时对比激光和白光等厚干涉条纹，加深 学生对白光等厚干涉条纹特点的理解。