邁克耳孫干涉儀圓心位置微調系統的設計

梁小沖，穆萬軍，汪仕元,朱　俊，郝彥軍，于白茹，李　偉，李紫源，饒大慶，鄒旭敏

(四川大學 物理科學與技術學院，四川 成都 610064)

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邁克耳孫干涉儀圓心位置微調系統的設計

梁小沖，穆萬軍，汪仕元,朱俊，郝彥軍，于白茹，李偉，李紫源，饒大慶，鄒旭敏

(四川大學 物理科學與技術學院，四川 成都 610064)

摘要：邁克耳孫干涉實驗中干涉圖像的圓心不易調節并且容易損壞儀器，為此設計了限位拉桿調節螺釘裝置與磁力調心裝置，改良后的實驗裝置可以使操作者快速、準確地調節好干涉圖像的圓心位置.

關鍵詞：邁克耳孫干涉；干涉圖像；限位；磁力調心；圓心位置

1問題的提出

圖1為邁克耳孫干涉儀[1]結構圖，“反射鏡1”是可動反射鏡，“反射鏡2”是固定反射鏡，“反射鏡調節螺釘”可以調節2個反射鏡面的反射光斑重合，也可粗調干涉圖像圓心的位置，“垂直拉桿調節螺釘”和“水平拉桿調節螺釘”主要都由拉桿螺套和內螺桿組成，其作用是微調干涉圖像圓心的位置. 在邁克耳孫干涉實驗過程中，學生們常常在調節干涉圖像的圓心位置時感到很困難. 當用反射鏡調節螺釘來調節圓心位置時，因為粗調螺釘的微小轉動都會使螺釘的軸向進退量較大，使反射鏡面的方位變化較大，從而使來自固定反射鏡和可動反射鏡這2個反射鏡面的光斑不再重合，進而導致干涉圖像消失；在用拉桿調節螺釘微調圓心位置時，經常是拉桿調節螺釘的螺套旋轉到極限位置了還沒有把圓心調節到觀察屏的中部，特別是螺套向外旋轉到極限位置后，螺套就會掉下，固定反射鏡面的方位就會發生較大變化，同樣會導致干涉圖像消失. 更為糟糕的是拉桿調節螺釘的螺套還不能徒手恢復到合理的位置，必須要借助手鉗或螺絲刀之類的工具，這不僅給學生的正常實驗帶來困難，還給儀器的維護、管理人員增加了大量的額外工作. 為防止拉桿調節螺釘的螺套向外旋出掉落，現有邁克耳孫干涉儀在拉桿調節螺釘的內螺桿上設置了限位釘，但是仍然經常出現拉桿調節螺釘的螺套擰掉的情況. 經仔細觀察發現，其原因是內螺桿已到極限位置，操作者仍在旋轉拉桿調節螺釘的螺套，螺套和內螺桿的細牙螺紋間出現了打滑現象，因為這種打滑的阻力很小，手感不明顯，打滑錯位的響聲也很小，不容易引起操作者的注意. 由此可見，現有邁克耳孫干涉圖像圓心位置的微調系統應該進行必要的改進，以便學生更好的完成實驗.

圖1　邁克耳孫干涉儀結構圖

2對邁克耳孫干涉圖像圓心位置微調系統的改進

2.1　對邁克耳孫干涉儀拉桿調節螺釘系統的可靠限位

圖2(a)是邁克耳孫干涉儀限位拉桿調節螺釘裝置[2]示意圖，圖2(b)是拉桿調節螺釘的結構示意圖. 在邁克耳孫干涉儀的固定反射鏡橫桿4的左側固定拉桿調節螺釘座2，下方固定拉桿調節螺釘座5，拉桿調節螺釘1擰入拉桿調節螺釘座2的螺紋孔中，將彈簧3壓縮在固定反射鏡橫桿4的左側，拉桿調節螺釘1的外側設置了限位槽9，在限位槽9的中間加工了1條中位線8，當中位線8處于拉桿調節螺釘座2的螺紋口位置時，彈簧3有一定壓縮量，固定反射鏡橫桿4向右有一定的彎曲量，拉桿調節螺釘可在螺紋孔中進退，通過彈簧使固定反射鏡橫桿的彎曲量產生變化，從而起到干涉圖像圓心位置在水平方向上的微調，同時在拉桿調節螺釘座2上伸出1根限位桿7，限位桿7插入拉桿調節螺釘1的限位槽9中，可以防止拉桿調節螺釘旋出掉落，旋進則有拉桿調節螺釘座的端面限位，這樣一來，拉桿調節螺釘的前后限位準確牢固，徹底消除了拉桿調節螺釘旋出掉下的問題，這就能保證學生的正常實驗，同時減少了儀器維護的工作量.

(a)邁克耳孫干涉儀限位拉桿調節螺釘裝置

(b)拉桿調節螺釘的結構示意圖1.拉桿調節螺釘　2.拉桿調節螺釘座　3.彈簧　4.固定反射鏡橫桿　5.拉桿調節螺釘座　6.螺桿座7.限位桿　8.中位線　9.限位槽圖2　實驗裝置結構示意圖

雖然邁克耳孫干涉儀限位拉桿調節螺釘在調節圓心位置的時限位準確牢固，但是調節量還是有限，經常是有限位槽的拉桿調節螺釘已經旋轉到極限，干涉圓環的圓心還沒有出現在觀察屏中部.

2.2　邁克耳孫干涉儀磁力調心裝置

為了解決現有邁克耳孫干涉儀限位拉桿調節螺釘調節圓心位置的調節量非常有限的問題，設計了邁克耳孫干涉磁力調心裝置，如圖3所示.

1.動磁塊座　2.動磁塊　3.靜磁塊　4.靜磁塊座　5.螺桿　6.固定反射鏡橫桿　7.平衡線　8.螺桿座圖3　邁克耳孫干涉儀磁力調心裝置

螺桿座8固定在邁克耳孫干涉儀機身上，動磁塊2固定在動磁塊座1上，動磁塊座1固定在螺桿5上，螺桿5連接在螺桿座8的螺紋孔中，靜磁塊3固定在靜磁塊座4上，靜磁塊座4固定在固定反射鏡橫桿6上，平衡線7標注在螺桿座8上，豎直方向上的結構和水平方向的相同.

邁克耳孫干涉磁力調心裝置主要由磁塊和調節螺釘組成，靜磁塊固定在邁克耳孫干涉儀的固定反射鏡橫桿上，動磁塊固定在調節螺釘上，在水平和豎直方向上各有1組動、靜磁塊，每組磁塊的同極相對，動靜磁塊之間產生斥力，在動靜磁塊之間畫1條平衡線，實驗開始時，調節動磁塊的外露端面到平衡線位置，此時動靜磁塊間的斥力使固定反射鏡橫桿產生適量彎曲，在需要調節等傾干涉圓心位置時，只要調節動、靜磁塊之間間隙大小即可，間隙變小，斥力增大，間隙變大，斥力減小，固定反射鏡橫桿的彎曲程度隨著斥力大小變化，帶動固定反射鏡面擺動，起到干涉圓心位置的調節作用. 實驗結束后，調節動靜磁塊間距離最大，使固定反射鏡橫桿的彎曲程度最小.

邁克耳孫等傾干涉磁力調心裝置的優點是調心范圍大小可以由操作者決定，開始時動磁塊超過平衡線使動靜磁塊間距小，調心范圍就大，反之就小，克服了現有拉桿調節螺釘調節范圍小的缺點，特別是避免了喪失調心作用和導致干涉圖像消失的危險.

3實驗現象和結果

在調節干涉圖像圓心位置的過程中，邁克耳孫干涉儀限位拉桿調節螺釘裝置牢固地限制拉桿調節螺釘的后退極限位置，保證拉桿調節螺釘不會被擰掉. 但它的調節范圍有限，有時不能完全依靠拉桿調節螺釘把圓心調節到觀察屏的中部.

邁克耳孫干涉儀磁力調心裝置可以準確、靈敏地把邁克耳孫干涉圓心調節到觀察屏的中部. 其調節范圍也可以改變，在實驗開始前把邁克耳孫干涉儀磁力調心裝置的調節范圍加大，即讓動磁塊越過平衡線，離靜磁塊的距離更小，動靜磁塊之間的斥力更大，平面反射鏡下橫桿的彎曲變形量更大，這樣就可以使干涉圖像的圓心位置的調節范圍更大，從而保證學生能順利進行邁克耳孫干涉實驗.

4結論

邁克耳孫干涉儀限位拉桿調節螺釘裝置可以牢固地限制拉桿調節螺釘的進退極限位置，調節螺釘不會擰掉，不再給儀器維護帶來大量的額外工作量. 利用邁克耳孫干涉儀磁力調心裝置可以準確、靈敏地把邁克耳孫干涉圖像的圓心調節到觀察屏的中部.

參考文獻：

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[6]肖文波,何興道,朱泉水,等. 利用邁克爾遜干涉儀測量激光波長的誤差分析[J]. 實驗室科學,2010,13(5):86-87.

[7]肖文波,何興道,朱泉水,等. 利用邁克爾遜干涉儀測量激光波長的誤差分析[J]. 實驗室科學,2010,13(5):86-87.

[責任編輯：郭偉]

Design of a micro-tensioning system for adjusting image center in Michelson interferometer

LIANG Xiao-chong, MU Wan-jun, WANG Shi-yuan, ZHU Jun,HAO Yan-jun, YU Bai-ru, LI Wei, LI Zi-yuan, RAO Da-qing, ZOU Xu-min

(College of Physical Science and Technology, Sichuan University, Chengdu 610064, China)

Abstract:To overcome the difficulty of image center adjustment and to avoid destroying the apparatus, a micro-tensioning system for adjusting the image center in Michelson interferometer was designed. The design principle and structure chart of the position-limiting rod adjustment screw and the magnetic alignment device were introduced. The center position of the interference was adjusted fast and accurately by the improved experiment device.

Key words:Michelson interference; interference image; limited position; magnetic alignment; center position

中圖分類號：TH744.3

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2015)01-0027-03

作者簡介：梁小沖(1986-)，男，遼寧鞍山人，四川大學物理科學與技術學院實驗師，碩士，從事大學物理實驗教學.通訊作者：穆萬軍(1963-)，男，四川成都人，四川大學物理科學與技術學院講師，博士，從事大學物理實驗研究工作.

收稿日期：2014-06-25；修改日期：2014-09-01

“第8屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文

資助項目：四川大學新世紀教改項目六期(No.SCUY044)