大學物理實驗邁克爾遜干涉儀的光源改進

楊景景　黃亮

【摘要】利用改進的半導體激光器作為邁克爾遜干涉儀實驗中的He？鄄Ne激光器光源。以獨到的設計，半導體激光器使光源張角擴大，擴展等傾干涉區域，提高了學生對于邁克爾遜干涉儀的調整效率，進一步加深了學生對于等傾干涉和對波動光學的理解。該項設計在保證了教學效果的同時，大大減低了實驗器材的價格和維護成本。

【關鍵詞】邁克爾遜干涉儀 半導體激光器

【Abstract】We replace the He？鄄Ne gas laser devices in Michelson Interferometer Experiment with semiconductor laser which designed by ourselves. By our design， we enlarge the angle of laser，expend the area of Equal Inclination Interference. This design improves the college students efficiency in experiment， and facilitates their understanding about Equal Inclination Interference and Wave Optics. This design is both beneficial to teaching results and to reduce the price for the experimental equipment and maintenance costs.

【Key Words】Michelson Interferometer Experiment； semiconductor laser

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）02-0148-02

邁克爾遜干涉儀是光學干涉儀中最常見的一種，其發明者是美國物理學家阿爾伯特·亞伯拉罕·邁克爾遜。邁克耳遜干涉儀的原理是一束具有微小張角的入射光分為兩束后各自被對應的平面鏡反射回來，這兩束光從而能夠發生干涉[1][2]。大學物理實驗中，光學實驗室一般采用He？鄄Ne激光器作為邁克爾遜干涉儀實驗的光源。在光源進入干涉儀光路之前，加上透鏡使激光器光纖發出的平行光變成具有一定擴展角度的等傾干涉光源。在實驗中我們發現由于He？鄄Ne激光器的光源傾角較小，在干涉儀中的等傾干涉區域過小，使學生在調節邁克爾遜干涉的實驗過程中調節出等傾干涉條紋的難度增大。這使學生對于該實驗的理解和操作都造成了較大的困擾。因此，我們研制了一套半導體激光器光源系統來替代He？鄄Ne激光器作為邁克爾遜干涉儀實驗的光源。以它獨到的設計和優勢來改善等傾干涉光源的等傾干涉區域。

1.設計原理：

邁克爾遜干涉儀工作利用G1分光板的半反射膜，將入射工作光源分為1和2光路，使其發生相干現象。在大學物理實驗課程中，我們觀察和分析邁克爾遜干涉儀的等傾干涉圓環，等傾干涉原理如圖1所示，S光源以i角度入射進入厚度為h的光學玻璃板，在玻璃板上下反射面形成1和2相干光源，通過透鏡L在觀察屏P上形成等傾干涉圓環，圓環半徑為r環。

可以看出入射角度i的大小直接決定了圓環直徑的大小。而圓環直徑越大，因此在改良S光源時，我們著重考慮了擴展入射光傾角的半導體激光器光源改良方案。邁克爾遜干涉儀的半導體激光器系統設計電路圖原理如圖2所示。

從圖2中可以看到，半導體激光器的設計思路清晰簡明，并且能夠由一臺光源提供8臺邁克爾遜干涉儀工作，半導體激光器的體積很小，事實上造價也很低廉。一臺半導體激光器的價格為800元，而He？鄄Ne激光器的價格在3000到5000不等。

3.實驗儀器效果討論

我們測量比較了半導體激光器與He？鄄Ne激光器的傾角。由于激光器光源距離分光板G1大約為3cm，因此我們選擇在光源距離桌面3cm時，測量比較兩光源的光斑。如圖3所示，左側為半導體激光器光斑，右側為He？鄄Ne激光器光斑。可以很明顯的看到距離觀察平面3cm時，半導體激光器的光斑直徑為3cm，而He？鄄Ne激光器的光斑為1.2cm。從這里可以看出，在干涉實驗中，半導體激光器可以提供更大的傾角和入射角度I，同時能夠提供更大的相干區域。這些都使邁克爾遜干涉實驗中的等傾干涉圓環圖樣變得更加容易調試和測量。

4.結論

本文介紹了一種簡單實用效果良好的半導體激光器系統，有效的擴展了S光源的傾角和衍射區域，這套光源降低了大學物理實驗中的邁克爾遜干涉實驗的調整難度，提高了衍射環的半徑值與圓環的亮度與對比度，達到了很好的教學效果。并且這套半導體激光器系統在降低造價的同時，也非常便于維護和檢修，對于大學物理實驗室有著積極的意義。

參考文獻：

[1]金雪塵、宋紅燕 大學物理實驗 南京大學出版社

[2]浦天舒 大學物理實驗 清華大學出版社

[3]馬文蔚 物理學 東南大學出版社

[4]付文羽、劉正岐 光子學報 Vol.35 No 9 2006.9