邁克爾遜及邁克爾遜干涉儀實驗

1、邁克爾遜及邁克爾遜干涉儀實驗陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院 吳俊林,一、邁克爾遜及其對物理學(xué)發(fā)展的主要貢獻(xiàn)二、邁克爾遜干涉儀及光波波長的測量三、古老原理的現(xiàn)代應(yīng)用,一、著名物理學(xué)家――阿爾伯特-邁克爾遜及其對物理學(xué)發(fā)展的主要貢獻(xiàn),1． 阿爾伯特-邁克爾遜（Albert Abrahan Michelson，1852～ 1931）簡介,美國著名實驗物理學(xué)家：邁克爾遜，1852 年12月19日出生于波

2、蘭一個猶太商人家庭，1856年隨父母移居美國.1873年畢業(yè)于美國海軍學(xué)院。,1883年任俄亥俄州克利夫蘭市開斯應(yīng)用科學(xué)學(xué)院物理學(xué)教授1889年成為麻省伍斯特的克拉克大學(xué)的物理學(xué)教授。1892年到一個全新的大學(xué)——芝加哥大學(xué)任物理學(xué)系教授，并成為該系第一任系主任。,1907年邁克爾遜因為“發(fā)明光學(xué)干涉儀并使用其進(jìn)行光譜學(xué)和基本度量學(xué)研究” 而成為美國歷史上第一位諾貝爾物理學(xué)獎獲得者。1910-1911年擔(dān)任美國科學(xué)促進(jìn)會主席。

3、1923-1927年擔(dān)任美國科學(xué)院院長。月球上的一個環(huán)形山是以他的名字命字。1931年5月9日逝世于加利福尼亞的帕薩迪納。,2、“以太漂移”學(xué)說的提出,十八世紀(jì)后，惠更斯、楊氏雙縫干涉實驗證明了光的波動性，并建立了光的波動理論。人們?yōu)榱私忉尮獾膫鞑ザ搿耙蕴钡母拍?。設(shè)想“以太”是彌漫在整個宇宙空間的一種物質(zhì)。光借助“以太”這種介質(zhì)傳播?！耙蕴?的提出是假設(shè)，被當(dāng)時物理學(xué)界所接受。但如何用實驗驗證“以太”的存在，許多物理學(xué)

4、家用不同的實驗進(jìn)行了檢驗，具有代表性的是邁克爾遜的干涉儀實驗最為著名。,3、邁克爾遜－莫雷實驗,按經(jīng)典理論地球在“以太”中繞太陽公轉(zhuǎn)，就象急馳的火車相對于周圍空氣運動而產(chǎn)生一股風(fēng)一樣.也應(yīng)有一股“以太風(fēng)”。邁克爾遜---------莫雷實驗就是為了測量“以太風(fēng)”而設(shè)計的。,實驗裝置如圖所示,邁克爾孫干涉儀俯視圖,測定“以太風(fēng)”速率的實驗設(shè)計思想,設(shè)計思想如圖所示，,按照以太學(xué)說，光在以,太中傳播速率是C，而以,太相對于地球的 速率為,υ

5、。實驗時觀察相干條,紋，然后把儀器平穩(wěn)轉(zhuǎn),動90°，再觀察轉(zhuǎn)動前,后干涉條紋的變化。若,干涉儀臂長,LMM1=LMM2=d,所需的時間為:,,根據(jù)經(jīng)典速度合成公式，,光由,M,→,M1,→,M,光由M→M2→M所需的時間為:,故兩束光到達(dá)T的時間差為:,干涉儀轉(zhuǎn)動90°前后時間差的改變?yōu)橛纱硕鸬墓獬滩顬? 從而引起干涉條紋移動的條數(shù):,,,,應(yīng)用數(shù)學(xué)展開，略去高次項可得: 實驗中用鈉光源，λ=5

6、.9×10－7ｍ；地球的軌道運動速率為：υ≈10－4c；干涉儀光臂長度為11m;應(yīng)該移動的條紋為： Ｎ＝２×11×(10－4)2／λ＝0.4干涉儀的靈敏度:可觀察到的條紋數(shù)為0.01條。而實驗結(jié)果沒有觀察到條紋移動.,,,設(shè),實驗結(jié)果沒有觀察到條紋移動，即 故推出 即“以太漂移”速度 實驗結(jié)果顯示“以太”不存在。,,,,邁克爾遜驗證“以太”實驗的主要階段,①、188

7、1年4月在天文臺的地下室進(jìn)行第一次實驗后，得到出乎意料的結(jié)果，實驗結(jié)果發(fā)表后，立即引起物理學(xué)界的非議。其本人承受巨大壓力。,②、1884年著名物理學(xué)家開爾文訪美，并會見邁克爾遜，贊揚并鼓勵他繼續(xù)實驗，建議他和其助手莫雷合作實驗。 1887年7月，進(jìn)行第二次實驗，用大石板浮在水銀槽上實驗（可自由旋轉(zhuǎn)方向，穩(wěn)定性好，精度高）共四天，結(jié)果仍然是零。 ③、1897年，邁克爾遜第三次實驗，將干涉儀掉在天花板上，為防止空氣的干擾

8、，光路用鐵管密封，抽去空氣，得到的仍然為零結(jié)果。,4、邁克爾遜的主要科學(xué)貢獻(xiàn),邁克爾遜一生在追求科學(xué)和真理，他主要從事光學(xué)和光譜學(xué)方面的研究，他以畢生精力從事光速的精密測量，在他的有生之年，一直是光速測定的國際中心人物。主要科學(xué)貢獻(xiàn)有： ①．邁克爾遜的第一個重大科學(xué)貢獻(xiàn)是發(fā)明了邁克爾遜干涉儀，并用它完成了著名的邁克-莫雷實驗. 這是一個最重大的否定性實驗，這次實驗的結(jié)果否定了“以太”學(xué)說，動搖了經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)，為愛

9、因斯坦狹義相對論的建立鋪平了道路.,②．邁克爾遜是第一個倡導(dǎo)用光波的波長作為長度基準(zhǔn)的科學(xué)家，1892年邁克爾遜利用特制的干涉儀，以法國的米原器為標(biāo)準(zhǔn)，在溫度15攝氏度、壓力760毫米汞柱的條件下，測定了鎘紅線波長是6438.4696埃，于是，1米等于1553164倍鎘紅線波長。這是人類首次獲得了一種永遠(yuǎn)不變且毀壞不了的非實物長度基準(zhǔn)。 ③．在光譜學(xué)方面，邁克爾遜發(fā)現(xiàn)了氫光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)以及水銀和鉈光譜的超精細(xì)

10、結(jié)構(gòu)，這一發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)代原子理論中起了重大作用，其成果對現(xiàn)代分子物理學(xué)、原子光譜和激光光譜學(xué)等新興學(xué)科都產(chǎn)生了重大影響,由于創(chuàng)制了精密的光學(xué)儀器和利用這些儀器所完成的光譜學(xué)和基本度量學(xué)研究，邁克爾遜于1907年獲諾貝爾物理學(xué)獎。,邁克爾遜是一位杰出的實驗物理學(xué)家，他所完成的實驗都以設(shè)計精巧、精確度高而聞名，愛因斯坦曾這樣贊譽： “我總認(rèn)為邁克爾遜是科學(xué)中的藝術(shù)家,他的最大樂趣似乎來自實驗本身的優(yōu)美和所使用方法的精湛,他從

11、來不認(rèn)為自己在科學(xué)上是個嚴(yán)格的‘專家’,但始終是個藝術(shù)家。”,重要的物理思想,+巧妙的實驗構(gòu)思,+精湛的實驗技術(shù),→,科學(xué)中的藝術(shù),二、邁克爾遜干涉儀測光波波長,1、邁克爾遜干涉儀光路圖,,,,,,,,,,,,,,,,,M1與M2’之間形成的是一個空氣薄膜。邁克爾遜干涉儀產(chǎn)生的干涉，與M1、 M2’之間的空氣薄膜產(chǎn)生的干涉是等效的。改變M1、 M2’的相對位置，就可以得到各種形式的干涉條紋。,,,,,d,2、干涉環(huán)的產(chǎn)生,,,,,,,,

12、,,,,,等傾干涉光路圖,,,,,,,等傾干涉圓環(huán),實驗條件:M1與M2’平行時，即M1與M2嚴(yán)格垂直。（1）和（2）的光程差可如下計算：,,當(dāng)d 一定時，光程差只取決于θ 。這樣，以中心線為對稱軸的同一θ角入射的光線，反射后形成一個圓形干涉環(huán)；以各種不同傾角入射的光線，反射后形成一組同心的明暗相間的等傾干涉環(huán)。形成明（即亮）和暗的條件是：,,,,,,,,3、干涉環(huán)的變化規(guī)律,干涉圖像中， 隨著d的增大或減小，條紋從中心“冒出”

13、或向中心“縮入”。,,4、光波波長的測量,當(dāng)M1移動Δd時，有N個干涉條紋的變化，則 測量出N個條紋變化對應(yīng)的Δd，即可求出波長?。,,5、實驗內(nèi)容,基本實驗： 1、調(diào)節(jié)邁克爾遜干涉儀，觀察干涉條紋 的變化； 2、測量氦氖激光的波長； 3、分析實驗結(jié)果，總結(jié)實驗過程，完成 論文式實驗報告。設(shè)計實驗：

14、 1、設(shè)計實驗方案，測量鈉光二譜線波長差及其相干長 度； 2、設(shè)計實驗方案，測量透明介質(zhì)的折射率； 3、自選設(shè)計實驗。,邁克爾遜干涉儀簡介,觀察屏,分光板,補償板,全反鏡,粗調(diào)手輪,細(xì)調(diào)手輪,豎直調(diào)節(jié)螺絲,水平調(diào)節(jié)螺絲,光學(xué)相干CT — 斷層掃描成像新技術(shù) （Optical Coherence Tomography簡稱OCT）,CT-Computed To

15、mography 計算機(jī)斷層成象,第二代： NMR CT－核磁共振成象第三代： 光學(xué)相干CT－OCT 微米量級的空間分辨率,第一代： X射線CT,射線CT－工業(yè)CT,三、“古老”原理的現(xiàn)代應(yīng)用之例,邁克爾遜干涉儀是歷史上最著名的經(jīng)典干涉儀，其基本原理已經(jīng)被推廣到許多方面，研制成各種形式的精密儀器，廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域,原理,* 樣品中不同位置處反射回的光脈沖延遲時間不同*

16、不同的材料或結(jié)構(gòu)反射的強度不同,,激光器的脈沖寬度要很小～10－15秒 －飛秒,要實現(xiàn)微米量級的空間分辨率,即就要求能測量 秒的時間延遲,時間延時短至10－14～10－15s 電子設(shè)備難以直接測量,可利用光學(xué)邁克耳遜干涉儀原理,,只有當(dāng)參考光與信號光的某個脈沖經(jīng)過相等光程時才會產(chǎn)生光學(xué)干涉現(xiàn)象,因為10－15秒 的光脈沖大約只有一個波長,要測量從眼內(nèi)不同結(jié)構(gòu)回來的光延遲,只須移動參考鏡使參考光分別與不同的信號光產(chǎn)生干

17、涉,參考臂掃描可得到樣品深度方向的一維測量數(shù)據(jù) 光束在平行于樣品表面的方向進(jìn)行掃描測量,可得到橫向的數(shù)據(jù) 將得到的信號經(jīng)計算機(jī)處理便可得到樣品的立體斷層圖像,分別記錄下相應(yīng)的參考鏡的空間位置,這些位置便反映了眼球內(nèi)不同結(jié)構(gòu)的相對空間位置,實驗裝置－光纖化的邁克耳遜干涉儀,探測器,光纖耦合器,樣品,光纖聚焦器,反射鏡,大蔥表皮的 OCT 圖像,實際樣品大小為10mm×4mm，圖中橫向分辨率約為20μm 縱向分辨率約為

18、25μm,應(yīng)用,生物,醫(yī)學(xué),材料科學(xué),·····,我國第一臺OCT的第一張圖 清華原子分子國家重點實驗室,兔子眼球前部的OCT圖像,光學(xué)相干斷層掃描（optical coherence tomography）,參考鏈接 醫(yī)用光學(xué)相干層析成像儀光學(xué)相干層析技術(shù)（Optical Coherence Tomography, OCT）是近十年迅速發(fā)展起來的一種成像技術(shù)，它利用弱相干光

19、干涉儀的基本原理，檢測生物組織不同深度層面對入射弱相干光的背向反射或幾次散射信號，通過掃描，可得到生物組織二維或三維結(jié)構(gòu)圖像。 虞啟璉：生物組織光學(xué)成像技術(shù)及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用OCT利用寬帶光源的短程相干特性對活體組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷層成像。OCT系統(tǒng)一般由低相干光源(SLD或超快激光器)和邁克爾遜光纖干涉儀組成。OCT是結(jié)合了空間門、相干門及其他形式的門技術(shù)。目前OCT可探測深度由幾個毫米到厘米量級，空間分辨率達(dá)到2~20mm。薛平、錢俊雯、

20、劉志榮、陳瓞延：斷層掃描成像新技術(shù)——光學(xué)相干計算機(jī)斷層攝影術(shù)OCT原理類似于超聲成像，只是用光波代替了聲波。由于光波波長很短，因而分辨率高，而且成像時不需接觸樣品。,清華大學(xué)物理系OCT研究組光學(xué)相干CT（Optical Coherence Tomography），簡稱OCT，中文全稱為“光學(xué)相干層析”，是繼X射線CT、MRI、超聲診斷技術(shù)之后的又一種新的醫(yī)學(xué)層析成像方法。它集半導(dǎo)體激光技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、超靈敏探測技術(shù)和計算機(jī)圖像處

21、理技術(shù)于一身，能夠?qū)θ梭w、生物體進(jìn)行無傷害的活體檢測，獲得生物組織內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的高分辨截面圖像.,Optical coherence tomography (Cardiovascular Radiation Medicine 4, 2003)(PDF)Optical coherence tomography (OCT) is a light-based imaging modality that can be used in biol

22、ogical systems to study tissues in vivo with near-histologic, ultrahigh resolution. The rationale for intravascular application of OCT is its potential for in vivo visualisation of the coronary artery microstructure.,,Mi

23、niature endoscope for simultaneous optical coherence tomography and laser-induced fluorescence measurement (1 January 2004
Vol. 43, No. 1
APPLIED OPTICS)(PDF)We have designed a multimodality system that combines opt

24、ical coherence tomography
OCT and laser-induced fluorescence
LIF in a 2.0-mm-diameter endoscopic package. OCT provides 18-m resolution cross-sectional structural information over a 6-mm field.Video-rate three-dime

25、nsional optical coherence tomography (Vol. 10, No. 9 May 06, 2002, Optics Express)Here we demonstrate three-dimensional optical coherence tomography (3D OCT) at video rate.Use of optical coherence tomography to monitor

26、 biological tissue freezing during cryosurgery (Journal of Biomedical Optics 9(2), 282–286, March/April 2004)(PDF)OCT provides high spatial resolution (5–10 mm) images of optical backscattering due to local variations i

27、n refractive index, such as the boundary between liquid and frozen water in tissue.,Optical Coherence Tomography: Endoscopic Instrumentation and Applications (James R. Parker March 20, 2003)This report reviews the techn

28、ology of OCT with emphasis on endoscopic applications.Emerging Clinical Applications of Optical Coherence Tomography (Optics & Photonics News, April 2002)By measuring backscattered light as a function of depth, OCT

29、 fills a valuable niche in imaging of tissue microstructure, providing subsurface imaging with high spatial resolution (on the order of ten micrometers) in three dimensions and high sensitivity in vivo with no contact ne

30、eded between the probe and the tissue. Trends and prospects for optical coherence tomography(SPIE, Bellingham, WA, 2004)(PDF)In this paper, we briefly and selectively review the current state-of-the-art in the more pro