邁克耳孫干涉儀圓心位置微調(diào)系統(tǒng)的設(shè)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(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610064)

?

邁克耳孫干涉儀圓心位置微調(diào)系統(tǒng)的設(shè)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(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)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(diào)節(jié)并且容易損壞儀器，為此設(shè)計了限位拉桿調(diào)節(jié)螺釘裝置與磁力調(diào)心裝置，改良后的實驗裝置可以使操作者快速、準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)好干涉圖像的圓心位置.

關(guān)鍵詞：邁克耳孫干涉；干涉圖像；限位；磁力調(diào)心；圓心位置

1問題的提出

圖1為邁克耳孫干涉儀[1]結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)螺釘”可以調(diào)節(jié)2個反射鏡面的反射光斑重合，也可粗調(diào)干涉圖像圓心的位置，“垂直拉桿調(diào)節(jié)螺釘”和“水平拉桿調(diào)節(jié)螺釘”主要都由拉桿螺套和內(nèi)螺桿組成，其作用是微調(diào)干涉圖像圓心的位置. 在邁克耳孫干涉實驗過程中，學(xué)生們常常在調(diào)節(jié)干涉圖像的圓心位置時感到很困難. 當(dāng)用反射鏡調(diào)節(jié)螺釘來調(diào)節(jié)圓心位置時，因為粗調(diào)螺釘?shù)奈⑿∞D(zhuǎn)動都會使螺釘?shù)妮S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(dǎo)致干涉圖像消失；在用拉桿調(diào)節(jié)螺釘微調(diào)圓心位置時，經(jīng)常是拉桿調(diào)節(jié)螺釘?shù)穆萏仔D(zhuǎn)到極限位置了還沒有把圓心調(diào)節(jié)到觀察屏的中部，特別是螺套向外旋轉(zhuǎn)到極限位置后，螺套就會掉下，固定反射鏡面的方位就會發(fā)生較大變化，同樣會導(dǎo)致干涉圖像消失. 更為糟糕的是拉桿調(diào)節(jié)螺釘?shù)穆萏走€不能徒手恢復(fù)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(xué)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(diào)節(jié)螺釘?shù)穆萏紫蛲庑龅袈?，現(xiàn)有邁克耳孫干涉儀在拉桿調(diào)節(jié)螺釘?shù)膬?nèi)螺桿上設(shè)置了限位釘，但是仍然經(jīng)常出現(xiàn)拉桿調(diào)節(jié)螺釘?shù)穆萏讛Q掉的情況. 經(jīng)仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，其原因是內(nèi)螺桿已到極限位置，操作者仍在旋轉(zhuǎn)拉桿調(diào)節(jié)螺釘?shù)穆萏?，螺套和?nèi)螺桿的細(xì)牙螺紋間出現(xiàn)了打滑現(xiàn)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(xiàn)有邁克耳孫干涉圖像圓心位置的微調(diào)系統(tǒng)應(yīng)該進行必要的改進，以便學(xué)生更好的完成實驗.

圖1　邁克耳孫干涉儀結(jié)構(gòu)圖

2對邁克耳孫干涉圖像圓心位置微調(diào)系統(tǒng)的改進

2.1　對邁克耳孫干涉儀拉桿調(diào)節(jié)螺釘系統(tǒng)的可靠限位

圖2(a)是邁克耳孫干涉儀限位拉桿調(diào)節(jié)螺釘裝置[2]示意圖，圖2(b)是拉桿調(diào)節(jié)螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)示意圖. 在邁克耳孫干涉儀的固定反射鏡橫桿4的左側(cè)固定拉桿調(diào)節(jié)螺釘座2，下方固定拉桿調(diào)節(jié)螺釘座5，拉桿調(diào)節(jié)螺釘1擰入拉桿調(diào)節(jié)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(cè)，拉桿調(diào)節(jié)螺釘1的外側(cè)設(shè)置了限位槽9，在限位槽9的中間加工了1條中位線8，當(dāng)中位線8處于拉桿調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(chǎn)生變化，從而起到干涉圖像圓心位置在水平方向上的微調(diào)，同時在拉桿調(diào)節(jié)螺釘座2上伸出1根限位桿7，限位桿7插入拉桿調(diào)節(jié)螺釘1的限位槽9中，可以防止拉桿調(diào)節(jié)螺釘旋出掉落，旋進則有拉桿調(diào)節(jié)螺釘座的端面限位，這樣一來，拉桿調(diào)節(jié)螺釘?shù)那昂笙尬粶?zhǔn)確牢固，徹底消除了拉桿調(diào)節(jié)螺釘旋出掉下的問題，這就能保證學(xué)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(diào)節(jié)螺釘裝置

(b)拉桿調(diào)節(jié)螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)示意圖1.拉桿調(diào)節(jié)螺釘　2.拉桿調(diào)節(jié)螺釘座　3.彈簧　4.固定反射鏡橫桿　5.拉桿調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)示意圖

雖然邁克耳孫干涉儀限位拉桿調(diào)節(jié)螺釘在調(diào)節(jié)圓心位置的時限位準(zhǔn)確牢固，但是調(diào)節(jié)量還是有限，經(jīng)常是有限位槽的拉桿調(diào)節(jié)螺釘已經(jīng)旋轉(zhuǎn)到極限，干涉圓環(huán)的圓心還沒有出現(xiàn)在觀察屏中部.

2.2　邁克耳孫干涉儀磁力調(diào)心裝置

為了解決現(xiàn)有邁克耳孫干涉儀限位拉桿調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)圓心位置的調(diào)節(jié)量非常有限的問題，設(shè)計了邁克耳孫干涉磁力調(diào)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(diào)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(biāo)注在螺桿座8上，豎直方向上的結(jié)構(gòu)和水平方向的相同.

邁克耳孫干涉磁力調(diào)心裝置主要由磁塊和調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(chǎn)生斥力，在動靜磁塊之間畫1條平衡線，實驗開始時，調(diào)節(jié)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(chǎn)生適量彎曲，在需要調(diào)節(jié)等傾干涉圓心位置時，只要調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)作用. 實驗結(jié)束后，調(diào)節(jié)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(diào)心裝置的優(yōu)點是調(diào)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(diào)心范圍就大，反之就小，克服了現(xiàn)有拉桿調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)范圍小的缺點，特別是避免了喪失調(diào)心作用和導(dǎo)致干涉圖像消失的危險.

3實驗現(xiàn)象和結(jié)果

在調(diào)節(jié)干涉圖像圓心位置的過程中，邁克耳孫干涉儀限位拉桿調(diào)節(jié)螺釘裝置牢固地限制拉桿調(diào)節(jié)螺釘?shù)暮笸藰O限位置，保證拉桿調(diào)節(jié)螺釘不會被擰掉. 但它的調(diào)節(jié)范圍有限，有時不能完全依靠拉桿調(diào)節(jié)螺釘把圓心調(diào)節(jié)到觀察屏的中部.

邁克耳孫干涉儀磁力調(diào)心裝置可以準(zhǔn)確、靈敏地把邁克耳孫干涉圓心調(diào)節(jié)到觀察屏的中部. 其調(diào)節(jié)范圍也可以改變，在實驗開始前把邁克耳孫干涉儀磁力調(diào)心裝置的調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)范圍更大，從而保證學(xué)生能順利進行邁克耳孫干涉實驗.

4結(jié)論

邁克耳孫干涉儀限位拉桿調(diào)節(jié)螺釘裝置可以牢固地限制拉桿調(diào)節(jié)螺釘?shù)倪M退極限位置，調(diào)節(jié)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(diào)心裝置可以準(zhǔn)確、靈敏地把邁克耳孫干涉圖像的圓心調(diào)節(jié)到觀察屏的中部.

參考文獻：

[1]王植恒, 何原,朱俊. 大學(xué)物理實驗[M]. 北京：高等教育出版社,2008：93-98.

[2]汪仕元，雍志華，王姝. 邁克耳孫干涉圖像限位螺桿調(diào)心裝置 [P]. 中國, ZL 201220073345.6. 2012.12.05.

[3]汪仕元,邵鑫,夏瑩. 邁克耳孫等傾干涉磁力調(diào)心裝置 [P]. 中國, CN202903131U.[P].2013.4.24.

[4]呂洪方,譚小平. 邁克耳遜干涉微小尺度測量系統(tǒng)的研究[J]. 江漢大學(xué)學(xué)報,2012,40(1):41-43.

[5]劉建靜. 邁克耳遜干涉儀測波長常見問題的分析實驗科學(xué)與技術(shù)[J]. 實驗科學(xué)與技術(shù),2012,40(1):41-43.

[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(xué),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(xué),2010,13(5):86-87.

[責(zé)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(biāo)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(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院實驗師，碩士，從事大學(xué)物理實驗教學(xué).通訊作者：穆萬軍(1963-)，男，四川成都人，四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院講師，博士，從事大學(xué)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(xué)校物理實驗教學(xué)研討會”論文

資助項目：四川大學(xué)新世紀(jì)教改項目六期(No.SCUY044)