自制迈克尔逊激光干涉仪

这是一篇来自老薛同学的投稿

简介:老薛同学是在米国留学的物理学专业人士,据说是费米的门生,薛定谔的亲戚。 :D
也许有人觉得物理学专业非常枯燥,可是从老薛同学的生活看来,他们的日子过的相当有趣,在实验室玩遥控飞机,磁悬浮,激光等等,反正大家想象一下生活大爆炸里的各种情节就对了。

下面是老薛同学的正文,看来和我们IT工作者一样,物理学家们也喜欢从0开始编号

=====================惯例的昏割线===========================

0:什么是干涉?
1:什么是迈克尔逊干涉仪?
2:它有啥用?
3:自己怎么做一个便宜的?
4:自己怎么做一个更便宜的?

0:什么是干涉?

在物理学中,“干涉”指的是两束频率相同,相位固定的波,比如光波,声波,叠加在一起时发生的现象。实际上这种现象无处不在。比如下雨天路上彩虹色的油膜,就是太阳光在油膜上下两个表面之间发生的干涉。而雨滴打在池塘水面溅起的涟漪也会形成类似下图的干涉图样。

波的干涉

波的干涉

1:什么是迈克尔逊干涉仪?

迈克尔逊是一位跨世纪的波兰裔美国物理学家(1852-1931),他在19世纪末的时候发明了如下图所示的一种干涉仪。

迈克尔逊干涉仪

迈克尔逊干涉仪

上图中我们看到,红色的激光被分光镜分成两束(向上的那一束是反射光,向右的那一束是透射光),然后又被两面反射镜完全反射回来,分别被分光镜透射和反射,经凸透镜扩散,最后在观察面上形成干涉图样。

正是由于最终参与干涉的两束光线都来自初始的那束激光,它们具有相同的频率和固定的相位关系,所以才能形成稳定的干涉图样。下图是一架专业的迈克尔逊干涉仪形成的图样。

干涉仪形成的图样

干涉仪形成的图样

2:它有啥用?

迈克尔逊干涉仪产生的条纹是由两面反射镜到干涉平面的距离决定的。以上图为例,如果我们稍微移动一下其中的一面反射镜,就会看到上面的圆圈从中心“吐出来”或者“吃进去”。而这个“稍微移动”实际上很小,只需要移动激光波长的一半就可以“吐出”或“吃掉”一个圆圈。红色激光笔的波长大概在650纳米,也就是0.65微米。一根头发的直径大约90微米,所以只需要移动一根头发的千分之三就可以看到干涉图样很明显的变化。显而易见,它能用来测量精细的距离的变化,或者用来校对一个样品表面是否平整。

除此之外,它还能派上大用场,做为大科研项目的主力军。比如下面这个硕大的迈克尔逊干涉仪:

光干涉引力波观测台

光干涉引力波观测台

它叫做LIGO,是(light interferometer gravitational wave observatory) 的缩写,意思是光干涉引力波观测台。其中两面反射镜与分光镜的距离大概在3,4千米(世界上有好几家这样的观测台,每台的尺寸有所不同)。它也是用来测量距离的精细变化的。不过这里,距离的变化是由“引力波”引起的。爱因斯坦的理论说,两个硕大的天体在相互旋转的时候会引起它们周围的引力场周期性地变化,这种变化会像水波一样在宇宙中传播开来。而引力场的波动能改变空间的长度。如果这个波传到了地球,就会改变LIGO的两个反射镜与分光镜之间的距离,从而引起干涉条纹的变化。目前,实验还在进行中。

3:自己怎么做一个便宜的?

LIGO这个大号迈克尔逊干涉仪花费了4亿美元了,但是要做一个迷你版的却花不了30块人民币。下图就是这个迷你版的装置:

迷你版干涉仪

迷你版干涉仪

关键部分:反射镜和分光镜。

反射镜和分光镜

反射镜和分光镜

实验中,我偷了实验室价值大约3元人民币的液氮(小于一升),然后把它周围产生的水汽泼在光路上,就可以找出美丽的光线来,见下图:

雾气中的激光

雾气中的激光

(激光本身方向性很强是看不到的,但是在一定尺寸的粒子中,就会出现散射现象,显示出一条明亮的光路,这就是丁达尔现象)有一小段视频请看:

那么干涉图样怎么样呢?当两面反射镜反射的光不重叠时,见左图。当我们调节反射镜的角度,把这两块光斑重叠在一起时,见右图。

干涉图样

干涉图样

啊哈,这一点都不像开始展示的那种专业迈克尔逊干涉仪的干涉图样吧!那儿是一圈一圈的,这里是一块一块的。这是因为当两面反射镜接近完美地垂直,且分光镜接近完美地位于这个直角的一半的时候(45度),迈克尔逊干涉仪产生圆圈干涉图样,物理上叫做“等倾干涉”。两面反射镜成一定夹角,或者分光镜偏离了45度位置时,产生条纹状干涉图样,物理上叫做“等厚干涉”。要接近完美垂直,对仪器要求比较高,所以我们的山寨干涉仪只能产生条纹而不能产生圆圈了。

如果你做这个实验,你会发现,当两块光斑不重合的时候,它们各自是很稳定的。当形成干涉图样的时候(上面右图),图中的竖直方向的暗线会左右移动得比较厉害。这就是因为这些暗线的位置是由两面反射镜与分光镜之间的距离决定的。桌子轻微的抖动(头发直径的千分之三)就会引起这些暗线移动。所以迈克尔逊当年做实验的时候,是把他的干涉仪放在一大块大理石上,整块大理石又是浮在水银里的,用来减少仪器自身的振动。

4:自己怎么做一个更便宜的?

有朋友说,你这个干涉仪不好做啊,主要是那个反射镜镜座从哪儿弄?其实我还做了一个更便宜的,也几乎一样好用。见下图:

更加经济的版本1

更加经济的版本1

更加经济的版本2

更加经济的版本2

随便找一个成直角的东西,贴两面小镜子上去,找一块透明的玻璃片就可以做自己的激光干涉仪了。效果如何?见下图:

精简版的最终效果

精简版的最终效果

个人觉得,甚至比上面那个还要好一些。就是调节起来稍微麻烦一点。要让两束光重叠,需要小心地调节中间的分光镜的位置和角度,因为现在反射镜已经固定了。同样,这里竖直方向上的条纹也在左右移动着,反应出桌子在微小的抖动。因为绿光的波长比红光短,所以这架干涉仪的距离灵敏度比开始那个还要高一点。



对 “自制迈克尔逊激光干涉仪” 的 22 条 评论

  1. wisology 说:

    终于有动静了,呵呵,表示对高深的暂时无暇

    • 老薛 说:

      同学们,这个不是高科技啊,只是大自然的一种有趣现象

      其实就是这样的,你买两支激光笔,把它们的光斑投影到一起,不会发生
      什么特别的事情,只是光斑变成两倍的亮度了。

      如果你把一支激光笔的光分成两束再把它们投影到一起(用这里的迈克尔逊干涉仪),就不是一个亮的光斑,而是产生了明暗相间的条纹。

      莫非只有动力哥和我觉得这个东西有点意思。。。

      • 有兴趣的人一定很多,只不过是网站访问量小,所以他们没有看到而已 :)

      • lex 说:

        看到你说把一束激光分成两束,再投影到一起,忽然让我想到刚毕业的时候做的一件傻到极点的傻事。
        当时为了测试一个三相保护器,在办公室里面没找到三相电源,便想了个办法,用三根电线分别插在插排的三个孔里面,然后接到三相保护器的三个接线柱上。
        真是傻到极点。

        • 哈哈,谁让它有三个孔呢 :D
          说起三相交流电,我也有件傻事。实验室布线的时候,有一段电线长了。这种三相电线是比较粗的,不好卷起来,所以我就用大剪刀喀嚓剪下去。
          结果火花四射,剪刀被烧的快断了,冒的烟把手都熏黑了(我们的保险丝早就被换成粗铜丝了)。
          回想了一下,应该是正负极在剪刀里就形成回路,所以人没啥事,不然可能就牺牲了

          • lex 说:

            你这可不是傻事了,是危险了。

            要说傻事,有一件事情我都没好意思跟人说过。

            话说觉得家里的台灯没有线控,于是买了个开关想接上,于是把电源线从中间断开,然后自作主张把两股线的一端解一个接线柱,另一端接另一个接线柱。

            你猜发生了什么。

            一插电源,插座冒烟了,还纳闷呢,哪来的烟啊,再插,干脆保险丝烧掉了。

            现在想起来羞愧得很呢。

          • 哈哈,变成自我吐槽大会了

  2. cooska 说:

    的确有趣,我觉得干涉效果能实现传递信息的功能,至少能传递0和1这样的数字信息

  3. rainforwind 说:

    终于,在我打算删掉你的网页链接之前,你还是更新了,呵呵。
    恰巧我就是个物理学转IT的人。在实验室玩遥控飞机,磁悬浮,激光,听起来是比较酷,不过和他们打交道久了其实也就不觉得那么令人兴奋了。个人感觉真正有趣的东西还是这些实验背后的物理原理和数学技巧,老男孩若有兴趣可要好好研究哦,期待参与你们的讨论,呵呵。

    • 谢谢支持!去年被工作累惨了,接下来应该会更新频繁一些。
      你说的没错,这些东西也许没那么酷,但是探索和研究的过程是很有乐趣的 :)

  4. 李宙恒 说:

    话说我航的同学应该都做过了这个实验的吧。。。

  5. dongfang 说:

    迈克尔逊激光干涉仪是激光陀螺仪的核心,老男孩能不能做一个激光陀螺仪来试一试?

  6. 009 说:

    有个老军人,以前做情报工作的,他跟我说能根据窗户的玻璃震动来监听到室内人讲话内容,不知道是不是这个原理?

  7. lostsky 说:

    看到博主的头像,真正牛的还是做出方舟x号啊,有了它什么牛x的东西都能出来,唉,YY容易实现难

  8. longjiang 说:

    博主做过等厚光干涉的试验吗,我做了老不成功!!所以角度都非常严格做的,但是老实看到透镜的上反光

  9. 心愿未了 说:

    楼主的实验效果怎么看不出来呢,我试做了一下,两路光不好重叠,光强不一样,甚至两个光斑是互相垂直的,一个光斑是横条纹,别一个光斑是竖条纹,有什么建议做这个实验?

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