VirtualLab基础实验教程-3.迈克尔逊干涉仪
目录
- 前言
- 一、迈克尔逊干涉仪实验原理简介
- 二、Virtualab仿真
- 1、搭建光路
- 2、属性设置
- 三、7.6.1.18版本的操作区别
- 四、结果展示
- 1.等倾干涉
- 2.等厚干涉
- 3.等倾等厚结合
- 附
前言
本篇为大创团队的第三篇集体作品，针对物理光学的基础实验–迈克尔逊干涉仪做出了探索和尝试。
一、迈克尔逊干涉仪实验原理简介
（1）P1P_1P1和P2P_2P2是两块完全相同的玻璃板，在P1P_1P1的后表面上镀有半透明的银膜,能使入射光分为振幅相等的反射光和透射光，称为分光板。P1P_1P1和P2P_2P2与M1M_1M1和M2M_2M2成45°角。
（2）由光源发出的光束，通过分光板P1P_1P1分成反射光束1和透射光束2，分别射向M1M_1M1和M2M_2M2并被反射回到P1P_1P1。由于两束光是相干光，从而产生干涉。
（3）干涉仪中P1P_1P1称为补偿板，是为了使光束2同光束1一样三次通过玻璃板，保证两光束间的光程差不致过大。
（4）由于P1P_1P1板上银膜的反射，使在M1M_1M1附近形成M2M_2M2的一个虚象M2′M_2'M2′。则光束和光束的干涉等效于由M1M_1M1和M2′M_2'M2′之间空气薄膜而产生空气薄膜厚度为ddd.
（5）当M1M_1M1垂直于M2M_2M2时，可观察到等倾干涉条纹，光程差为Δ=2dcosi\Delta=2dcosiΔ=2dcosi，iii为入射角。通过改变ddd，可以观察到干涉条纹的移动Δd=Δk⋅λ2\Delta d=\Delta k·\frac{\lambda}{2}Δd=Δk⋅2λ。
当ddd变大时，圆形干涉条纹从中心一个个长出,并向外扩张，干涉条纹变密。
当ddd变小时，圆形干涉条纹一个个向中心缩进，干涉条纹变稀。
（6）当M1M_1M1不垂直于M2M_2M2时，可形成劈尖型等厚干涉条纹。
二、Virtualab仿真
1、搭建光路
首先，新建一个空的文件，在其添加一个高斯波。
双击设置高斯波的波长及半发散角，改变半发散角会自动改变束腰半径及瑞利长度。（我们之前更多的设置的是束腰半径）
波源设置好后，添加Ideal Components中的理想分束器，并设置其位置
双击进入属性面板设置分束器，设置其大小20mmx20mm。
其后添加两个平面镜，一个可移动反射角，一个固定位置的反射镜并命名加以区分，都设置成距离分束器20mm。
添加探测器并设置其位置在分束器正上方x=20mm处。
在所有元件摆放好后将光路连接，可注意到分束器和fixed mirror间的光路为红线，与movable mirror间的为蓝线（软件中反射光线为红线表示，透射光线用蓝线表示）
我们可以通过3D视图观察元件的搭建情况，在optical setup中点击3D标识。
即可看到元器件的立体位置视图。也可以清楚的看到坐标轴。（若不能查看到如图的视角，可能是软件自带默认的元器件大小尚不在可观察范围内，可以移步2.属性设置，设置完后再进行查看）
但由于器件的平面默认是平行于xoy平面，而本实验的探测器需要旋转后才可与需接收的光线垂直，因此需要将探测器绕y轴旋转90度。
旋转后的3D图像如下。
2、属性设置
器件位置基本摆放好后，需要对器件对属性进行设置。
首先是分束器的光路控制：
根据迈克尔逊干涉仪的原理，需要对分束器的光路进行设置（此前需要在optical setup中将光路设置改为手动设置）
在分束器的光路设置里添加-/+选项（透射光线返回时再经分束器反射到探测器上）
其次是平面镜的属性，只需设置其直径为10mmx10mm。
最后设置探测器的属性：
设置窗口大小为8mmx8mm，并且设置采样点为全局选项。
三、7.6.1.18版本的操作区别
1.通道激活，如果想要设置理想分束器通道，跟试用版不同，我们在这里激活。（此时你的仿真引擎除了经典场追迹都是可以看到非序列追迹的选项）
需要激活Non-Sequential Trace(选择Ture)
2. 通道设置选项
通道设置选项为Propagation Channels。这里只是名称不同，设置内容同试用版。
其他设置与试用版基本一致。
四、结果展示
接下来，我们可以对参数进行调整，观察迈克尔逊的动态变化情况。
1.等倾干涉
首先，将动镜的距离从500um到700um变化。
使用parameter run的功能，运行后可以得到这样的实验结果。
Δ=2dcosi\Delta=2dcosiΔ=2dcosi,Δd=Δk⋅λ2\Delta d=\Delta k·\frac{\lambda}{2}Δd=Δk⋅2λ迈克尔逊干涉仪此处为等倾干涉，中央干涉级最大，其他条件不变，当动镜向光程差增大的方向移动时，原干涉级小的地方被干涉级大的所代替，即中心的条纹向外扩张了。因此，出现距离增加，圆环冒出，同时条纹变细的现象。
2.等厚干涉
接着，使用parameter run改变动镜的转动角度，此处使2角度从0°变化到0.05°。（类似与劈尖干涉的角度）
运行后，可得到如下图像。
当动镜转动角度时，两反射镜不再垂直，就形成了劈尖型的等厚干涉。N=Lθλ/2N=\frac{L\theta}{\lambda/2}N=λ/2Lθ,由公式可知，其他条件不变，当θ\thetaθ增加时，N增大，即相应的条纹间距减小，条纹变密。
3.等倾等厚结合
最后，同时改变两项参数进行动态仿真。
运行后，就可得到如下的两者相结合的动态实验图像。
附
本篇由大创团队成员：唐艺恒、扶杨玉、黄一诺、李思潼、明玥共同完成。
本篇采用市面上流通比较广的试用版和7.6.1.18版本进行实验和演示，增强了适用性。
迈克尔逊干涉仪也是典型的可用非序列建模的好实例，若最后分析仪仿真系统视图查看时不能看到光线，可能是在仿真设置时没有勾选衍射。
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