応用問題354 マイケルソン干渉計

マイケルソン干渉計の原理

直感的理解
マイケルソン干渉計は、2つの経路を通った光の干渉を利用して距離の微小な変化を測定する装置です。鏡 B を $\Delta L$ だけ動かすと、往復するので経路差は $2\Delta L$ 変化します。$2\Delta L = \lambda$ ごとに干渉縞が明暗1サイクル変化します。

(1) 鏡 B を動かしたときの検出器の応答:

B を初めの位置から $\Delta L$ だけ動かすと、光路 B の往復経路が $2\Delta L$ 変化します。干渉条件は

$$2\Delta L = m\lambda \quad \text{のとき明るい(強め合い)}$$ $$2\Delta L = \left(m + \frac{1}{2}\right)\lambda \quad \text{のとき暗い(弱め合い)}$$

$\Delta L = \lambda/2$ ごとに明暗が1サイクル変化します。

(2) 波長を $\lambda + \Delta\lambda$ に変えたとき:$L_B - L_A$ が同じなら、$\Delta\lambda$ に応じて干渉状態が変わります。

(3) $N$ 回の最小値の計数:

B を移動中に検出器で $N$ 回の暗線(最小値)を観測した場合、鏡の移動距離 $\Delta L$ との関係は

$$2\Delta L = N\lambda$$

よって波長は

$$\lambda = \frac{2\Delta L}{N}$$
答え:

鏡を $\Delta L$ 動かすと経路差が $2\Delta L$ 変化。暗線の回数 $N$ から:

$$2\Delta L = N\lambda$$ $$\therefore \lambda = \frac{2\Delta L}{N}$$
補足:波の独立性と重ね合わせの原理

2つの波が出会っても互いに影響を及ぼしません(波の独立性)。重なっている部分では変位の和が合成波の変位になります。

Point

マイケルソン干渉計:鏡の移動 $\Delta L$ → 経路差変化 $2\Delta L$(往復)。明暗 $N$ 回で $2\Delta L = N\lambda$。非常に高精度な長さ/波長測定が可能。