典型干涉仪及其应用解读课件

2.42.4典型干涉仪器及其应用典型干涉仪器及其应用n2.4.12.4.1 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪n2.4.2 2.4.2 马赫马赫-曾德干涉仪曾德干涉仪n2.4.3 2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪n2.4.42.4.4 干涉滤波片干涉滤波片5/17/20242.4典型干涉仪器及其应用2.4.1 迈克尔逊干涉仪8/312.4.1 2.4.1 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪2 2 仪器结构、光路仪器结构、光路3 3 工作原理工作原理4 4 光程差计算光程差计算5 5 极值条件极值条件1 1 迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪6 6 应用应用5/17/20242.4.1 迈克尔逊干涉仪2 仪器结构、光路3 工作原理4 2迈克耳孙在工作 迈克耳孙（A.A.Michelson）美籍德国人 获获19071907诺贝尔物理奖。诺贝尔物理奖。1881 1881年设计制作，迈克年设计制作，迈克尔逊曾用它做过三个重要尔逊曾用它做过三个重要实验：实验：迈克尔逊迈克尔逊-莫雷以太莫雷以太漂移实验；漂移实验；第一次系统地研究了第一次系统地研究了光谱精细结构；光谱精细结构；首次将光谱线的波长首次将光谱线的波长与标准米进行比较，与标准米进行比较，建立了以波长为基准建立了以波长为基准的标准长度的标准长度5/17/2024迈克耳孙在工作 迈克耳孙（A.A.Michelso31 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪至今仍是许多光学仪器的核心。迈克尔逊干涉仪至今仍是许多光学仪器的核心。返回返回5/17/20241 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪至今仍是许多光学仪器的核4SM1M2G1G2EM2a1a1a2a2半透半反膜半透半反膜补偿板补偿板反反射射镜镜反射镜反射镜光源观测装置观测装置虚薄膜虚薄膜2、仪器结构、光路、仪器结构、光路5/17/2024SM1M2G1G2EM2a1a1a2a2半透半反膜补偿5 5/17/2024 8/3/202363 3、工作原理、工作原理光束光束 a a2 2和和 a a1 1发生干涉发生干涉 M M2 2、M M1 1平行平行 等倾干涉等倾干涉 M M2 2、M M1 1有小夹角有小夹角 等厚干涉等厚干涉补偿板作用：补偿两臂的附补偿板作用：补偿两臂的附 加光程差。加光程差。十字叉丝十字叉丝等厚条纹等厚条纹S SM M1 1M M2 2G G1 1G G2 2E EM M2 2 a a1 1a a1 1a a2 2a a2 2半透半反膜半透半反膜补偿板补偿板反反射射镜镜反射镜反射镜光源光源观测装置观测装置虚薄膜虚薄膜没有补偿板，对干涉有何影响？没有补偿板，对干涉有何影响？可以不要补偿板？可以不要补偿板？返回返回5/17/20243、工作原理光束 a2和 a1发生干涉 M2、M17迈克尔逊等倾干涉迈克尔逊等倾干涉5/17/2024迈克尔逊等倾干涉8/3/20238迈克尔逊迈克尔逊等厚干涉等厚干涉返回返回5/17/2024迈克尔逊等厚干涉返回8/3/202394 4 光程差计算光程差计算 M M2 2M M1 1为虚薄膜，为虚薄膜，n n1 1=n=n2 2=1=1 光束光束 a a2 2和和 a a1 1有有半波损失半波损失且且入射角入射角i i1 1等于反射角等于反射角i i2 25 5 极值条件极值条件相长相长相消相消若若M M1 1平平移移 d d时时，光程差改变光程差改变2 2 d d干涉条纹移过干涉条纹移过N N条条5/17/20244 光程差计算 M2M1为虚薄膜，n1=n2=1 光束10干涉条纹和虚空气膜的对应关系干涉条纹和虚空气膜的对应关系返回返回5/17/2024干涉条纹和虚空气膜的对应关系返回8/3/2023116 迈克尔逊干涉应用迈克尔逊干涉应用精精度度：人人眼眼观观测测/2/2，光光电电管管：/20,/20,光电外差法光电外差法/1000/1000。n在图在图2-342-34所的装置中，光电所的装置中，光电计数器用来记录干涉条纹的计数器用来记录干涉条纹的数目，光电显微镜给出起始数目，光电显微镜给出起始和终止信号。和终止信号。n当光电显微镜对准待测物体的起始端时，它向记录仪发当光电显微镜对准待测物体的起始端时，它向记录仪发出一个信号，使记录仪开始记录干涉条纹数。出一个信号，使记录仪开始记录干涉条纹数。n当物体测量完时，光电显微镜对准物体的末端，发出一当物体测量完时，光电显微镜对准物体的末端，发出一个终止信号，使记录仪停止工作。个终止信号，使记录仪停止工作。n利用利用就可算出待测物体的长度。就可算出待测物体的长度。测量微小位移仪测量微小位移仪-激光比长仪激光比长仪5/17/20246 迈克尔逊干涉应用精度：人眼观测/2，光电管：/2012 测折射率测折射率n nln光路光路a a2 2中插入待测介质，产生中插入待测介质，产生附加光程差附加光程差由此由此可测折射率可测折射率n n。M1a2若相应移过若相应移过 N N 个条纹个条纹则应有则应有注意注意 光通过介质两次光通过介质两次5/17/2024 测折射率nln光路a2中插入待测介质，产生由此可测折射率13 用迈克耳孙干涉仪测气流用迈克耳孙干涉仪测气流5/17/2024 用迈克耳孙干涉仪测气流8/3/2023142.2.实验装置实验装置光源电子学系统计算机探测器光纤耦合器样品光纤聚焦器反射镜光纤化的迈克耳孙干涉仪5/17/20242.实验装置光源电子学系统计算机探测器光纤耦合器样品光纤聚152.4.2 2.4.2 马赫马赫-泽德干涉仪泽德干涉仪(Mach-Zehnder)(Mach-Zehnder)n是一种是一种大型光学仪器大型光学仪器，它广泛应用于研究空气，它广泛应用于研究空气动力学中动力学中气体的折射率变化气体的折射率变化、可控热核反应中可控热核反应中等离子体区的密度分布等离子体区的密度分布，并且在测量光学零件、，并且在测量光学零件、制备光信息处理中的空间滤波器等许多方面，制备光信息处理中的空间滤波器等许多方面，有着极其重要的应用。特别是，它已在光纤传有着极其重要的应用。特别是，它已在光纤传感技术中被广泛采用。感技术中被广泛采用。n马赫马赫-泽德干涉仪也是一种泽德干涉仪也是一种分振幅干涉仪分振幅干涉仪，与迈，与迈克尔逊干涉仪相比，在光通量的利用率上，大克尔逊干涉仪相比，在光通量的利用率上，大约要高出一倍。约要高出一倍。n这是因为在迈克尔逊干涉仪中，有一半光通量将返回这是因为在迈克尔逊干涉仪中，有一半光通量将返回到光源方向，而马赫到光源方向，而马赫-泽德干涉仪却没有这种返回光泽德干涉仪却没有这种返回光源的光。源的光。n结构示意图结构示意图5/17/20242.4.2 马赫-泽德干涉仪(Mach-Zehnder)是一16马赫马赫-泽德干涉仪结构示意图泽德干涉仪结构示意图nG G1 1、G G2 2是两块分别具有半反射面是两块分别具有半反射面A A1 1、A A2 2的平行平面玻璃板；的平行平面玻璃板；nM M1 1、M M2 2是两块平面反射镜；是两块平面反射镜；n四个反射面通常安排成近乎平四个反射面通常安排成近乎平行，其中心分别位于一个平行行，其中心分别位于一个平行四边形的四个角上，平行四边四边形的四个角上，平行四边形长边的典型尺寸是形长边的典型尺寸是1-2m1-2m；n光源光源S S置于透镜置于透镜L L1 1的焦平面上。的焦平面上。nS S发出的光束经发出的光束经L L1 1准直后在准直后在A A1 1上分成两束，它们分别由上分成两束，它们分别由M M1 1、A A2 2反射和由反射和由M M2 2反射、反射、A A2 2透射，透射，进入透镜进入透镜L L2 2，出射的两光相遇，出射的两光相遇，产生干涉。产生干涉。5/17/2024马赫-泽德干涉仪结构示意图G1、G2是两块分别具有半反射面A17工作原理工作原理n假设假设S S是一个单色点光源，所是一个单色点光源，所发出的光波经发出的光波经L L1 1准直后入射到准直后入射到反射面反射面A A1 1上，经上，经A A1 1透射和反射、透射和反射、并由并由M M1 1和和M M2 2反射的平面光波的反射的平面光波的波面分别为波面分别为W W1 1和和W W2 2；n一般情况下，一般情况下，W W1 1相对于相对于A A2 2的虚像的虚像W W与与W W2 2互相倾斜，形互相倾斜，形成一个空气隙，在成一个空气隙，在W W2 2上将形成平行等距的直线干涉条纹上将形成平行等距的直线干涉条纹(图中画出了两支出射光线在图中画出了两支出射光线在W W2 2的的P P点虚相交点虚相交)，条纹的走，条纹的走向与向与W W2 2和和W W所形成空气楔的楔棱平行。所形成空气楔的楔棱平行。n当有某种物理原因当有某种物理原因(例如，使例如，使W W2 2通过被研究的气流通过被研究的气流)使使W W2 2发生变形，则干涉图形不再是平行等距的直线，从而可发生变形，则干涉图形不再是平行等距的直线，从而可以从干涉图样的变化测出相应物理量以从干涉图样的变化测出相应物理量(例如，例如，所研究区域所研究区域的折射率或密度的折射率或密度)的变化。的变化。5/17/2024工作原理假设S是一个单色点光源，所发出的光波经L1准直后入射18条纹的定域问题条纹的定域问题n在实际应用中，为了提高干在实际应用中，为了提高干涉条纹的亮度，通常都利用涉条纹的亮度，通常都利用扩展光源，此时干涉条纹是扩展光源，此时干涉条纹是定域的。定域的。n当四个反射面严格平行时，当四个反射面严格平行时，条纹定域在无穷远处，或定条纹定域在无穷远处，或定域在域在L2的焦平面上；的焦平面上；n当当M M2 2和和G G2 2同时绕自身垂直轴转动时，条纹虚定域于同时绕自身垂直轴转动时，条纹虚定域于M M2 2和和G G2 2之间之间(图图2-37)2-37)。n即通过调节即通过调节M M2 2和和G G2 2，可使条纹定域在，可使条纹定域在M M2 2和和G G2 2之间的任意之间的任意位置上，从而可以研究任意点处的状态。位置上，从而可以研究任意点处的状态。5/17/2024条纹的定域问题在实际应用中，为了提高干涉条纹的亮度，通常都利19马赫马赫-泽德光纤干涉泽德光纤干涉 仪仪n在光纤传感器中，大量在光纤传感器中，大量利用光纤马赫利用光纤马赫-泽德干涉泽德干涉仪进行工作。仪进行工作。n 图图2-382-38是一种用于温度是一种用于温度传感器的马赫传感器的马赫-泽德干涉泽德干涉仪结构示意图。仪结构示意图。n由激光器发出的相干光，由激光器发出的相干光，经分束器分别送入两根经分束器分别送入两根长长度相同的单模光纤度相同的单模光纤。n参考臂光纤不受外场作用；参考臂光纤不受外场作用；n信号臂放在需要探测的温度信号臂放在需要探测的温度场中；场中；n由二光纤出射的两个激光束由二光纤出射的两个激光束产生干涉。产生干涉。n温度的变化引起信号臂光纤的长温度的变化引起信号臂光纤的长度、折射率变化，从而使信号臂度、折射率变化，从而使信号臂传输光的相位发生变化；传输光的相位发生变化；n二光纤输出光的干涉效应变化；二光纤输出光的干涉效应变化；n 通过测量此干涉效应的变化，通过测量此干涉效应的变化，即可确定外界温度的变化。即可确定外界温度的变化。5/17/2024马赫-泽德光纤干涉 仪在光纤传感器中，大量利用光纤马赫-202.4.3 2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪n法布里法布里-珀罗珀罗(Fabry-Perot)(Fabry-Perot)干涉仪特点干涉仪特点n分辨率极高的光谱仪；构成激光谐振腔。分辨率极高的光谱仪；构成激光谐振腔。1.1.法布里法布里-珀罗干涉仪的珀罗干涉仪的结构结构2.2.法布里法布里-珀罗干涉仪的应用珀罗干涉仪的应用n研究光谱的超精细结构研究光谱的超精细结构n激光器的谐振腔激光器的谐振腔 5/17/20242.4.3 法布里-珀罗干涉仪法布里-珀罗(Fabry-211.1.法布里法布里-珀罗干涉仪的结构珀罗干涉仪的结构n主要由两块平行放置的主要由两块平行放置的平面玻璃板或石英板平面玻璃板或石英板G G1 1、G G2 2组成，如图组成，如图2-392-39所示。所示。n两板的内表面镀银或铝两板的内表面镀银或铝膜，或多层介质膜膜，或多层介质膜-提提高表面反射率高表面反射率。n两镀膜面应精确地保持平行，其平行度一般要求达到两镀膜面应精确地保持平行，其平行度一般要求达到 (1/20-1/100)(1/20-1/100)。-为了得到尖锐的条纹为了得到尖锐的条纹n干涉仪的两块玻璃板干涉仪的两块玻璃板(或石英板或石英板)通常制成有一个小楔角通常制成有一个小楔角(1-10)(1-10)，以避免没有镀膜表面产生的反射光的干扰。，以避免没有镀膜表面产生的反射光的干扰。n两板之间的光程可以调节两板之间的光程可以调节-法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪；n如果两板间放一间隔圈，使板间的距离固定不变如果两板间放一间隔圈，使板间的距离固定不变-法布里法布里-珀珀罗标准具罗标准具。5/17/20241.法布里-珀罗干涉仪的结构主要由两块平行放置的平面玻璃22F-PF-P与与MKMK干涉条纹比较干涉条纹比较 等倾干涉等倾干涉，F-PF-P相邻两透射光的光相邻两透射光的光程差表达式与程差表达式与MKMK干干涉仪的完全相同，涉仪的完全相同，所以条纹的所以条纹的形状、形状、间距、径向分布间距、径向分布很很相似。相似。单色面光源单色面光源。相同点：相同点：不同点：不同点：MK:MK:等振幅的双光束干涉、条纹宽模糊、可见度较差等振幅的双光束干涉、条纹宽模糊、可见度较差F-P:F-P:振幅急剧减少的多光束干涉、亮条纹细锐，可见度好振幅急剧减少的多光束干涉、亮条纹细锐，可见度好5/17/2024F-P与MK干涉条纹比较 等倾干涉，F-P相邻两透射光的23金属镀膜对干涉图样强度的影响金属镀膜对干涉图样强度的影响n当干涉仪两板内表面镀金属膜时，由于金属膜对光产生当干涉仪两板内表面镀金属膜时，由于金属膜对光产生强烈吸收，使得整个干涉图样的强度降低。强烈吸收，使得整个干涉图样的强度降低。是是光光在在金金属属内内表表面面反反射射时时的的相相位位变变化化，R R为为金金属属膜膜内内表表面面的的反反射率。射率。可可见见，由由于于金金属属膜膜的的吸吸收收，干干涉涉图图样样强强度度降降低低了了1-A/(1-R)1-A/(1-R)2 2倍倍，严重时，严重时，峰值强度只有入射光强的几十分之一峰值强度只有入射光强的几十分之一。R+T+A=1 R+T+A=1n假设金属膜的吸收率为假设金属膜的吸收率为A A，则根据能，则根据能量守恒关系有量守恒关系有n当干涉仪两板的膜层相同时，考虑膜层吸收时的透射当干涉仪两板的膜层相同时，考虑膜层吸收时的透射光干涉图样强度公式光干涉图样强度公式返回返回5/17/2024金属镀膜对干涉图样强度的影响当干涉仪两板内表面镀金属膜时，由24应用之一：研究光谱的超精细结构应用之一：研究光谱的超精细结构n即是将一束光中不同波长的光谱线分开即是将一束光中不同波长的光谱线分开-分光。分光。n衡量一个分光元件性能的好坏有三个技术衡量一个分光元件性能的好坏有三个技术指标：指标：n自由光谱范围自由光谱范围-能够分光的最大波长间隔；能够分光的最大波长间隔；n分辨本领分辨本领-能够分辨的最小波长差；能够分辨的最小波长差；n角色散角色散-使不同波长的光分开的程度。使不同波长的光分开的程度。5/17/2024应用之一：研究光谱的超精细结构即是将一束光中不同波长的光谱线25自由光谱范围自由光谱范围-标准具常数标准具常数n对多光束干涉，若有两对多光束干涉，若有两个波长为个波长为1 1和和2 2(且且2 21 1)的光入射至标准的光入射至标准具。具。n由于两种波长的同级条由于两种波长的同级条纹角半径不同，将得到纹角半径不同，将得到如图如图2-412-41所示的两组干所示的两组干涉圆环。涉圆环。n 2 2的干涉圆环比的干涉圆环比1 1的干涉圆的干涉圆环直径小，前者用实线表示，后环直径小，前者用实线表示，后者用虚线表示。者用虚线表示。!n随着随着1 1和和2 2的差别增大，的差别增大，同级圆环半径相差也变大。同级圆环半径相差也变大。n当当1 1和和2 2相差很大，使相差很大，使2 2的第的第m m级干涉条纹与级干涉条纹与1 1的第的第m+1m+1级干涉条纹重叠，就引起了不同级次的条纹混淆，级干涉条纹重叠，就引起了不同级次的条纹混淆，达不到分光之目的。达不到分光之目的。5/17/2024自由光谱范围-标准具常数对多光束干涉，若有两个波长为126n对于一个标准具分光元件来说，存在一个允许的最大分对于一个标准具分光元件来说，存在一个允许的最大分光波长差，称为光波长差，称为自由光谱范围自由光谱范围()()f f。-标准具常数标准具常数n对于靠近条纹中心的某一点对于靠近条纹中心的某一点()()处，处，2 2的第的第m m级条纹与级条纹与1 1的第的第m+1m+1级条纹发生重叠时，其光程差相等，有级条纹发生重叠时，其光程差相等，有n()()f f亦称为标准具所能产生亦称为标准具所能产生单色光的波长范围单色光的波长范围，若用，若用频率表示频率表示 ，则有，则有 5/17/2024继续讨论对于一个标准具分光元件来说，存在一个允许的最大分光波27分辨本领分辨本领n分光仪器所能分辨开的最小波长差分光仪器所能分辨开的最小波长差()()m m称为分辨极限称为分辨极限;n定义：定义：分辨本领分辨本领n“能分辨开能分辨开”?-”?-瑞利判据，光学中约定的标准。瑞利判据，光学中约定的标准。n瑞利判据瑞利判据：n两个等强度波长的亮条纹两个等强度波长的亮条纹只有当它们的合强度曲线只有当它们的合强度曲线中央极小值低于两边极大中央极小值低于两边极大值的值的81%81%时，才算被分开时，才算被分开(图图2-42)2-42)125/17/2024分辨本领分光仪器所能分辨开的最小波长差()m称为分辨极限28标准具分辨本领的计算标准具分辨本领的计算n如果不考虑标准具的吸收损耗，如果不考虑标准具的吸收损耗，1 1和和2 2的透射光合的透射光合强度为强度为 n式中，式中，1 1和和 2 2是在干涉场是在干涉场上同一点上的两波长条上同一点上的两波长条纹所对应的相位差。纹所对应的相位差。n设设I I1i1i=I I2i2i=I Ii i，1 1-2 2=，则在合强度极小值处，则在合强度极小值处(图中图中F F点点)。125/17/2024标准具分辨本领的计算如果不考虑标准具的吸收损耗，1和2的29标准具分辨本领的计算标准具分辨本领的计算n极小值强度为极小值强度为 n极大值强度为极大值强度为 n在合强度极大值处在合强度极大值处(图中图中G G点点)。125/17/2024标准具分辨本领的计算极小值强度为 极大值强度为 在合强度极大30标准具分辨本领的计算标准具分辨本领的计算n由瑞利判据，两个波长条纹恰能分辨的条件是由瑞利判据，两个波长条纹恰能分辨的条件是n由于由于 很小，很小，sin(sin(/2)/2)/2/2，则，则有有n则有则有略去略去 n两波长刚能分辨，则有两波长刚能分辨，则有=，标准具的分辨本领，标准具的分辨本领为为5/17/2024标准具分辨本领的计算由瑞利判据，两个波长条纹恰能分辨的条件是31标准具分辨本领的计算标准具分辨本领的计算式中式中N N为条纹的为条纹的精细度精细度n两波刚能分辨，则有两波刚能分辨，则有=，标准具的分辨本领为，标准具的分辨本领为n可见，标准具的分辨本领与干涉条纹的级数可见，标准具的分辨本领与干涉条纹的级数m m、精细度、精细度N N成正比；成正比；nF-PF-P标准具的分辨本领极高；标准具的分辨本领极高；n例如，例如，h h=5 mm,=5 mm,N N30(R0.9)30(R0.9)，=0.5m=0.5m，则在接近正，则在接近正入射时，标准具的分辨本领为入射时，标准具的分辨本领为 n相当于在相当于在=0.5m=0.5m上，标准具能分辨的最小波长差为上，标准具能分辨的最小波长差为8.3108.310-7-7 mm，一般光谱仪是达不到的一般光谱仪是达不到的。n上面的讨论是把上面的讨论是把1 1和和2 2的谱线视为单色谱线，实际谱线的本身都的谱线视为单色谱线，实际谱线的本身都有一定的宽度，所以有一定的宽度，所以标准具的分辨本领达不到这样高标准具的分辨本领达不到这样高。5/17/2024标准具分辨本领的计算式中N为条纹的精细度两波刚能分辨，则有32角色散角色散n角色散：角色散：用来表征分光仪器能够将不同波长的光分开用来表征分光仪器能够将不同波长的光分开程度的重要指标。程度的重要指标。n定义定义：单位波长间隔的光，经分光仪所分开的角度，：单位波长间隔的光，经分光仪所分开的角度，用用d/dd/d表示。表示。nd/dd/d愈大，不同波长的光经分光仪分得愈开。愈大，不同波长的光经分光仪分得愈开。n由法布里由法布里-珀罗干涉仪透射光极大值条件珀罗干涉仪透射光极大值条件 不计平行板材料的色散，两边不计平行板材料的色散，两边进行微分，可得进行微分，可得 角度角度愈小，仪器的角色散愈大。愈小，仪器的角色散愈大。在法在法-珀干涉仪的干涉环中心处光谱最纯。珀干涉仪的干涉环中心处光谱最纯。返回返回5/17/2024角色散角色散：用来表征分光仪器能够将不同波长的光分开程度的重33应用之二：激光器谐振腔应用之二：激光器谐振腔n激光工作物质激光工作物质在激励源的作用下，为激光的产生提供了增在激励源的作用下，为激光的产生提供了增益，其增益曲线如图益，其增益曲线如图2-43(b)2-43(b)中的虚线所示。中的虚线所示。n谐振腔谐振腔n为激光的产生提供了正反馈，并具有为激光的产生提供了正反馈，并具有选模选模作用作用;n可以看作是由可以看作是由M M1 1、M M2 2构成的法布里构成的法布里-珀罗干涉仪。珀罗干涉仪。n一台激光器主要由两个一台激光器主要由两个核心部件组成核心部件组成：n激光工作物质激光工作物质(激活介激活介质质)和由和由M M1 1、M M2 2构成的构成的谐振腔。谐振腔。5/17/2024应用之二：激光器谐振腔激光工作物质在激励源的作用下，为激光的34激光器的纵模激光器的纵模n激光器产生的激光振荡频激光器产生的激光振荡频率，实际上是一系列满足率，实际上是一系列满足干涉条件的频率。干涉条件的频率。n由于激光输出还必须满足由于激光输出还必须满足一定的阈值条件，所以激一定的阈值条件，所以激光输出频率只有如图光输出频率只有如图2-2-43(b)43(b)所示的所示的A A、B B、C C等少等少数几个。数几个。-纵模数有限纵模数有限 n激光器的每一种输出频率称为激光器的每一种输出频率称为振荡纵模振荡纵模 m m；n每一种输出频率的频宽称为每一种输出频率的频宽称为单模线宽单模线宽 1/21/2；-滤波宽度滤波宽度n相邻两个纵模间的频率间隔称为相邻两个纵模间的频率间隔称为纵模间隔纵模间隔 。-自由自由光谱范围光谱范围 5/17/2024激光器的纵模激光器产生的激光振荡频率，实际上是一系列满足干涉35纵模频率纵模频率n激光器输出的纵模频率实际上是满足法布里激光器输出的纵模频率实际上是满足法布里-泊罗干涉泊罗干涉仪干涉亮条纹条件的一系列频率。仪干涉亮条纹条件的一系列频率。n在正入射情况下，满足下面的关系：在正入射情况下，满足下面的关系：式中式中n n和和L L分别是谐振腔内介质的折射率和腔长，分别是谐振腔内介质的折射率和腔长，m m为为干涉级。干涉级。纵模波长纵模波长纵模频率纵模频率5/17/2024纵模频率激光器输出的纵模频率实际上是满足法布里-泊罗干涉仪干36纵模间隔纵模间隔纵模间隔纵模间隔纵模频率纵模频率5/17/2024纵模间隔纵模间隔纵模频率8/3/202337单模线宽单模线宽-仪器宽度对应的带宽仪器宽度对应的带宽n由法布里由法布里-泊罗干涉仪的泊罗干涉仪的半值宽度半值宽度激光器中往返光波间相位差激光器中往返光波间相位差单模线宽单模线宽(波长波长)单模线宽单模线宽(频率频率)谐振腔的反射率越高，或腔长越长，谱线宽度越小谐振腔的反射率越高，或腔长越长，谱线宽度越小单色越好。单色越好。5/17/2024单模线宽-仪器宽度对应的带宽由法布里-泊罗干涉仪的半值宽38应用之三：应用之三：干涉滤光片干涉滤光片n滤光片的作用是只让某一波段范围的光通滤光片的作用是只让某一波段范围的光通过，而其余波长的光不能通过。过，而其余波长的光不能通过。n滤光片的性能指标有三个：滤光片的性能指标有三个：n中心波长中心波长0 0，它是指透光率最大，它是指透光率最大(T(TM M)时的时的波长；波长；n透射带的波长半宽度，它是透过率为最大值透射带的波长半宽度，它是透过率为最大值一半一半(T=T(T=TM M/2)/2)处的波长范围处的波长范围1/21/2，n1/21/2大者为宽带滤光片；大者为宽带滤光片；n1/21/2小者为窄带滤光片；小者为窄带滤光片；n 峰值透过率峰值透过率T TM M。5/17/2024应用之三：干涉滤光片滤光片的作用是只让某一波段范围的光通过39滤光片的种类滤光片的种类-按结构分类按结构分类 吸收滤光片吸收滤光片n是利用物质对光波的选择性吸收进行滤光的。是利用物质对光波的选择性吸收进行滤光的。n 例如，例如，红、红、绿玻璃以及各种有色液体等，具体滤光性能可绿玻璃以及各种有色液体等，具体滤光性能可参看有关手册；参看有关手册；干涉滤光片干涉滤光片n是利用多光束干涉原理实现滤光的。是利用多光束干涉原理实现滤光的。n两者比较两者比较n前者由于使用的物质有限，不能制造出在任意波长处、前者由于使用的物质有限，不能制造出在任意波长处、具有所希望带宽的滤光片；具有所希望带宽的滤光片；n后者从原理上讲，可以制成在任何中心波长处、有任后者从原理上讲，可以制成在任何中心波长处、有任意带宽的滤光片。意带宽的滤光片。5/17/2024滤光片的种类-按结构分类 吸收滤光片8/3/202340常见的几种滤光片常见的几种滤光片1.1.法布里法布里-珀罗型干涉滤光片珀罗型干涉滤光片n全介质干涉滤波片全介质干涉滤波片2.2.红外线滤光片红外线滤光片3.3.偏振滤光片偏振滤光片n金属膜干涉滤波片金属膜干涉滤波片n干涉滤波片的特性干涉滤波片的特性5/17/2024常见的几种滤光片1.法布里-珀罗型干涉滤光片2.红外线滤41几种干涉滤波片的特性几种干涉滤波片的特性M M：金属膜；：金属膜；L L：光学厚度：光学厚度nhnh为为 0 0/4/4的低折射率膜层，前的低折射率膜层，前4 4种，种，L L为氟化为氟化镁，后镁，后3 3种，种，L L为冰晶石；为冰晶石；H H：光学厚度为光学厚度为 0 0/4/4的高折射率膜层，均的高折射率膜层，均为硫化锌。为硫化锌。返回返回5/17/2024几种干涉滤波片的特性M：金属膜；L：光学厚度nh为0/4的42红外线滤光片红外线滤光片n可见，膜厚的变化将改变可见，膜厚的变化将改变截止带的位置截止带的位置n若若nh=0.130mnh=0.130m，膜系，膜系反射可见光而透过红外反射可见光而透过红外光。在光源的反射镜上光。在光源的反射镜上镀上这种膜系，就制成镀上这种膜系，就制成了了冷光镜冷光镜。n若若nh=0.22mnh=0.22m的膜层，的膜层，则反射红外线而透过可则反射红外线而透过可见光，用在光源与被照见光，用在光源与被照物之间，可作物之间，可作红外截止红外截止滤光片滤光片，称之为，称之为冷滤光冷滤光片片。返回返回n以波长以波长为横坐标时的七层膜为横坐标时的七层膜系透射率光谱曲线，系透射率光谱曲线，5/17/2024红外线滤光片可见，膜厚的变化将改变截止带的位置返回以波长为43偏振滤光片偏振滤光片n利用多层膜的作用可以利用多层膜的作用可以制作偏振滤波片。制作偏振滤波片。n在玻璃上镀高折射率薄膜，在玻璃上镀高折射率薄膜，可以增大反射率；可以增大反射率；n反射光中反射光中p p分量与分量与s s分量，分量，随入射角随入射角 而变。而变。n对对ZnS+MgFZnS+MgF2 2+ZnS+ZnS三层膜三层膜,在膜偏振角上，反射光中在膜偏振角上，反射光中s s分量的反射率可达分量的反射率可达90%90%。-偏振片偏振片5/17/2024偏振滤光片利用多层膜的作用可以制作偏振滤波片。对ZnS+Mg44单色偏振滤波片单色偏振滤波片n光以接近全反射光以接近全反射的角度入射时，的角度入射时，可得带宽为几可得带宽为几nmnm的透射带的透射带-单色滤波片单色滤波片返回返回单色高偏振度单色高偏振度滤波片滤波片n(b)(b)图中出现图中出现2 2个透射带，个透射带，可用双折射率材料作胶可用双折射率材料作胶合物，通过双折射将合物，通过双折射将s s和和p p分量反射时的相位变化分量反射时的相位变化抵消，可制成消双折射抵消，可制成消双折射全反射滤波片。全反射滤波片。5/17/2024单色偏振滤波片光以接近全反射的角度入射时，可得带宽为几nm的45