－典型双光束干涉系统及其应用

单击此处编辑母版标题样式,典型双光束干涉系统,裴索干涉仪,迈克尔逊干涉仪,外差干涉原理,马赫增德干涉仪,裴索,干涉仪,定义：等厚干涉型的干涉系统统称为裴索干涉仪,等厚条纹,待测工件,平晶,标准验规,待测透镜,暗纹,平面干涉仪,球面干涉仪,H,e,迈克耳孙在工作,迈克耳孙,（A.A.Michelson,）,18521931,美籍德国人,因创造精密光学仪,器，用以进行光谱,学和度量学的研究,并精确测出光速,获1907 诺贝尔物,理奖。,Michelson,干涉仪,迈克耳孙干涉仪至今仍是许多光学仪器的核心。,爱因斯坦：,我总认为迈克耳孙是科学中的艺术家，他的最大,乐趣似乎来自实验本身的优美和所使用方法的精湛，,他从来不认为自己在科学上是个严格的”专家”，事实上,的确不是，但始终是个艺术家。,重要的物理思想巧妙的实验构思,精湛的实验技术,科学中的艺术,许多著名的实验都堪称科学中的艺术，如：全息,照相实验、吴健雄实验、施,盖实验等等。,1 构造和光路,振幅分割型双光束干涉仪；,许多现代干涉计量仪器的基础。,不同方位看到的,Michelson,干涉仪装置,S,M,1,M,2,G,1,G,2,E,M,2,a,1,a,1,a,2,a,2,半透半反膜,补偿板,反射镜,反射镜,光源,观测装置,虚薄膜,B: beam-splitter(分束镜);,C: compensator(补偿器);,M,1, M,2,: mirrors (反射镜),激光器光源,分光板,补偿板,扩束镜,反射镜M,1,反射镜M,2,观察屏,M,2,移动导轨,二 、工作原理,光束,a,2,和,a,1,发生干涉,M,2,、,M,1,平行,等倾条纹,M,2,、,M,1,有小夹角,等厚条纹,补偿板作用：补偿两臂的附,加光程差。,十字叉丝,等厚条纹,S,M,1,M,2,G,1,G,2,E,M,2,a,1,a,1,a,2,a,2,半透半反膜,补偿板,反射镜,反射镜,光源,观测装置,虚薄膜,迈克耳孙等倾干涉,迈克耳孙等厚干涉,三、光程差计算,M,2,M,1,为虚薄膜，,n,1,=n,2,=1, 光束,a,2,和,a,1,无半波损失且入射角,i,1,等于反射角,i,2,四、极值条件,相长,相消,若,M,1,平移,h,时光程差改变 2,h,干涉条纹移过,N,条,干涉条纹和虚空气膜的对应关系,等倾和等厚干涉,迈克耳孙干涉仪,三、应用：,测折射率：,测量微小位移,l,n,光路,a,2,中插入待测介质，产生,附加光程差,由此,可测折射率,n,。,以波长,为尺度，可精确到,M,1,a,2,若相应移过,N,个条纹,则应有,注意,光通过介质两次,用迈克耳孙干涉仪测气流,问题,能否根据上述干涉花样描述气流的分布状况？,光学相干CT 断层扫描成像新技术,（CT-Computed Tomography）,第二代：,NMR CT,核磁共振成像,第一代：,X,射线,CT,射线,CT,工业,CT,计算机断层成像,利用迈克耳孙干涉仪原理测量,空间分辨率可达微米的量级.,第三代：,光学相干CT,OCT,（Optical Coherence Tomography，,简称,OCT）,1、原理,要实现微米量级的空间分辨率（即,d m,），,就要,求能测量,t, 10,-14,秒的时间延迟。,激光器的脉冲宽度要很小10,15,秒,（飞秒）,样品中不同位置处反射的,光脉冲延迟时间也不同：,数量级估计：,样品,（1）样品反射光脉冲的延迟时间,t,d,时间延迟短至10,-14,-10,-15,s，电子设备难以直接测量，,可利用迈克耳孙干涉仪原理测量。,当参考光脉冲和信号,光脉冲序列,（眼睛的不同,部位反射得到光脉冲序列）,中的某一个脉冲,同时,到达,探测器表面时,就会产生光,学干涉现象。这种情形,只有当参考光与信号光的,这个脉冲经过,相等光程,时,才会产生。,因为10,15,秒的光脉冲大约只有一个波长。,光源,探测器,参考镜,眼睛,测量不同结构层面返回的光延迟，只须移动参考,镜，使参考光分别与不同的信号光产生干涉。,参考臂扫描可得到样品深度,方向的一维测量数据。光束在,平行于样品表面的方向进行扫,描测量，可得到横向的数据。,将得到的信号经计算机处理，,便可得到样品的立体断层图像。,分别记录下相应的参考镜的空间位置，这些位置,便反映了眼球内不同结构的相对空间位置。,光源,探测器,参考镜,眼睛,图像的断层分辨率由光的脉宽决定。,图像的横向分辨率由光束的直径决定。,对光程较长的多次散射光有极强的抑制作用。,不同材料或结构的样品反射光的强度不同。根据反射光信号的强弱，赋予其相应的色彩，这样便得到样品的,假彩色图。,（2）样品反射光脉冲强度的处理,（3）OCT成像的特点：,即使透明度很差的样品,仍可得到清晰的图像。,2. 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,大葱表皮的 OCT 图像,实际样品大小为10,mm,4,mm,，图中,横向,分辨率约为,20,m,，纵向,分辨率约为,25,m,。,3. 应用,生物 医学 材料科学 ,兔子眼球前部的OCT图像,角膜前表面,角膜后表面,晶状体上皮,睫状体,外差干涉法,heterodyne interferometer,S,M,1,M,2,D,频率偏移器,P,L,2,L,1,A,B,外差干涉的原理,其中,A,B,T,t,双频激光,干涉仪,(1) 光电探测器接收信号为交流信号，前置放大器为高倍数的交流放大器，不用直流放大，故没有零点漂移等问题。,(2),由于物体变化所产生的多普勒频移信息是载于稳定的差频上，且其频率较高（几兆至100兆赫）,因此，光电探测时避过了激光器的低频噪声和半导体器件的高频 噪声区;又利用频率跟踪等外差解调技术大量滤除了宽带噪声，因此提高了光电信号的信噪比。,(3) 利用多普勒效应，计数器计频率差的变化，不受激光强度和磁场变化的影响。在光强度衰减90时仍可得到满意的信号，这对于远距离测量是十分重要的，同时在近距离测量时又能简化调整工作。,(4) 测量精度不受空气湍流的影响，无需预热时间。,双频激光干涉仪的特点,马赫曾德干涉仪,Mach-Zehnder interferometer,主要用于测量相位物体引起的相位变化,全息术：制备全息光学元件、全息光栅,化学试剂、生物样本、生物分子,空气密度变化,