24-典型干涉仪及其应用解读课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,2.4典型干涉仪器及其应用,2.4.1,迈克尔逊干涉仪,2.4.2,马赫-曾德干涉仪,2.4.3,法布里-珀罗干涉仪,2.4.4,干涉滤波片,11/20/2024,2.4典型干涉仪器及其应用2.4.1 迈克尔逊干涉仪8/4,1,2.4.1 迈克尔逊干涉仪,2,仪器结构、光路,3,工作原理,4,光程差计算,5,极值条件,1,迈克耳孙干涉仪,6,应用,11/20/2024,2.4.1 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1907诺贝尔物理奖。,1881年设计制作，迈克尔逊曾用它做过三个重要实验：,迈克尔逊-莫雷以太漂移实验；,第一次系统地研究了光谱精细结构；,首次将光谱线的波长与标准米进行比较，建立了以波长为基准的标准长度,11/20/2024,迈克耳孙在工作 迈克耳孙（A.A.Michelso,3,1 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。,返回,11/20/2024,1 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,4,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,2、仪器结构、光路,11/20/2024,SM1M2G1G2EM2a1a1a2a2半透半反膜补偿,5,11/20/2024,8/4/2023,6,3、工作原理,光束,a,2,和,a,1,发生干涉,M,2,、,M,1,平行,等倾干涉,M,2,、,M,1,有小夹角,等厚干涉,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,没有补偿板，对干涉有何影响？,可以不要补偿板？,返回,11/20/2024,3、工作原理光束 a2和 a1发生干涉 M2、M1,7,迈克尔逊等倾干涉,11/20/2024,迈克尔逊等倾干涉8/4/2023,8,迈克尔逊,等厚干涉,返回,11/20/2024,迈克尔逊等厚干涉返回8/4/2023,9,4 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,有,半波损失,且,入射角,i,1,等于反射角,i,2,5 极值条件,相长,相消,若,M,1,平移,d,时，光程差改变2,d,干涉条纹移过,N,条,11/20/2024,4 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,返回,11/20/2024,干涉条纹和虚空气膜的对应关系返回8/4/2023,11,6 迈克尔逊干涉应用,精度：人眼观测,/2，光电管：/20,光电外差法/1000。,在图2-34所的装置中，光电计数器用来记录干涉条纹的数目，光电显微镜给出起始和终止信号。,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。,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。,利用,就可算出待测物体的长度。,测量微小位移仪-激光比长仪,11/20/2024,6 迈克尔逊干涉应用精度：人眼观测/2，光电管：/20,12,测折射率n,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,。,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,11/20/2024,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,11/20/2024,用迈克耳孙干涉仪测气流8/4/2023,14,2.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,11/20/2024,2.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,15,2.4.2 马赫-泽德干涉仪(Mach-Zehnder),是一种,大型光学仪器,，它广泛应用于研究空气动力学中,气体的折射率变化,、,可控热核反应中等离子体区的密度分布,，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，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。,马赫-泽德干涉仪也是一种,分振幅干涉仪,，与迈克尔逊干涉仪相比，在光通量的利用率上，大约要高出一倍。,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-泽德干涉仪却没有这种返回光源的光。,结构示意图,11/20/2024,2.4.2 马赫-泽德干涉仪(Mach-Zehnder)是一,16,马赫-泽德干涉仪结构示意图,G,1,、G,2,是两块分别具有半反射面A,1,、A,2,的平行平面玻璃板；,M,1,、M,2,是两块平面反射镜；,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四边形的四个角上，平行四边形长边的典型尺寸是1-2m；,光源S置于透镜L,1,的焦平面上。,S,发出的光束经,L,1,准直后在,A,1,上分成两束，它们分别由,M,1,、,A,2,反射和由,M,2,反射、,A,2,透射，进入透镜,L,2,，出射的两光相遇，产生干涉。,11/20/2024,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A,17,工作原理,假设S是一个单色点光源，所发出的光波经L,1,准直后入射到反射面A,1,上，经A,1,透射和反射、并由M,1,和M,2,反射的平面光波的波面分别为W,1,和W,2,；,一般情况下，W,1,相对于A,2,的虚像W,与W,2,互相倾斜，形成一个空气隙，在W,2,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W,2,的P点虚相交,)，条纹的走向与W,2,和W,所形成空气楔的楔棱平行。,当有某种物理原因(例如，使W,2,通过被研究的气流)使W,2,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(例如，,所研究区域的折射率或密度,)的变化。,11/20/2024,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,在实际应用中，为了提高干涉条纹的亮度，通常都利用扩展光源，此时干涉条纹是定域的。,当四个反射面严格平行时，条纹定域在无穷远处，或定域在,L,2,的焦平面上；,当M,2,和G,2,同时绕自身垂直轴转动时，条纹虚定域于M,2,和G,2,之间(图2-37)。,即通过调节M,2,和G,2,，可使条纹定域在M,2,和G,2,之间的任意位置上，从而可以研究任意点处的状态。,11/20/2024,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-泽德光纤干涉 仪,在光纤传感器中，大量利用光纤马赫-泽德干涉仪进行工作。,图2-38是一种用于温度传感器的马赫-泽德干涉仪结构示意图。,由激光器发出的相干光，经分束器分别送入两根,长度相同的单模光纤,。,参考臂光纤不受外场作用；,信号臂放在需要探测的温度场中；,由二光纤出射的两个激光束产生干涉。,温度的变化引起信号臂光纤的长度、折射率变化，从而使信号臂传输光的相位发生变化；,二光纤输出光的干涉效应变化；,通过测量此干涉效应的变化，即可确定外界温度的变化。,11/20/2024,马赫-泽德光纤干涉 仪在光纤传感器中，大量利用光纤马赫-,20,2.4.3 法布里-珀罗干涉仪,法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪特点,分辨率极高的光谱仪；构成激光谐振腔。,1.法布里-珀罗干涉仪的,结构,2.法布里-珀罗干涉仪的应用,研究光谱的超精细结构,激光器的谐振腔,11/20/2024,2.4.3 法布里-珀罗干涉仪法布里-珀罗(Fabry-,21,1.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板或石英板G,1,、G,2,组成，如图2-39所示。,两板的内表面镀银或铝膜，或多层介质膜-,提高表面反射率,。,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)。-为了得到尖锐的条纹,干涉仪的两块玻璃板(或石英板)通常制成有一个小楔角(1-10)，以避免没有镀膜表面产生的反射光的干扰。,两板之间的光程可以调节,-,法布里-珀罗干涉仪,；,如果两板间放一间隔圈，使板间的距离固定不变,-,法布里-珀罗标准具,。,11/20/2024,1.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,22,F-P与MK干涉条纹比较,等倾干涉,，F-P相邻两透射光的光程差表达式与MK干涉仪的完全相同，所以条纹的,形状、间距、径向分布,很相似。,单色面光源,。,相同点：,不同点：,MK:,等振幅的双光束干涉、条纹宽模糊、可见度较差,F-P:,振幅急剧减少的多光束干涉、亮条纹细锐，可见度好,11/20/2024,F-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,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。,是光在金属内表面反射时的相位变化，R为金属膜内表面的反射率。,可见，,由于金属膜的吸收，干涉图样强度降低了1-A/(1-R),2,倍，严重时，峰值强度只有入射光强的几十分之一,。,R+T+A=1,假设金属膜的吸收率为A，则根据能量守恒关系有,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,返回,11/20/2024,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,即是将一束光中不同波长的光谱线分开-分光。,衡量一个分光元件性能的好坏有三个技术指标：,自由光谱范围,-能够分光的最大波长间隔；,分辨本领,-能够分辨的最小波长差；,角色散,-使不同波长的光分开的程度。,11/20/2024,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-,标准具常数,对多光束干涉，若有两个波长为,1,和,2,(且,2,1,)的光入射至标准具。,由于两种波长的同级条纹角半径不同，将得到如图2-41所示的两组干涉圆环。,2,的干涉圆环比,1,的干涉圆环直径小，前者用实线表示，后者用虚线表示。!,随着,1,和,2,的差别增大，同级圆环半径相差也变大。,当,1,和,2,相差很大，使,2,的第m级干涉条纹与,1,的第m+1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。,11/20/2024,自由光谱范围-标准具常数对多光束干涉，若有两个波长为1,26,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长差，称为,自由光谱范围,(),f,。,-标准具常数,对于靠近条纹中心的某一点()处，,2,的第m级条纹与,1,的第m+1级条纹发生重叠时，其光程差相等，有,(),f,亦称为标准具所能产生,单色光的波长范围,，若用频率表示，则有,11/20/2024,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,分光仪器所能分辨开的最小波长差(),m,称为分辨极限;,定义：,分辨本领,“能分辨开”?-瑞利判据，光学中约定的标准。,瑞利判据,：,两个等强度波长的亮条纹只有当它们的合强度曲线中央极小值低于两边极大值的,81%,时，才算被分开(图2-42),1,2,11/20/2024,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,如果不考虑标准具的吸收损耗，,1,和,2,的透射光合强度为,式中，,1,和,2,是在干涉场上同一点上的两波长条纹所对应的相位差。,设,I,1i,=,I,2i,=,I,i,，,1,-,2,=，则在合强度极小值处(图中F点)。,1,2,11/20/2024,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