光学干涉在科技工业中的应用.ppt

寻找的应用 光学干涉 光的干涉是光的波动性的表现 两束相干光波在空间相遇时形成干涉条纹 获得光干涉的装置有分振幅法和分波阵面法二种 典型的分振幅法干涉装置是牛顿环和劈尖装置 它们产生的干涉条纹亮度大 目前广泛应用于生产中 如测量光波波长 曲率半径 检测光学表面质量等 图11 1等厚干涉的形成 等厚干涉 如图11 1所示 玻璃板A和玻璃板B二者叠放起来 中间加有一层空气 即形成了空气劈尖 设光线1垂直入射到厚度为d的空气薄膜上 入射光线在A板下表面和B板上表面分别产生反射光线2和2 二者在A板上方相遇 由于两束光线都是由光线1分出来的 分振幅法 故频率相同 相位差恒定 与该处空气厚度d有关 振动方向相同 因而会产生干涉 根据干涉条件 当光程差为波长的整数倍时相互加强 出现亮纹 为半波长的奇数倍时互相减弱 出现暗纹 因此有 光程差取决于产生反射光的薄膜厚度 同一条干涉条纹所对应的空气厚度相同 故称为等厚干涉 我们现在考虑光线2和2 的光程差与空气薄膜厚度的关系 显然光线2 比光线2多传播了一段距离2d 此外 由于反射光线2 是由光密媒质 玻璃 向光疏媒质 空气 反射 会产生半波损失 故总的光程差还应加上半个波长 即 根据光的干涉原理可导出第K级暗环半径rk与R的关系式 rk2 KR 透镜由于自重使球面与平面接触点变成面 给测量值带来误差 为减少这种误差可采用第m与第n级暗环半径平方之差 又因圆心不易确定 故用直径替换半径 得若已知 测出第m环和第n环的直径Dm Dn 便可算出R 一 测量凸透镜的曲率半径R 牛顿环 二 测量微小厚度 劈尖干涉 在劈尖架上两个光学平玻璃板中间的一端插入一薄片 或细丝 则在两玻璃板间形成一空气劈尖 当一束平行单色光垂直照射时 则被劈尖薄膜上下两表面反射的两束光进行相干叠加 形成干涉条纹 其光程差为 d为空气隙的厚度 产生的干涉条纹是一簇与两玻璃板交接线平行且间隔相等的平行条纹 如图11 3所示 同样根据牛顿环的明暗纹条件有 图11 3劈尖干涉测厚度示意图 m 1 2 3 时 为干涉暗纹 m 1 2 3 时 为干涉明纹 显然 同一明纹或同一暗纹都对应相同厚度的空气层 因而是等厚干涉 同样易得 两相邻明条纹 或暗条纹 对应空气层厚度差都等于 则第级暗条纹对应的空气层厚度为 假若夹薄片后劈尖正好呈现N级暗纹 则薄层厚度为 用a表示劈尖形空气隙的夹角 s表示相邻两暗纹间的距离 L表示劈间的长度 则有 则薄片厚度为 由上式可见 如果求出空气劈尖上总的暗条纹数 或测出劈尖的L和相邻暗纹间的距离s 都可以由已知光源的波长测定薄片厚度 或细丝直径 D 干涉与衍射膜防伪油墨 我可是真家伙 百元大钞票面正面左下角 100 字样 与票面垂直角度观察为绿色 倾斜一定角度则变为蓝色 其中用到的就是干涉与衍射防伪油墨 干涉型光变油墨是现代防伪油墨中最复杂的一种 也是现今流行的高科技防伪产品 干涉变色油墨的颜料由光学干涉薄膜构成 光学薄膜是按膜系结构的要求 在高真空的条件下把不同折射率的材料依次交替积淀在同一载体上形成 并以分子或原子的形式蒸发到载体上 干涉型变色油墨的变色原理 第一 当白光照射在油墨膜层表面时 油墨表面和内部选择性地吸收其中某些波长的可见光波使反射光呈现颜色第二 光线照射到油墨表面后其中一部分被表面反射回去 另一部分光透过油墨层 经墨膜第二界面反射再透过油墨第一表面返回入射空间 这两束反射光和透射光都来自同一光波 它们满足干涉条件 能产生干涉而呈色 干涉型油墨的呈色就是根据第二点原理设计出来的 由光的干涉原理知道 当光束1和光束2的光程差 为光波波长 的整数倍 即2 时 光波在油墨表面产生相长干涉 此外 由于固着在印刷品上的墨膜厚度h及折射率 空气与连结料或承印材料的折射率及半波损失是不变的 所以随着观察角度的改变 光束1与2间的光程差 也发生改变 为了满足2 产生相长干涉的光束波长也发生相应改变 从而产生颜色改变 这就是光变油墨的变色原理 80年代初 法国全息摄影展在世界各地展览 人们欣赏到了神奇莫测的全息摄影 墙头上 看来明明伸出了一只水龙头 举手前去拧一下 结果是抓了个空 一只镜框 里面没有什么图像 可是当一束光射过来 框里就出现一位美丽的姑娘 她缓慢地摘下眼镜 正向人微笑致意 一只玻璃罩 里面空无一物 可是 在光的照射下 罩里马上现出维纳斯像 在镜框上 玻璃罩内 图像还在不断地变换 解密全息照相 一般情况下 当两束相干光的位相相同时 合成光源的振动 相应的光强 就增强 反之 光波的振动就减弱 而光的位相是随位置变化的 因此 光波的振动增强和减弱也随位置而变化 这样 在两束光的交叠处就产生强弱相间的干涉条纹 条纹的分布情况反映了合成光波的位相在不同位置的变化情况 因此 利用两束光的干涉所产生的干涉条纹可以有效地把位相的变化情况记录下来 全息摄影就是利用光的干涉把景物散射光波以干涉条纹的形式 即把光波的振幅和位相记录在感光材料上 也就是说 把物体的全部信息都记录下来 因而具有获得立体图像的许多优点 全息照相分为两步 第一步利用干涉法拍摄全息图 全息照片 如图1 a 所示 从激光器发出的相干光束 被分束镜分成两束光 一束光照明到被摄物体 从物体上反射或散射的物光射到感光胶片上 另一部分光束投射到反射镜 被反射的光波直接照射到感光胶片上 这束光称为参考光 物光与参考光在胶片上迭加干涉 产生的干涉图样即记录了物体振幅和位相的全部信息 这张具有干涉图样的胶片经过适当曝光与冲洗处理后 就是一张全息图 全息照片 这一拍摄过程就是一个记录或储存信息 或波前 的过程 这是一个物光波前再现亦即成像的过程 不过 如果再现光束和原来的参考光束同向 得到的物像是虚像 如果用原相干光反向照射全息图 则得到的物像是实像 如果不用激光而用白光去照射 由于白光是由多种波长的光混合而成的 全息照片上的干涉条纹 就要同时对各种波长的光发生衍射 因而 全息照片上会出现很多重叠错位的像 使人无法看清楚 当然 如果我们在全息图的拍摄过程中采用诸如彩虹全息和反射式傅立叶变换全息等记录技术 则可以获得白光照明再现原物像的白光全息 第二步是利用衍射原理进行物体的再现 重现 由于全息照片记录的是两相干光相互干涉的结果 因此 与原来的被摄物体毫无相似之处 然而 当把全息图放回原处 用相干参考光 此时称为再现光束 照明全息图时 如图1 b 所示 这张具有干涉图样的全息图宛如一块复杂的光栅将发生衍射 在这些衍射光波中包含着原来的物光波 观察者迎着再现光波方向即可观察到一个逼真的 立体感很强的物体再现像 干涉技术在天体测量中的运用 天体测量学是天文学中最先发展起来的分支学科 主要任务是研究和测定天体的位置和运动 参考系的定义和实现 参考架的建立和维持 以及在其他学科中的应用 20世纪末由于新技术 新仪器的使用 新参考架的引入和广义相对论的应用 天体测量已进入全新的展阶段 检测器CCD代替了传统的照相底片 光干涉方法取代了经典的子午观测技术 依巴谷卫星的发射成功显示了空间天体测量时代的开始 射电干涉测量实现的河外射电参考架取代了使用近百年的光学参考架 在相对论框架下进行资料归算可以使天体测量的精度达到微角秒量级川 干涉技术在地面天体测量中的应用 目前正在实施射电和光学波段的地面干涉仪和研究计划 由于望远镜口径 大气的湍动和光学衍射的影响 天文望远镜的角分辨率受到限制 因此既不可能利用传统的光学技术直接测定恒星的角直径 小于0 05 更不能用来研究恒星表面的细节 如亮度分布等 1868年法国Fizean最早提出了用光千涉的方法测定恒星直径的想法 基于Fizean的思路 1881年美国Michelson用Lick天文台30cm折射望远镜成功地测定了木星的4个伽利略卫星的直径 1920年人们又设计了新型结构的干涉仪 即Michelson恒星干涉仪 以后又发展了单口径大望远镜的干涉技术 如斑点干涉仪2 使光干涉技术有了进一步的发展 随着科学技术的发展 1967年长基线干涉技术首先在射电波段获得成功 现在采用的和AGN的视超光速现象的发现就是利用该技术取得的重大成果 射电和光学波段的长基线干涉仪大部分采用了Michelson干涉原理 由于见光的波长比射电的波长短得多 大气的高频扰动和仪器本身的稳定性对光程差的影响很大 至20世纪70年代末长基线光干涉在技术上才有所突破 80年代有了较大的进展 1974年法国Labeyrie首次用2个口径为26cm的望远镜安放在12m的南北基线上得到了织女星的干涉条纹 长基线光干涉仪可以在干涉和综合孔径两个模式下工作 前者从大视场和小视场的定位观测可以得到有关恒星的直径 双星的间距和方位角 天体的位置等数据 后者为成像观测 可以得到射电源和恒星表面的细节 喷流 黑子 耀斑 和亮度分布等 而在空间天体的测量中 也应用到了干涉技术 这里就不展开了 当今 用到干涉技术的天体测量课题大体有 1 河外参考架的建立与维持2 参考架的联系3 距离的测定4 相对论的实验5 飞船的导航6 脉冲星7 双星的观测 TOBECONTINUED