典型双光束干涉系统及其应用.ppt
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,平面干涉仪,球面干涉仪,迈克耳孙在工作,迈克耳孙（）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,M2,a1,a1,a2,a2,半透半反膜,补偿板,反射镜,反射镜,光源,观测装置,B:beam-splitter(分束镜);C:compensator(补偿器);M1,M2:mirrors(反射镜),激光器光源,分光板,补偿板,扩束镜,反射镜M1,反射镜M2,观察屏,M2移动导轨,二、工作原理,光束 a2和 a1发生干涉,M2、M1平行 等倾条纹,M2、M1有小夹角 等厚条纹,补偿板作用：补偿两臂的附 加光程差。,迈克耳孙等倾干涉,迈克耳孙等厚干涉,三、光程差计算,M2M1为虚薄膜，n1=n2=1,光束 a2和 a1无半波损失且入射角i1等于反射角i2,四、极值条件,相长,相消,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,光路a2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,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CTOCT,（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1015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,时间延迟短至10-14-10-15s，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1015 秒的光脉冲大约只有一个波长。,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。,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,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10mm4mm，图中横向分辨率约为20m，纵向分辨率约为25m。,3.应用,生物 医学 材料科学,兔子眼球前部的OCT图像,外差干涉法 heterodyne interferometer,其中,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,
