《物理光学》PPT课件.ppt

1,2、迈克尔逊干涉仪（1881）,（1）系统结构，（2）M1或M2垂直于光线移动时对条纹的影响。,特点：,M1 和M2 垂直时是等倾干涉，板厚度很小，楔角不大为等厚干涉，否则是混合型条纹。,掌握：,迈克尔逊干涉仪,薄片厚度测量原理,若放入薄片前，双臂光程接近于0，则有,3,115 典型的双光束干涉系统及其应用 一、典型干涉系统,1、斐索干涉仪：等厚干涉型的干涉仪（光学零件表面质量的检查）,表面不平度,4,（3）条纹间距,（4）,（5）,与楔角成反比与波长成正比,等厚条纹观察装置,牛顿干涉仪,环外扩：要打磨中央部分,环内缩：要打磨边缘部分,6,条纹变化,h增大时，条纹外冒，变密,h减小时，条纹内缩，变疏,等倾干涉,等厚干涉,h增大时，条纹向膜较薄的方向移动,h减小时，条纹向膜较厚的方向移动,混合条纹,7,3、泰曼干涉仪,通过研究光波波面经光学零件后的变形确定零件质量,结构原理,在迈克尔逊干涉仪的一个光路中加入了被测光学器件单色准直光照明，使产生等厚干涉条纹，用于检验光学零件的综合质量,检验原理,8,9,4、马赫曾德干涉仪,结构和光路走向如图,适用于研究气体密度迅速变化的状态,利用扩展光源，条纹是定域的,可通过调节M2和G2使条纹虚定域于M2和G2之间,1）大型风洞中气流引起的空气密度变化,应用：,2）可控热核反应中等离子区的密度分布,3）光学全息，光纤和集成光学,10,调节M2，G2，可任意调节定域面,光纤Sagnac干涉仪,激光器发出的光经耦合器分为两束分别耦合进由同一光纤构成的光纤环中，沿相反方向传输，并于耦合器处再次发生干涉。,R1 R2,Sagnac干涉仪的另一个典型应用是光纤陀螺，即当环形光路有转动时，顺逆时针的光会有非互易性的光程差，可用于转动传感,11,保偏光纤,干涉噪声,拍频信号,12,二、其他干涉技术,1、数字波面干涉术,目的：产生移动的干涉条纹，用光电器件探测条纹的变化。基本原理：利用光学拍频中干涉条纹强度随时间变化的性质。,t,I(x,y,t),条纹是随时间移动的量。,13,相移干涉检测:直接对反射镜位置进行调制，干涉相移步长90度,14,2、傅里叶变换光谱仪,组成：,利用傅立叶变换技术，根据干涉效应，分析光源的光谱分布,一台泰曼干涉仪,一套作傅立叶变换的电子计算机处理系统,光源的光谱分布与产生的干涉条纹的强度分布的关系,特点：,光能的利用率高，对于分析气体的极为复杂而强度很弱的红外光谱特别有用,15,通过移动M2，改变D获得W(D)，再通过反傅里叶变换计算出I0(k)。,钠光灯作光源时(时而清晰，时而模糊)，记录下的强度函数及其相应的光谱图,116 平行平板的多光束干涉及其应用,一、平行平板的多光束干涉,1、干涉场的强度分布（1）光程差与位相差（相邻光束之间）,分别是界面的反射率和透射率,（3）各反射光线的复振幅,半波损失,-,d,i,合振幅：,（4）反射光的合振幅与光强分布,（5）透射光的光强分布,2干涉条纹的特点,结论：,反射光和透射光的干涉图样互补,透射光是几乎全黑背景上的一组很细的亮纹组成,反射光是均匀明亮背景上的很细的暗纹组成,实际应用采用透射光的干涉条纹,（1）亮暗条纹的条件与光强对比度,（3）光强分布与 的关系,（2）光强分布与 的关系,随着反射率 的增大，透射光暗条纹的强度降低，亮条纹的宽度变窄，条纹的锐度和对比度增大,二、法布里泊罗干涉仪（一种多光束干涉装置）（一）仪器结构,干涉条纹分析,一系列细锐的等倾亮纹,干涉级次取决于h，干涉级很高，只适于单色性很好的光源,内表面镀金属膜，有反射相位变化 及金属吸收比,相位差为,且有,（二）用作光谱线超精细结构的研究,1、测量原理,设光源中含有两条谱线：l1和l2，l2=l1+Dl,则：标准具在中心附近对应的干涉级为m2和m1。干涉级差为,对应于条纹的位移De,于是有：,2.自由光谱的范围（能测量的最大波长差）,l2的(m-1)级条纹,l1的m级条纹,自由光谱范围类似于卡尺的最大量程。,钠灯的双光谱Dl6nm,当l1和l2差值非常小的时，它们产生的干涉条纹将非常靠近，如果两个条纹合成的结果被视为一个条纹，则两个波长就不能被分辨。,思路：波长能否被分辨，取决于条纹能否被分辨。,瑞利判据：两个波长的亮条纹只有当它们合强度中央的极小值低于两边的极大值的0.81时，两个条纹才能被分开。,3.分辨极限和分辨本领（能分辨的最小波长差）,d1,d2,G2,G1,Dd,d1,d2,G,G,Dd,d1,d2,Dd,（二）、干涉滤色光 利用多光束干涉原理制成的一种从白光中过滤出波段较窄的单色光的装置。（类似于间隔很小的F-P标准具）1、滤色片的中心的波长（透射比最大的波长）,其中对应同一种波长，如l=5.46x10-7m，m1，m2，m3对应的h1，h2，h3分别称为1，2，3级滤波片。,2、透射波长半宽度,已知，条纹的位相半宽度,思路：寻找出波长与位相的关系,已知,表示的是l1和l2的干涉圆环刚好相差一个波长差，对应的位置变化是2p。,因此：,有：,3、峰值透过比,不考虑吸收等损失,金属膜作干涉滤光片,41,用物理化学方法涂镀在玻璃或金属表面上的透明介质膜，利用光波在薄膜中的反射、折射和叠加，起到减反或增反的作用，还可以起到分光、滤光、调整光束偏振或位相状态等作用。,1、单层膜,三、多光束干涉在薄膜理论中的应用,（一）光学薄膜,n0,n,nG,42,正入射时,薄膜反射比,对于确定的n0和nG，是n和nh的函数,43,单层增透膜,反射比是与波长相关的，对绿光增透对红光和蓝光反射比较大,减反增透,全增透,由于材料限制，单层膜达不到全增透,44,单层增反膜,增反,n越大反射比越高，常用的材料是ZnS，n2.38，单层膜的最大反射比33,45,2、双层膜,由,可知,对于n0-n-nG单层l0/4,单层膜可以等效于一个界面其折射率为,涂镀不同大小的n，可得到不同的,低折射率膜对应了低的等效界面折射率，有低的反射比（增透）,高折射率膜对应了高的等效界面折射率，有高的反射比（增反）,可应用于多层l0/4膜,对于双层膜,46,双层l0/4膜系全增透条件,得,双层膜有两个折射率可供匹配选取，达到全增透,注意：,全增透只对特定的l0满足,3、多层高反膜,由nh均为l0/4的高折射率层（ZnS）和低折射率层（MgF2）交替叠成的膜系，称为l0/4膜系，用符合表示为,G和A分别为玻璃基片和空气，H和L分别为高、低折射率层，2p1为膜层数,47,由等效界面法得,nH和nL分别为高、低折射率层的折射率,nH和nL相差越大，膜层数2p1越大，膜系的反射比就越高,衍射现象,光的衍射现象：光波在空间传播遇到障碍时，其传播方向会偏离直线传播，弯入到障碍物的几何阴影中，并呈现光强的不均匀分布的现象。,光的衍射 Diffraction of Optical Wave,52,第十二章 光的衍射,光的衍射现象：光波在空间传播遇到障碍时，其传播方向会偏离直线传播，弯入到障碍物的几何阴影中，并呈现光强的不均匀分布的现象。,光的衍射是光的波动性的主要标志之一。,衍射现象的分类：（1）菲涅耳衍射：距离衍射屏近处的衍射。（2）夫琅和费衍射：距离衍射屏无限远处的衍射。,光的衍射现象的发现（1651年格里马迪）,53,54,121.光波的标量衍射理论一、惠更斯菲涅耳原理 1690 论光惠更斯,1、惠更斯原理：（1）波阵面的形成，（2）光波的传播方向。,2、惠更斯菲涅耳原理,波阵面外任一点光振动应该是波面上所有子波相干叠加的结果。,点光源S对P点的作用,光波通过圆孔的惠更斯作图法,S,D,D,K,55,波阵面外任一点光振动应该是波面上所有子波相干叠加的结果。,56,当q=0 时，K(q)=Max,q=p/2 时，K(q)=0.,若S发出的光源振幅为A（单位距离处）ZZ范围内的波面上的面元发出的子波对P点产生的复振幅总和为：,菲涅尔假设：,（实验证明是不对的）,求解此公式主要问题：C、K(q)没有确切的表达式。,