典型干涉仪及其应用解读课件.ppt

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1、3/26/2023,2.4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,3/26/2023,2.4.1 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,3/26/2023,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,3/26/20

2、23,1 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,3/26/2023,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,2、仪器结构、光路,3/26/2023,3/26/2023,3、工作原理,光束 a2和 a1发生干涉,M2、M1平行 等倾干涉,M2、M1有小夹角 等厚干涉,补偿板作用：补偿两臂的附 加光程差。,没有补偿板，对干涉有何影响？可以不要补偿板？,返回,3/26/2023,迈克尔逊等倾干涉,3/26/2023,迈克尔逊等厚干涉,返回,3/26/2023,4 光程差计算,M2M1为虚薄膜，n1=n2=1,光束 a2和 a1有半

3、波损失且入射角i1等于反射角i2,5 极值条件,相长,相消,3/26/2023,干涉条纹和虚空气膜的对应关系,返回,3/26/2023,6 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,3/26/2023,测折射率n,光路a2中插入待测介质，产生附加光

4、程差,由此可测折射率n。,若相应移过 N 个条纹,则应有,注意 光通过介质两次,3/26/2023,用迈克耳孙干涉仪测气流,3/26/2023,2.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,3/26/2023,2.4.2 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

5、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,3/26/2023,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A1、A2的平行平面玻璃板；M1、M2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L1的焦平面上。S发出的光束经L1准直后在A1上分成两束，它们分别由M1、A2反射和由M2反射、A2透射，进入透镜L2，出射的两光相遇，产生干涉。,3/26/2023,工作原理,假设S是一个单色点光源，所发出

6、的光波经L1准直后入射到反射面A1上，经A1透射和反射、并由M1和M2反射的平面光波的波面分别为W1和W2；,一般情况下，W1相对于A2的虚像W与W2互相倾斜，形成一个空气隙，在W2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W2的P点虚相交)，条纹的走向与W2和W所形成空气楔的楔棱平行。当有某种物理原因(例如，使W2通过被研究的气流)使W2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。,3/26/2023,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

7、个反射面严格平行时，条纹定域在无穷远处，或定域在L2的焦平面上；,当M2和G2同时绕自身垂直轴转动时，条纹虚定域于M2和G2之间(图2-37)。,即通过调节M2和G2，可使条纹定域在M2和G2之间的任意位置上，从而可以研究任意点处的状态。,3/26/2023,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

8、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。,3/26/2023,2.4.3 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,3/26/2023,1.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G1、G2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

9、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。,3/26/2023,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,3/26/2023,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

10、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,3/26/2023,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。,3

11、/26/2023,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21)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。,3/26/2023,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

12、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,3/26/2023,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),3/26/2023,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I1i=I2i=Ii，1-2=，则在合强度极小值处(图中F点)。,3/26/20

13、23,标准具分辨本领的计算,极小值强度为,极大值强度为,在合强度极大值处(图中G点)。,3/26/2023,标准具分辨本领的计算,由瑞利判据，两个波长条纹恰能分辨的条件是,由于很小，sin(/2)/2，则有,则有,略去,两波长刚能分辨，则有=，标准具的分辨本领为,3/26/2023,标准具分辨本领的计算,式中N为条纹的精细度,两波刚能分辨，则有=，标准具的分辨本领为,可见，标准具的分辨本领与干涉条纹的级数m、精细度N成正比；F-P标准具的分辨本领极高；,例如，h=5 mm,N30(R0.9)，=0.5m，则在接近正入射时，标准具的分辨本领为,相当于在=0.5m上，标准具能分辨的最小波长差为8.

14、310-7 m，一般光谱仪是达不到的。上面的讨论是把1和2的谱线视为单色谱线，实际谱线的本身都有一定的宽度，所以标准具的分辨本领达不到这样高。,3/26/2023,角色散,角色散：用来表征分光仪器能够将不同波长的光分开程度的重要指标。定义：单位波长间隔的光，经分光仪所分开的角度，用d/d表示。d/d愈大，不同波长的光经分光仪分得愈开。,由法布里-珀罗干涉仪透射光极大值条件,不计平行板材料的色散，两边进行微分，可得,角度愈小，仪器的角色散愈大。在法-珀干涉仪的干涉环中心处光谱最纯。,返回,3/26/2023,应用之二：激光器谐振腔,激光工作物质在激励源的作用下，为激光的产生提供了增益，其增益曲线

15、如图2-43(b)中的虚线所示。谐振腔为激光的产生提供了正反馈，并具有选模作用;可以看作是由M1、M2构成的法布里-珀罗干涉仪。,一台激光器主要由两个核心部件组成：激光工作物质(激活介质)和由M1、M2构成的谐振腔。,3/26/2023,激光器的纵模,激光器产生的激光振荡频率，实际上是一系列满足干涉条件的频率。由于激光输出还必须满足一定的阈值条件，所以激光输出频率只有如图2-43(b)所示的A、B、C等少数几个。-纵模数有限,激光器的每一种输出频率称为振荡纵模m；每一种输出频率的频宽称为单模线宽1/2；-滤波宽度相邻两个纵模间的频率间隔称为纵模间隔。-自由光谱范围,3/26/2023,纵模频率

16、,激光器输出的纵模频率实际上是满足法布里-泊罗干涉仪干涉亮条纹条件的一系列频率。在正入射情况下，满足下面的关系：,式中n和L分别是谐振腔内介质的折射率和腔长，m为干涉级。,纵模波长,纵模频率,3/26/2023,纵模间隔,纵模间隔,纵模频率,3/26/2023,单模线宽-仪器宽度对应的带宽,由法布里-泊罗干涉仪的半值宽度,激光器中往返光波间相位差,单模线宽(波长),单模线宽(频率),谐振腔的反射率越高，或腔长越长，谱线宽度越小单色越好。,3/26/2023,应用之三：干涉滤光片,滤光片的作用是只让某一波段范围的光通过，而其余波长的光不能通过。滤光片的性能指标有三个：中心波长0，它是指透光率最大

17、(TM)时的波长；透射带的波长半宽度，它是透过率为最大值一半(T=TM/2)处的波长范围1/2，1/2大者为宽带滤光片；1/2小者为窄带滤光片；峰值透过率TM。,3/26/2023,滤光片的种类-按结构分类,吸收滤光片是利用物质对光波的选择性吸收进行滤光的。例如，红、绿玻璃以及各种有色液体等，具体滤光性能可参看有关手册；干涉滤光片是利用多光束干涉原理实现滤光的。两者比较前者由于使用的物质有限，不能制造出在任意波长处、具有所希望带宽的滤光片；后者从原理上讲，可以制成在任何中心波长处、有任意带宽的滤光片。,3/26/2023,常见的几种滤光片,1.法布里-珀罗型干涉滤光片全介质干涉滤波片,2.红外

18、线滤光片3.偏振滤光片,金属膜干涉滤波片,干涉滤波片的特性,3/26/2023,几种干涉滤波片的特性,M：金属膜；L：光学厚度nh为0/4的低折射率膜层，前4种，L为氟化镁，后3种，L为冰晶石；H：光学厚度为0/4的高折射率膜层，均为硫化锌。,返回,3/26/2023,红外线滤光片,可见，膜厚的变化将改变截止带的位置若nh=0.130m，膜系反射可见光而透过红外光。在光源的反射镜上镀上这种膜系，就制成了冷光镜。若nh=0.22m的膜层，则反射红外线而透过可见光，用在光源与被照物之间，可作红外截止滤光片，称之为冷滤光片。,返回,以波长为横坐标时的七层膜系透射率光谱曲线，,3/26/2023,偏振滤光片,利用多层膜的作用可以制作偏振滤波片。在玻璃上镀高折射率薄膜，可以增大反射率；反射光中p分量与s分量，随入射角而变。,对ZnS+MgF2+ZnS三层膜,在膜偏振角上，反射光中s分量的反射率可达90%。-偏振片,3/26/2023,单色偏振滤波片,光以接近全反射的角度入射时，可得带宽为几nm的透射带-单色滤波片,返回,单色高偏振度滤波片,(b)图中出现2个透射带，可用双折射率材料作胶合物，通过双折射将s和p分量反射时的相位变化抵消，可制成消双折射全反射滤波片。,