邁克爾遜及邁克爾遜干涉儀實驗

1、邁克爾遜及邁克爾遜邁克爾遜及邁克爾遜干涉儀實驗干涉儀實驗陜西師范大學物理學與信息技術學院陜西師范大學物理學與信息技術學院 吳吳* * *一、邁克爾遜及其對物理學發(fā)展的主要貢獻一、邁克爾遜及其對物理學發(fā)展的主要貢獻二、邁克爾遜干涉儀及光波波長的測量二、邁克爾遜干涉儀及光波波長的測量三、古老原理的現代應用三、古老原理的現代應用 美國著名實驗物理學家：邁克爾遜，1852 年12月19日出生于波蘭一個猶太商人家庭，1856年隨父母移居美國.1873年畢業(yè)于美國海軍學院。 設計思想如圖所示，按照以太學說，光在以太中傳播速率是C，而以太相對于地球的 速率為。實驗時觀察相干條紋，然后把儀器平穩(wěn)轉動90，再觀

2、察轉動前 后干涉條紋的變化。若干涉儀臂長LMM1=LMM2=d1111222MMM MxMMM MLLdctttccc根據經典速度合成公式，光由MM1 M22222222222MMM MyMMM MLLdtttccc222222xyd cdtttcctttt2tcN222()Ndc設設1c 0N00重要的物理思想+ +巧妙的實驗構思+ +精湛的實驗技術 科學中的藝術1M2M1G2GPL1 1、邁克爾遜干涉儀光路圖、邁克爾遜干涉儀光路圖S22112Md) 1 (1M2M)2(DBCAd等傾干涉光路圖 cos2)cossincos1(2sin2coscos2dddtgddADCBAC 2, 1 ,

3、0.2122, 1 ,0.22cos2kkkkd暗；（明） 等傾干涉圓環(huán)實驗條件:M1與M2平行時，即M1與M2嚴格垂直。（1）和（2）的光程差可如下計算： 當d 一定時，光程差只取決于 。這樣，以中心線為對稱軸的同一角入射的光線，反射后形成一個圓形干涉環(huán)；以各種不同傾角入射的光線，反射后形成一組同心的明暗相間的等傾干涉環(huán)。形成明（即亮）和暗的條件是： 2dN 2dN觀察屏觀察屏分光板分光板補償板補償板全反鏡全反鏡粗調手輪粗調手輪細調手輪細調手輪豎直調節(jié)螺絲豎直調節(jié)螺絲水平調節(jié)螺絲水平調節(jié)螺絲 光學相干光學相干CT 斷層掃描成像新技術斷層掃描成像新技術 （Optical Coherence T

4、omography簡稱簡稱OCT） CT-Computed Tomography 計算機斷層成象計算機斷層成象第二代：第二代： NMR CT核磁共振成象核磁共振成象第三代：第三代： 光學相干光學相干CTOCT 微米量級的空間分辨率微米量級的空間分辨率第一代：第一代： X射線射線CT射線射線CT工業(yè)工業(yè)CT 三、三、“古老古老”原理的現代應用之原理的現代應用之例例 邁克爾遜干涉儀是歷史上最著名的經典干涉儀，其邁克爾遜干涉儀是歷史上最著名的經典干涉儀，其基本原理已經被推廣到許多方面，研制成各種形式的精基本原理已經被推廣到許多方面，研制成各種形式的精密儀器，廣泛地應用于生產和科學研究領域密儀器，廣泛

5、地應用于生產和科學研究領域 原理原理* * 樣品中不同位置處反射樣品中不同位置處反射回的光脈沖延遲時間不同回的光脈沖延遲時間不同* * 不同的材料或結構反射不同的材料或結構反射的強度不同的強度不同smdncdnt/10322881410s/m10s/mdd激光器的脈沖寬度要很小激光器的脈沖寬度要很小1015秒秒 飛秒飛秒要實現微米量級的空間分辨率要實現微米量級的空間分辨率, ,即即就要求能測量就要求能測量 秒的時間延遲秒的時間延遲時間延時短至時間延時短至10141015s 電子設備難以直電子設備難以直接測量接測量光源光源探測器探測器參考鏡參考鏡眼睛眼睛可利用光學邁克耳遜干涉儀原理可利用光學邁克

6、耳遜干涉儀原理只有當參考光與只有當參考光與信號光的某個脈信號光的某個脈沖經過相等光程沖經過相等光程時才會產生光學時才會產生光學干涉現象干涉現象因為因為1015秒秒 的光脈沖大約只有一個波長的光脈沖大約只有一個波長 要測量從眼內不同結構回來的光延遲要測量從眼內不同結構回來的光延遲, ,只須移動參考鏡只須移動參考鏡使參考光分別與不同的信號光產生干涉使參考光分別與不同的信號光產生干涉 參考臂掃描可得到樣品深參考臂掃描可得到樣品深度方向的一維測量數據度方向的一維測量數據 光束在平行于樣品表面的光束在平行于樣品表面的方向進行掃描測量方向進行掃描測量, ,可得到橫可得到橫向的數據向的數據 將得到的信號經計

7、算機處理將得到的信號經計算機處理便可得到樣品的立體斷層圖像便可得到樣品的立體斷層圖像 分別記錄下相應的參考鏡的空間位置分別記錄下相應的參考鏡的空間位置, ,這些位置便反這些位置便反映了眼球內不同結構的相對空間位置映了眼球內不同結構的相對空間位置光源光源探測器探測器參考鏡參考鏡眼睛眼睛實驗裝置實驗裝置光纖化的光纖化的邁克耳遜邁克耳遜干涉儀干涉儀光源光源電子學系統(tǒng)電子學系統(tǒng)計算機計算機探探測測器器光纖耦合器光纖耦合器樣樣品品光纖聚焦器光纖聚焦器反反射射鏡鏡 大蔥表皮的大蔥表皮的 OCT OCT 圖像圖像 實際樣品大小為實際樣品大小為10mm4mm，圖中橫向分，圖中橫向分辨率約為辨率約為20m 縱向

8、分辨率約為縱向分辨率約為25m應用應用生物生物醫(yī)學醫(yī)學材料科學材料科學我國第一臺我國第一臺OCT的第一張圖的第一張圖 清華原子分子國家重點實驗室清華原子分子國家重點實驗室兔子眼球前部的兔子眼球前部的OCT圖像圖像晶狀體上皮晶狀體上皮睫狀體睫狀體角膜后表面角膜后表面角膜前表面角膜前表面Optical coherence tomography (Cardiovascular Radiation Medicine 4, 2003)(PDF)Optical coherence tomography (OCT) is a light-based imaging modality that can be

9、used in biological systems to study tissues in vivo with near-histologic, ultrahigh resolution. The rationale for intravascular application of OCT is its potential for in vivo visualisation of the coronary artery microstructure. Miniature endoscope for simultaneous optical coherence tomography and l

10、aser-induced fluorescence measurement (1 January 2004 Vol. 43, No. 1 APPLIED OPTICS)(PDF)We have designed a multimodality system that combines optical coherence tomography OCT and laser-induced fluorescence LIF in a 2.0-mm-diameter endoscopic package. OCT provides 18- m resolution cross-sectional st

11、ructural information over a 6-mm field.Video-rate three-dimensional optical coherence tomography (Vol. 10, No. 9 May 06, 2002, Optics Express)Here we demonstrate three-dimensional optical coherence tomography (3D OCT) at video rate.Use of optical coherence tomography to monitor biological tissue fre

12、ezing during cryosurgery (Journal of Biomedical Optics 9(2), 282286, March/April 2004)(PDF)OCT provides high spatial resolution (510 mm) images of optical backscattering due to local variations in refractive index, such as the boundary between liquid and frozen water in tissue.Optical Coherence Tomo

13、graphy: Endoscopic Instrumentation and Applications (James R. Parker March 20, 2003)This report reviews the technology of OCT with emphasis on endoscopic applications.Emerging Clinical Applications of Optical Coherence Tomography (Optics & Photonics News, April 2002)By measuring backscattered light

14、as a function of depth, OCT fills a valuable niche in imaging of tissue microstructure, providing subsurface imaging with high spatial resolution (on the order of ten micrometers) in three dimensions and high sensitivity in vivo with no contact needed between the probe and the tissue. Trends and prospects for