2.4典型干涉儀及其應(yīng)用分解課件

1、2.4典型干涉儀器及其應(yīng)用2.4.1 邁克爾遜干涉儀2.4.2 馬赫-曾德干涉儀2.4.3 法布里-珀羅干涉儀2.4.4 干涉濾波片7/24/20222.4.1 邁克爾遜干涉儀2 儀器結(jié)構(gòu)、光路3 工作原理4 光程差計算5 極值條件1 邁克耳孫干涉儀6 應(yīng)用7/24/2022邁克耳孫在工作 邁克耳孫（A.A.Michelson）美籍德國人 獲1907諾貝爾物理獎。 1881年設(shè)計制作，邁克爾遜曾用它做過三個重要實驗：邁克爾遜-莫雷以太漂移實驗；第一次系統(tǒng)地研究了光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)；首次將光譜線的波長與標(biāo)準(zhǔn)米進(jìn)行比較，建立了以波長為基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)長度7/24/20221 邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀至今仍

2、是許多光學(xué)儀器的核心。返回7/24/2022SM1M2G1G2EM2a1a1a2a2半透半反膜補償板反射鏡反射鏡光源觀測裝置虛薄膜2、儀器結(jié)構(gòu)、光路7/24/2022 7/24/20223、工作原理光束 a2和 a1發(fā)生干涉 M2、M1平行 等傾干涉 M2、M1有小夾角 等厚干涉補償板作用：補償兩臂的附 加光程差。十字叉絲等厚條紋SM1M2G1G2EM2a1a1a2a2半透半反膜補償板反射鏡反射鏡光源觀測裝置虛薄膜沒有補償板，對干涉有何影響？可以不要補償板？返回7/24/2022邁克爾遜等傾干涉7/24/2022邁克爾遜等厚干涉返回7/24/20224 光程差計算 M2M1為虛薄膜，n1=n2

3、=1 光束 a2和 a1有半波損失且入射角i1等于反射角i25 極值條件相長相消若M1平移d時，光程差改變2d干涉條紋移過N條7/24/2022干涉條紋和虛空氣膜的對應(yīng)關(guān)系返回7/24/20226 邁克爾遜干涉應(yīng)用精度：人眼觀測/2，光電管：/20,光電外差法/1000。在圖2-34所的裝置中，光電計數(shù)器用來記錄干涉條紋的數(shù)目，光電顯微鏡給出起始和終止信號。當(dāng)光電顯微鏡對準(zhǔn)待測物體的起始端時，它向記錄儀發(fā)出一個信號，使記錄儀開始記錄干涉條紋數(shù)。當(dāng)物體測量完時，光電顯微鏡對準(zhǔn)物體的末端，發(fā)出一個終止信號，使記錄儀停止工作。利用就可算出待測物體的長度。 測量微小位移儀- -激光比長儀7/24/20

4、22 測折射率nln光路a2中插入待測介質(zhì)，產(chǎn)生附加光程差由此可測折射率n 。M1a2若相應(yīng)移過 N 個條紋則應(yīng)有注意 光通過介質(zhì)兩次7/24/2022 用邁克耳孫干涉儀測氣流7/24/20222. 實驗裝置光源電子學(xué)系統(tǒng)計算機(jī)探測器光纖耦合器樣品光纖聚焦器反射鏡光纖化的邁克耳孫干涉儀7/24/20222.4.2 馬赫-澤德干涉儀(Mach-Zehnder)是一種大型光學(xué)儀器，它廣泛應(yīng)用于研究空氣動力學(xué)中氣體的折射率變化、可控?zé)岷朔磻?yīng)中等離子體區(qū)的密度分布，并且在測量光學(xué)零件、制備光信息處理中的空間濾波器等許多方面， 有著極其重要的應(yīng)用。特別是，它已在光纖傳感技術(shù)中被廣泛采用。 馬赫-澤德干涉

5、儀也是一種分振幅干涉儀，與邁克爾遜干涉儀相比，在光通量的利用率上，大約要高出一倍。這是因為在邁克爾遜干涉儀中，有一半光通量將返回到光源方向，而馬赫-澤德干涉儀卻沒有這種返回光源的光。結(jié)構(gòu)示意圖7/24/2022馬赫-澤德干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖G1、G2是兩塊分別具有半反射面A1、A2的平行平面玻璃板；M1、M2是兩塊平面反射鏡；四個反射面通常安排成近乎平行，其中心分別位于一個平行四邊形的四個角上，平行四邊形長邊的典型尺寸是1-2m；光源S置于透鏡L1的焦平面上。S發(fā)出的光束經(jīng)L1準(zhǔn)直后在A1上分成兩束，它們分別由M1、A2反射和由M2反射、A2透射，進(jìn)入透鏡L2，出射的兩光相遇，產(chǎn)生干涉。 7/24

6、/2022工作原理假設(shè)S是一個單色點光源，所發(fā)出的光波經(jīng)L1準(zhǔn)直后入射到反射面A1上，經(jīng)A1透射和反射、 并由M1和M2反射的平面光波的波面分別為W1和W2；一般情況下，W1相對于A2的虛像W與W2互相傾斜，形成一個空氣隙，在W2上將形成平行等距的直線干涉條紋(圖中畫出了兩支出射光線在W2的P點虛相交)，條紋的走向與W2和W所形成空氣楔的楔棱平行。當(dāng)有某種物理原因(例如，使W2通過被研究的氣流)使W2發(fā)生變形，則干涉圖形不再是平行等距的直線，從而可以從干涉圖樣的變化測出相應(yīng)物理量(例如，所研究區(qū)域的折射率或密度)的變化。 7/24/2022條紋的定域問題在實際應(yīng)用中，為了提高干涉條紋的亮度，通

7、常都利用擴(kuò)展光源，此時干涉條紋是定域的。當(dāng)四個反射面嚴(yán)格平行時，條紋定域在無窮遠(yuǎn)處，或定域在L2的焦平面上；當(dāng)M2和G2同時繞自身垂直軸轉(zhuǎn)動時，條紋虛定域于M2和G2之間(圖2-37)。即通過調(diào)節(jié)M2和G2，可使條紋定域在M2和G2之間的任意位置上，從而可以研究任意點處的狀態(tài)。7/24/2022馬赫- -澤德光纖干涉 儀在光纖傳感器中，大量利用光纖馬赫-澤德干涉儀進(jìn)行工作。 圖2-38是一種用于溫度傳感器的馬赫-澤德干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖。由激光器發(fā)出的相干光，經(jīng)分束器分別送入兩根長度相同的單模光纖。參考臂光纖不受外場作用；信號臂放在需要探測的溫度場中；由二光纖出射的兩個激光束產(chǎn)生干涉。溫度的變化引

8、起信號臂光纖的長度、折射率變化，從而使信號臂傳輸光的相位發(fā)生變化；二光纖輸出光的干涉效應(yīng)變化； 通過測量此干涉效應(yīng)的變化， 即可確定外界溫度的變化。7/24/20222.4.3 法布里-珀羅干涉儀法布里- -珀羅(Fabry-Perot)干涉儀特點分辨率極高的光譜儀；構(gòu)成激光諧振腔。1.法布里- -珀羅干涉儀的結(jié)構(gòu)2.法布里- -珀羅干涉儀的應(yīng)用研究光譜的超精細(xì)結(jié)構(gòu)激光器的諧振腔 7/24/20221.法布里- -珀羅干涉儀的結(jié)構(gòu)主要由兩塊平行放置的平面玻璃板或石英板G1、G2組成，如圖2-39所示。兩板的內(nèi)表面鍍銀或鋁膜，或多層介質(zhì)膜- -提高表面反射率。兩鍍膜面應(yīng)精確地保持平行，其平行度一

9、般要求達(dá)到 (1/20-1/100)。- -為了得到尖銳的條紋干涉儀的兩塊玻璃板(或石英板)通常制成有一個小楔角(1-10)，以避免沒有鍍膜表面產(chǎn)生的反射光的干擾。兩板之間的光程可以調(diào)節(jié) - -法布里-珀羅干涉儀；如果兩板間放一間隔圈，使板間的距離固定不變- -法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具。7/24/2022F-P與MK干涉條紋比較 等傾干涉，F(xiàn)-P相鄰兩透射光的光程差表達(dá)式與MK干涉儀的完全相同，所以條紋的形狀、間距、徑向分布很相似。 單色面光源。相同點：不同點：MK:等振幅的雙光束干涉、條紋寬模糊、可見度較差F-P:振幅急劇減少的多光束干涉、亮條紋細(xì)銳，可見度好7/24/2022金屬鍍膜對干涉圖樣強(qiáng)

10、度的影響當(dāng)干涉儀兩板內(nèi)表面鍍金屬膜時，由于金屬膜對光產(chǎn)生強(qiáng)烈吸收，使得整個干涉圖樣的強(qiáng)度降低。 是光在金屬內(nèi)表面反射時的相位變化，R為金屬膜內(nèi)表面的反射率?？梢姡捎诮饘倌さ奈?，干涉圖樣強(qiáng)度降低了1-A/(1-R)2倍， 嚴(yán)重時， 峰值強(qiáng)度只有入射光強(qiáng)的幾十分之一。 R+T+A=1假設(shè)金屬膜的吸收率為A，則根據(jù)能量守恒關(guān)系有當(dāng)干涉儀兩板的膜層相同時，考慮膜層吸收時的透射光干涉圖樣強(qiáng)度公式返回7/24/2022應(yīng)用之一：研究光譜的超精細(xì)結(jié)構(gòu)即是將一束光中不同波長的光譜線分開- -分光。衡量一個分光元件性能的好壞有三個技術(shù)指標(biāo)：自由光譜范圍- -能夠分光的最大波長間隔；分辨本領(lǐng)- -能夠分辨的最

11、小波長差；角色散- -使不同波長的光分開的程度。7/24/2022自由光譜范圍- -標(biāo)準(zhǔn)具常數(shù)對多光束干涉，若有兩個波長為1和2(且21)的光入射至標(biāo)準(zhǔn)具。由于兩種波長的同級條紋角半徑不同，將得到如圖2-41所示的兩組干涉圓環(huán)。 2的干涉圓環(huán)比1的干涉圓環(huán)直徑小，前者用實線表示，后者用虛線表示。!隨著1和2的差別增大，同級圓環(huán)半徑相差也變大。當(dāng)1和2相差很大，使2的第m級干涉條紋與1的第m+1級干涉條紋重疊，就引起了不同級次的條紋混淆，達(dá)不到分光之目的。7/24/2022繼續(xù)討論對于一個標(biāo)準(zhǔn)具分光元件來說，存在一個允許的最大分光波長差，稱為自由光譜范圍()f。- 標(biāo)準(zhǔn)具常數(shù)對于靠近條紋中心的某

12、一點()處，2的第m級條紋與1的第m+1級條紋發(fā)生重疊時，其光程差相等，有()f亦稱為標(biāo)準(zhǔn)具所能產(chǎn)生單色光的波長范圍，若用頻率表示 ，則有 7/24/2022分辨本領(lǐng)分光儀器所能分辨開的最小波長差()m稱為分辨極限;定義：分辨本領(lǐng)“能分辨開”?- -瑞利判據(jù)，光學(xué)中約定的標(biāo)準(zhǔn)。瑞利判據(jù)：兩個等強(qiáng)度波長的亮條紋只有當(dāng)它們的合強(qiáng)度曲線中央極小值低于兩邊極大值的81%時，才算被分開(圖2-42)127/24/2022標(biāo)準(zhǔn)具分辨本領(lǐng)的計算如果不考慮標(biāo)準(zhǔn)具的吸收損耗，1和2的透射光合強(qiáng)度為 式中，1和2是在干涉場上同一點上的兩波長條紋所對應(yīng)的相位差。設(shè)I1i=I2i=Ii，1-2=，則在合強(qiáng)度極小值處(

13、圖中F點)。127/24/2022標(biāo)準(zhǔn)具分辨本領(lǐng)的計算極小值強(qiáng)度為 極大值強(qiáng)度為 在合強(qiáng)度極大值處(圖中G點)。127/24/2022標(biāo)準(zhǔn)具分辨本領(lǐng)的計算由瑞利判據(jù)，兩個波長條紋恰能分辨的條件是由于很小，sin(/2)/2，則有則有略去兩波長剛能分辨，則有=，標(biāo)準(zhǔn)具的分辨本領(lǐng)為7/24/2022標(biāo)準(zhǔn)具分辨本領(lǐng)的計算式中N為條紋的精細(xì)度兩波剛能分辨，則有=，標(biāo)準(zhǔn)具的分辨本領(lǐng)為可見，標(biāo)準(zhǔn)具的分辨本領(lǐng)與干涉條紋的級數(shù)m、精細(xì)度N成正比；F-P標(biāo)準(zhǔn)具的分辨本領(lǐng)極高； 例如， h=5 mm, N30(R0.9)，=0.5m，則在接近正入射時，標(biāo)準(zhǔn)具的分辨本領(lǐng)為 相當(dāng)于在=0.5m上，標(biāo)準(zhǔn)具能分辨的最小波

14、長差為8.310-7 m，一般光譜儀是達(dá)不到的。上面的討論是把1和2的譜線視為單色譜線，實際譜線的本身都有一定的寬度，所以標(biāo)準(zhǔn)具的分辨本領(lǐng)達(dá)不到這樣高。 7/24/2022角色散角色散：用來表征分光儀器能夠?qū)⒉煌ㄩL的光分開程度的重要指標(biāo)。定義：單位波長間隔的光，經(jīng)分光儀所分開的角度，用d/d表示。d/d愈大，不同波長的光經(jīng)分光儀分得愈開。由法布里-珀羅干涉儀透射光極大值條件 不計平行板材料的色散，兩邊進(jìn)行微分，可得 角度愈小，儀器的角色散愈大。 在法-珀干涉儀的干涉環(huán)中心處光譜最純。 返回7/24/2022應(yīng)用之二：激光器諧振腔激光工作物質(zhì)在激勵源的作用下，為激光的產(chǎn)生提供了增益，其增益曲線

15、如圖2-43(b)中的虛線所示。諧振腔為激光的產(chǎn)生提供了正反饋，并具有選模作用;可以看作是由M1、M2構(gòu)成的法布里-珀羅干涉儀。一臺激光器主要由兩個核心部件組成：激光工作物質(zhì)(激活介質(zhì))和由M1、M2構(gòu)成的諧振腔。7/24/2022激光器的縱模激光器產(chǎn)生的激光振蕩頻率，實際上是一系列滿足干涉條件的頻率。由于激光輸出還必須滿足一定的閾值條件，所以激光輸出頻率只有如圖2-43(b)所示的A、B、C等少數(shù)幾個。- -縱模數(shù)有限 激光器的每一種輸出頻率稱為振蕩縱模m；每一種輸出頻率的頻寬稱為單模線寬1/2；- 濾波寬度相鄰兩個縱模間的頻率間隔稱為縱模間隔 。- 自由光譜范圍 7/24/2022縱模頻率

16、激光器輸出的縱模頻率實際上是滿足法布里-泊羅干涉儀干涉亮條紋條件的一系列頻率。在正入射情況下，滿足下面的關(guān)系：式中n和L分別是諧振腔內(nèi)介質(zhì)的折射率和腔長，m為干涉級?？v模波長縱模頻率7/24/2022縱模間隔縱模間隔縱模頻率7/24/2022單模線寬- -儀器寬度對應(yīng)的帶寬由法布里-泊羅干涉儀的半值寬度激光器中往返光波間相位差單模線寬(波長)單模線寬(頻率)諧振腔的反射率越高，或腔長越長，譜線寬度越小單色越好。 7/24/2022應(yīng)用之三： 干涉濾光片濾光片的作用是只讓某一波段范圍的光通過，而其余波長的光不能通過。濾光片的性能指標(biāo)有三個： 中心波長0，它是指透光率最大(TM)時的波長；透射帶的

17、波長半寬度，它是透過率為最大值一半(T=TM/2)處的波長范圍1/2，1/2大者為寬帶濾光片；1/2小者為窄帶濾光片； 峰值透過率TM。7/24/2022濾光片的種類- -按結(jié)構(gòu)分類 吸收濾光片是利用物質(zhì)對光波的選擇性吸收進(jìn)行濾光的。 例如， 紅、 綠玻璃以及各種有色液體等，具體濾光性能可參看有關(guān)手冊； 干涉濾光片是利用多光束干涉原理實現(xiàn)濾光的。 兩者比較前者由于使用的物質(zhì)有限，不能制造出在任意波長處、具有所希望帶寬的濾光片；后者從原理上講，可以制成在任何中心波長處、有任意帶寬的濾光片。 7/24/2022常見的幾種濾光片1. 法布里-珀羅型干涉濾光片全介質(zhì)干涉濾波片2. 紅外線濾光片3. 偏振濾光片金屬膜干涉濾波片干涉濾波片的特性7/24/2022幾種干涉濾波片的特性M：金屬膜；L：光學(xué)厚度nh為0/4的低折射率膜層，前4種，L為氟化鎂，后3種，L為冰晶石；H：光學(xué)厚度為0/4的高折射率膜層，均為硫化鋅。返回7/24/2022紅外線濾光片可見，膜厚的變化將改變截止帶的位置若nh=0.130m，膜系反射可見光而透過紅外光。在光源的反射鏡上鍍上這種膜系，就制成了冷光鏡。若nh=0.22m的膜層，則反射紅外線而透過可見光，用在光源與被照物之間，可作紅外截止濾光片，稱