光的干涉應用舉例課件

光的干涉應用舉例簡要回顧干涉條件（充分條件；必要條件）相干和不相干相干光源與不相干光源楊氏雙縫干涉薄膜干涉（等傾干涉、等厚干涉）Lightbeamscaninterferewitheachother:Twopointsources…Differentseparations.Notethedifferentpatterns.Constructivevs.destructiveinterference…Coherentvs.IncoherentLightItotal=I1+I2+…+InEtotal=E1+E2+…+EnCoherentlight:1.It’sstrong.2.It’sdirectional.3.Totalirradiance

N2or0.4.Totalirradianceisthemag-squareofthesumofindividualfieldsmag-squareofthesumofindividualfields.Incoherentlight:1.It’srelativelyweak.2.It’somni-directional.3.TotalirradianceN.4.Totalirradianceisthesumofindividualirradiances.Laser相干光源不相干光源Young’sdouble-slitinterference

測定波長測定折射率等傾干涉等傾干涉是指厚度相等的薄膜所發(fā)生的干涉。同一級條紋對應著同一傾角。ACa1a2C′d0n1n2n1i1i2B干涉相長亮點干涉相消暗點干涉原理等厚干涉等厚干涉是厚度不同的薄膜所發(fā)生的干涉。同一級條紋對應著同一厚度。DL2can1c1n2a2n1CBAC’d0i1i2干涉相長亮紋干涉相消暗紋αddAdj+1djΔdΔlBO對光學表面磨光的檢驗光學部件的精密測量長度微小改變的精密測定增透光薄膜的制備干涉濾光片的制作軸承滾珠的分類和檢驗研究光譜譜線的精細結(jié)構測定物質(zhì)的折射率光的干涉的應用一、等傾干涉及其應用

(一）邁克爾孫干涉儀（實驗）及其應用

（二）法布羅-珀羅干涉儀及其應用（三）全光纖邁克爾孫干涉儀及其應用（四）其它干涉儀及其應用邁克耳孫：美國物理學家。主要從事光學和光譜學方面的研究，以畢生精力從事光速的精密測量。由于他在光學精密測量儀器、光譜學及基本度量學中的卓越貢獻，1907年獲得了美國第一個諾貝爾物理學獎。1.9（2）

工作原理光束1′和2′發(fā)生干涉若

M1′、M2平行

等傾條紋若

M1′、M2有小夾角

等厚條紋十字叉絲

等厚條紋

若

M1平移d時，干涉條移過

N條，則有:2

1

可觀測到l/20的量級（幾十nm）!M1

S

2

1

半透半反膜

M2

M1

G1

G2

E

補償板

！

通?？紤]垂直入射實驗測量折射率邁克爾孫－莫雷實驗2.邁克耳孫干涉儀的應用例：測量折射率

在邁克耳孫干涉儀的兩臂中分別引入100.0mm長的玻璃管A、B，其中一個抽成真空，另一個在充以一個大氣壓空氣的過程中觀察到107.2條條紋移動，所用波長為546.1nm。求空氣的折射率？解：設空氣的折射率為n相鄰條紋或說條紋移動一條時，對應光程差的變化為一個波長，當觀察到107.2條移過時，光程差的改變量滿足：邁克耳孫干涉儀的兩臂中便于插放待測樣品，由條紋的變化測量有關參數(shù)。精度高。

！

1887年邁克耳孫和莫雷（英國化學家）根據(jù)設想：如果存在以太，而且以太又完全不為地球運動所帶動，則地球?qū)τ谝蕴倪\動速度就是地球的絕對速度。利用地球的絕對速度和光速在方向上的不同，應該在所設計的邁克耳孫干涉儀實驗中觀測到某種預期的結(jié)果，從而求得地球相對于以太的絕對速度。

邁克爾孫－莫雷實驗

G

M1

M2

v

光沿GM2的速度和光沿M2G的速度

光從G-M2-G所需時間為

光沿GM2光沿M2GG點發(fā)出的兩束光到達望遠鏡的時間差光程差儀器旋轉(zhuǎn)900，前后兩次光程變化

2d

，干涉條紋移動

測出DN，便可由上式計算出地球相對以太的速度

v.4)實驗結(jié)果：

在不同季節(jié)，不同地理條件下做實驗，都沒有觀察到條紋的移動。實驗表明：相對以太的絕對運動是不存在的，以太不能作為絕對參考系，以太假設不能采用；

地球上沿各個方向的光速都是相等的。邁克耳遜-莫雷實驗一直被認為是狹義相對論的主要實驗支柱.

TheLaserAlaserisamediumthatstoresenergy,surroundedbytwomirrors.Photonsenteringthemediumundergostimulatedemission.Asaresult,theirradianceexitingfromthemediumexceedsthatenteringit.Apartiallyreflectingoutputmirrorletssomelightout.Alaserwilllaseifthebeamincreasesinirradianceduringaroundtrip:thatis,ifI3>I0.Absorption

SpontaneousEmission

Stimulated

EmissionBefore AfterOpticalfibersuseTIRtotransmitlightlongdistances.FiberOptics光學光纖Theyplayanever-increasingroleinourlives!Core:ThinglasscenterofthefiberthatcarriesthelightCladding:SurroundsthecoreandreflectsthelightbackintothecoreBuffercoating:PlasticprotectivecoatingDesignofopticalfibersncore>ncladdingPropagationoflightinanopticalfiberLighttravelsthroughthecorebouncingfromthereflectivewalls.Thewallsabsorbverylittlelightfromthecoreallowingthelightwavetotravellargedistances.Somesignaldegradationoccursduetoimperfectlyconstructedglassusedinthecable.Thebestopticalfibersshowverylittlelightloss--lessthan10%/kmat1,550nm.Maximumlightlossoccursatthepointsofmaximumcurvature.（四）其它類型的干涉儀及其應用馬赫-曾德爾干涉儀及其應用薩格奈克干涉儀及其應用Mach-ZehnderInterferometer

馬赫-曾德爾干涉儀原理圖TheMach-Zehnderinterferometerisusuallyoperated“misaligned”andwithsomethingofinterestinonearm.Beam-splitterInputbeamMirrorMirrorBeam-splitterOutputbeamObjectMach-ZehnderInterferogramNothingineitherpathPlasmainonepathTheSagnacInterferometer

薩格奈克干涉儀原理圖Thetwobeamstakethesamepatharoundtheinterferometerandtheoutputlightcaneitherexitorreturntothesource.Beam-splitterInputbeamMirrorMirrorMirrorBeam-splitterInputbeamMirrorMirrorItturnsoutthatnolightexits!Itallreturnstothesource!WhyallthelightreturnstothesourceinaSagnacinterferometerFortheexitbeam:Clockwisepathhasphaseshiftsofp,p,p,and0.Counterclockwisepathhasphaseshiftsof

0,p,p,and0.Perfect

cancellation!!Forthereturnbeam:Clockwisepathhasphaseshiftsofp,p,p,and0.Counterclockwisepathhasphaseshiftsof0,p,p,andp.Constructiveinterference!Beam-splitterInputbeamMirrorMirrorReflectionoffafront-surfacemirroryieldsaphaseshiftofp(180degrees).ReflectivesurfaceReflectionoffaback-surfacemirroryieldsnophaseshift.ExitbeamReturn

beamSagnac干涉儀的基本結(jié)構發(fā)生干涉的兩個光場在同一段光纖內(nèi)傳輸,是一種自平衡的干涉儀,具有結(jié)構緊湊、穩(wěn)定，制作相對容易，對環(huán)境不敏感等優(yōu)點,它可以靈活地構成各種全光器件

非對稱的實現(xiàn)方法提高非線性

結(jié)構非對稱

高非線性光纖微納光纖

光相位調(diào)制器SOA

光纖長度精密測量兩個方向分別引入的相位

聲光調(diào)制器引入的頻偏

干涉儀的輸出

光纖陀螺相對速度

繞環(huán)一圈的時間差

光程差：

光纖陀螺是基于光纖通信和集成光學發(fā)展而來的一種新型現(xiàn)代陀螺儀，是一種非常重要的角速率傳感器件，常用來測量物體相對于慣性空間的角速度或轉(zhuǎn)動角度的無自轉(zhuǎn)質(zhì)量。光纖陀螺在當今的慣性傳感器領域有著特殊的重要意義，具有壽命長、啟動快、精度高、耗電少、動態(tài)范圍寬等優(yōu)點，國內(nèi)外都將光纖陀螺及其構成的導航系統(tǒng)作為慣性技術領域的主攻方向，在航空航天、武器導航等領域起到了極為關鍵的作用。二、等厚干涉及其應用（一）劈尖及其應用（二）牛頓環(huán)（實驗）及其應用干涉亮條紋：平行于Y方向的平行條紋xy條紋的疏密:等間距的平行條紋劈尖干涉（一）劈尖及其應用1.11檢查光學平面的缺陷

平面上有凹坑。“凹”

向薄處偏！

！

“凸”向厚處偏！

（1）干涉膨脹儀干涉條紋移動

測量長度的微小改變（2）測膜厚、細絲直徑Si空氣

The"Unbalanced"MichelsonInterferometer

cansensitivelymeasurephasevs.position.Phasevariationsofasmallfractionofawavelengthcanbemeasured.PlacinganobjectinonearmofamisalignedMichelsoninterferometerwilldistortthespatialfringes.Beam-splitterInputbeamMirrorMirrorqSpatialfringesdistortedbyasolderingirontipinonepath劈尖干涉測量相移平行光入射,平凸透鏡與平晶間形成空氣劈尖.平晶S

分束鏡

M

顯微鏡0平凸透鏡.

實驗裝置示意圖d可用

r,R表示:

分析

d

或利用:圓周角=弦切角暗環(huán)

（二）牛頓環(huán)（實驗）及其應用（1）牛頓環(huán)中心是暗點。愈往邊緣，條紋級別愈高。

即：外環(huán)

j值大，與等傾干涉條紋相反。

（2）相鄰兩環(huán)的間隔為(r對j求導):內(nèi)疏外密（與等傾干涉條紋

相似）;討論：

或：

增大R，條紋間隔變大;增大

l，條紋間隔變大。反射暗環(huán)（3）復色光入射

彩色圓環(huán)（4）透射光

與反射情況互補（5）動態(tài)反應：連續(xù)增加薄膜的厚度,視場中條紋縮入,反之,冒出。012345…….與等傾干涉條紋情況相反

!“紅包紫”壓環(huán)外擴:要打磨中央部分壓環(huán)內(nèi)縮:要打磨邊緣部分牛頓環(huán)在光學冷加工中的應用每一圈對應

厚度差（因為

n=1）打磨工件三、鍍膜光學元件（一）增透膜與增反膜（二）照相機（一）增透膜和增反膜增透膜-----利用薄膜上、下表面反射光的光程差符合相消干涉條件來減少反射，從而使透射增強。增反膜-----利用薄膜上、下表面反射光的光程差滿足相長干涉，因此反射光因干涉而加強。Anti-reflectionCoating減反膜---增透膜Noticethatthecenteroftheroundglassplatelookslikeit’smissing.It’snot!There’san“anti-reflectioncoating”there(onboththefrontandbackoftheglass).正入射時：例:

空氣

（n1

=1）

玻璃（n2=1.5)

鍍膜光學元件基本原理n0

n2

n1

(1)(2)(3)(4)

第一界面

第二界面

入射光

材

料折射率反射率/（%）透射率/（%）水1.332.098.0玻璃1.524.395.7白寶石1.737.292.8鉆石2.41783石英（紅外）3.53169鍺（紅外）4.03664光從空氣正入射到一些材料時的反射率和折射率n0

n2

n1

(1)(2)(3)(4)

第一界面

第二界面

入射光

薄膜干涉：

r與n0、d無關，故

n0膜層稱為“無影響膜層”.

(2)

l/４膜層

當當反射率增大．反射率降低．垂直入射垂直入射反射光、透射光的相位差與

膜厚、折射率及入射角有關.

(1)l/2膜層a．n0>n2

時，

b．n0＜n2

時，為增透膜

；

結(jié)論：正入射，

時，無論

n0、d為何值

，當

c.

零反射條件為增反膜

；（二）照相機增透膜：增加某波段光的通光量（照相機、望遠鏡、顯微鏡等助視儀器的鏡頭）。增反膜：紫外防護鏡、冷光膜、各種面鏡。干涉濾光片：從復色光中獲得準單色光。四、全息干涉及其應用全息圖的實際應用：1、全息圖像顯示：

照片；圖片；郵票；書籍、雜志的封皮與插頁等。2、包裝、裝潢和防偽：

產(chǎn)品的包裝、標牌和商標；飾品；廣告；裝潢；人民幣；銀行卡；居民身份證等。3、全息計量技術：（兩次曝光法；時間平均法）

面內(nèi)和離面位移的測量；殘余應力的測量；