光學干涉在科技工業(yè)中的應(yīng)用

光學干涉在科技工業(yè)中的應(yīng)用第一頁，共十五頁，2022年，8月28日光的干涉是光的波動性的表現(xiàn)。兩束相干光波在空間相遇時形成干涉條紋，獲得光干涉的裝置有分振幅法和分波陣面法二種，典型的分振幅法干涉裝置是牛頓環(huán)和劈尖裝置。它們產(chǎn)生的干涉條紋亮度大。目前廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)中，如測量光波波長，曲率半徑，檢測光學表面質(zhì)量等。

圖11-1等厚干涉的形成

等厚干涉

如圖11-1所示，玻璃板A和玻璃板B二者疊放起來，中間加有一層空氣（即形成了空氣劈尖）。設(shè)光線1垂直入射到厚度為d的空氣薄膜上。入射光線在A板下表面和B板上表面分別產(chǎn)生反射光線2和2′，二者在A板上方相遇，由于兩束光線都是由光線1分出來的（分振幅法），故頻率相同、相位差恒定（與該處空氣厚度d有關(guān)）、振動方向相同，因而會產(chǎn)生干涉。

第二頁，共十五頁，2022年，8月28日根據(jù)干涉條件，當光程差為波長的整數(shù)倍時相互加強，出現(xiàn)亮紋；為半波長的奇數(shù)倍時互相減弱，出現(xiàn)暗紋。因此有：光程差取決于產(chǎn)生反射光的薄膜厚度。同一條干涉條紋所對應(yīng)的空氣厚度相同，故稱為等厚干涉。我們現(xiàn)在考慮光線2和2′的光程差與空氣薄膜厚度的關(guān)系。顯然光線2′比光線2多傳播了一段距離2d。此外，由于反射光線2′是由光密媒質(zhì)（玻璃）向光疏媒質(zhì)（空氣）反射，會產(chǎn)生半波損失。故總的光程差還應(yīng)加上半個波長，即。第三頁，共十五頁，2022年，8月28日根據(jù)光的干涉原理可導出第K級暗環(huán)半徑rk與R的關(guān)系式：rk2=KRλ透鏡由于自重使球面與平面接觸點變成面，給測量值帶來誤差，為減少這種誤差可采用第m與第n級暗環(huán)半徑平方之差，又因圓心不易確定，故用直徑替換半徑，得

若已知λ，測出第m環(huán)和第n環(huán)的直徑Dm、Dn，便可算出R。一、測量凸透鏡的曲率半徑R(牛頓環(huán))第四頁，共十五頁，2022年，8月28日二、測量微小厚度(劈尖干涉)

在劈尖架上兩個光學平玻璃板中間的一端插入一薄片（或細絲），則在兩玻璃板間形成一空氣劈尖。當一束平行單色光垂直照射時，則被劈尖薄膜上下兩表面反射的兩束光進行相干疊加，形成干涉條紋。其光程差為：（d為空氣隙的厚度）產(chǎn)生的干涉條紋是一簇與兩玻璃板交接線平行且間隔相等的平行條紋，如圖11-3所示。同樣根據(jù)牛頓環(huán)的明暗紋條件有：圖11-3劈尖干涉測厚度示意圖第五頁，共十五頁，2022年，8月28日m=1,2,3……時，為干涉暗紋。m=1，2，3…時，為干涉明紋。顯然，同一明紋或同一暗紋都對應(yīng)相同厚度的空氣層，因而是等厚干涉。同樣易得，兩相鄰明條紋（或暗條紋）對應(yīng)空氣層厚度差都等于；則第級暗條紋對應(yīng)的空氣層厚度為：，假若夾薄片后劈尖正好呈現(xiàn)N級暗紋，則薄層厚度為：用a表示劈尖形空氣隙的夾角、s表示相鄰兩暗紋間的距離、L表示劈間的長度，則有則薄片厚度為：由上式可見，如果求出空氣劈尖上總的暗條紋數(shù)，或測出劈尖的L和相鄰暗紋間的距離s，都可以由已知光源的波長測定薄片厚度（或細絲直徑）D。第六頁，共十五頁，2022年，8月28日干涉與衍射膜防偽油墨我可是真家伙！第七頁，共十五頁，2022年，8月28日

百元大鈔票面正面左下角“100”字樣，與票面垂直角度觀察為綠色，傾斜一定角度則變?yōu)樗{色，其中用到的就是干涉與衍射防偽油墨。干涉型光變油墨是現(xiàn)代防偽油墨中最復雜的一種，也是現(xiàn)今流行的高科技防偽產(chǎn)品。干涉變色油墨的顏料由光學干涉薄膜構(gòu)成，光學薄膜是按膜系結(jié)構(gòu)的要求，在高真空的條件下把不同折射率的材料依次交替積淀在同一載體上形成，并以分子或原子的形式蒸發(fā)到載體上。第八頁，共十五頁，2022年，8月28日干涉型變色油墨的變色原理

第一，當白光照射在油墨膜層表面時，油墨表面和內(nèi)部選擇性地吸收其中某些波長的可見光波使反射光呈現(xiàn)顏色第二，光線照射到油墨表面后其中一部分被表面反射回去，另一部分光透過油墨層，經(jīng)墨膜第二界面反射再透過油墨第一表面返回入射空間，這兩束反射光和透射光都來自同一光波，它們滿足干涉條件，能產(chǎn)生干涉而呈色，干涉型油墨的呈色就是根據(jù)第二點原理設(shè)計出來的。

由光的干涉原理知道，當光束1和光束2的光程差△為光波波長λ的整數(shù)倍,即2λ＝△時，光波在油墨表面產(chǎn)生相長干涉。此外，由于固著在印刷品上的墨膜厚度h及折射率、空氣與連結(jié)料或承印材料的折射率及半波損失是不變的，所以隨著觀察角度的改變，光束1與2間的光程差△也發(fā)生改變。為了滿足2λ＝△,產(chǎn)生相長干涉的光束波長也發(fā)生相應(yīng)改變，從而產(chǎn)生顏色改變。這就是光變油墨的變色原理。第九頁，共十五頁，2022年，8月28日80年代初，法國全息攝影展在世界各地展覽，人們欣賞到了神奇莫測的全息攝影。墻頭上，看來明明伸出了一只水龍頭，舉手前去擰一下，結(jié)果是抓了個空；一只鏡框，里面沒有什么圖像，可是當一束光射過來，框里就出現(xiàn)一位美麗的姑娘，她緩慢地摘下眼鏡，正向人微笑致意；一只玻璃罩，里面空無一物，可是，在光的照射下，罩里馬上現(xiàn)出維納斯像；在鏡框上，玻璃罩內(nèi)，圖像還在不斷地變換。

解密全息照相第十頁，共十五頁，2022年，8月28日一般情況下，當兩束相干光的位相相同時，合成光源的振動（相應(yīng)的光強）就增強，反之，光波的振動就減弱。而光的位相是隨位置變化的，因此，光波的振動增強和減弱也隨位置而變化。這樣，在兩束光的交疊處就產(chǎn)生強弱相間的干涉條紋。條紋的分布情況反映了合成光波的位相在不同位置的變化情況。因此，利用兩束光的干涉所產(chǎn)生的干涉條紋可以有效地把位相的變化情況記錄下來，全息攝影就是利用光的干涉把景物散射光波以干涉條紋的形式，即把光波的振幅和位相記錄在感光材料上，也就是說，把物體的全部信息都記錄下來，因而具有獲得立體圖像的許多優(yōu)點。全息照相分為兩步。第一步利用干涉法拍攝全息圖（全息照片），如圖1（a）所示。從激光器發(fā)出的相干光束，被分束鏡分成兩束光，一束光照明到被攝物體，從物體上反射或散射的物光射到感光膠片上。另一部分光束投射到反射鏡，被反射的光波直接照射到感光膠片上，這束光稱為參考光。物光與參考光在膠片上迭加干涉，產(chǎn)生的干涉圖樣即記錄了物體振幅和位相的全部信息。這張具有干涉圖樣的膠片經(jīng)過適當曝光與沖洗處理后，就是一張全息圖（全息照片）。這一拍攝過程就是一個記錄或儲存信息（或波前）的過程。第十一頁，共十五頁，2022年，8月28日這是一個物光波前再現(xiàn)亦即成像的過程。不過，如果再現(xiàn)光束和原來的參考光束同向，得到的物像是虛像。如果用原相干光反向照射全息圖，則得到的物像是實像。如果不用激光而用白光去照射，由于白光是由多種波長的光混合而成的，全息照片上的干涉條紋，就要同時對各種波長的光發(fā)生衍射。因而，全息照片上會出現(xiàn)很多重疊錯位的像，使人無法看清楚。當然，如果我們在全息圖的拍攝過程中采用諸如彩虹全息和反射式傅立葉變換全息等記錄技術(shù)，則可以獲得白光照明再現(xiàn)原物像的白光全息。第二步是利用衍射原理進行物體的再現(xiàn)（重現(xiàn)）。由于全息照片記錄的是兩相干光相互干涉的結(jié)果，因此，與原來的被攝物體毫無相似之處。然而，當把全息圖放回原處，用相干參考光（此時稱為再現(xiàn)光束）照明全息圖時，如圖1（b）所示，這張具有干涉圖樣的全息圖宛如一塊復雜的光柵將發(fā)生衍射，在這些衍射光波中包含著原來的物光波，觀察者迎著再現(xiàn)光波方向即可觀察到一個逼真的、立體感很強的物體再現(xiàn)像。第十二頁，共十五頁，2022年，8月28日干涉技術(shù)在天體測量中的運用天體測量學是天文學中最先發(fā)展起來的分支學科.主要任務(wù)是研究和測定天體的位置和運動、參考系的定義和實現(xiàn)、參考架的建立和維持，以及在其他學科中的應(yīng)用.20世紀末由于新技術(shù)、新儀器的使用、新參考架的引入和廣義相對論的應(yīng)用，天體測量已進入全新的展階段:檢測器CCD代替了傳統(tǒng)的照相底片，光干涉方法取代了經(jīng)典的子午觀測技術(shù)，依巴谷衛(wèi)星的發(fā)射成功顯示了空間天體測量時代的開始，射電干涉測量實現(xiàn)的河外射電參考架取代了使用近百年的光學參考架，在相對論框架下進行資料歸算可以使天體測量的精度達到微角秒量級川.第十三頁，共十五頁，2022年，8月28日干涉技術(shù)在地面天體測量中的應(yīng)用

目前正在實施射電和光學波段的地面干涉儀和研究計劃。由于望遠鏡口徑、大氣的湍動和光學衍射的影響，天文望遠鏡的角分辨率受到限制，因此既不可能利用傳統(tǒng)的光學技術(shù)直接測定恒星的角直徑(小于0.05“)，更不能用來研究恒星表面的細節(jié)(如亮度分布等).1868年法國Fizean最早提出了用光千涉的方法測定恒星直徑的想法?；贔izean的思路，1881年美國Michelson用Lick天文臺30cm折射望遠鏡成功地測定了木星的4個伽利略衛(wèi)星的直徑.1920年人們又設(shè)計了新型結(jié)構(gòu)的干涉儀，即Michelson恒星干涉儀.以后又發(fā)展了單口徑大望遠鏡的干涉技術(shù)(如斑點干涉儀2])，使光干涉技術(shù)有了進一步的發(fā)展.隨著科學技術(shù)的發(fā)展，1967年長基線干涉技術(shù)首先在射電波段獲得成功.現(xiàn)在采用的和AGN的視超光速現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)就是利用該技術(shù)取得的重大成果.射電和光學波段的長基線干涉儀大部分采用了Michelson干涉原理，由于見光的波長比射電的波長短得多，大氣的高頻擾動和儀器本身的穩(wěn)定性對光程差的影響很大，至20世紀70年代末長基線光干涉在技術(shù)上才有所突破，80年代有了較大的進展.1974年法國Labeyrie首次用2個口徑為26cm的望遠鏡安放在12m的南北基線上得到了織女星的干涉條紋.長基線光干涉儀可以在干涉和綜合孔徑兩個模式下工作，前者從大視場和小視場的定位觀測可以得到有關(guān)恒星的直徑、雙星的間距和方位角、天體的位置等數(shù)據(jù);后者為成像觀測，可以