一種一種新的邁克耳孫干涉儀

一種一種新的邁克耳孫干涉儀

1進展之一:從“偏振-進展”的光學(xué)教學(xué)模式到“偏振-發(fā)展”的光學(xué)教學(xué)使用雙室縫、雙濾等干涉裝置進行光學(xué)測量時，實際情況無法消除兩種限制。1）狹窄縫的寬度不是很大，光強受到限制。2）兩相的光束不能很好地分開，測量對象的大小是有限的。這兩個缺點給許多研究和測量帶來了很大困難。然而，mauron孫子干預(yù)系統(tǒng)僅克服了上述兩個缺點，豐富了其應(yīng)用，形成了良好的條件。這是現(xiàn)代許多干燥劑的原型。本文介紹了國外最新發(fā)展的meg耳孫干預(yù)系統(tǒng)的新變形。這是為了強調(diào)meg耳孫干預(yù)系統(tǒng)的原理。在光學(xué)教育中引入這些設(shè)備不僅有助于加深學(xué)生對一些基本問題的理解，而且有助于拓寬學(xué)生的知識，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力。2偏振分束器polmit偏振邁克耳孫干涉儀(PolarizationMichelsoninterferometer)其實質(zhì)就是采用邁克耳孫干涉儀的結(jié)構(gòu),把入射光束利用偏振分束器(PBS)分為兩束相互垂直的線偏振光,然后讓這兩束光經(jīng)過不同的路徑返回后再通過偏振分束器合成為一束光.由于所分開的這兩束振動方向相互垂直的線偏光所經(jīng)歷的光程不同,則出射光的偏振態(tài)So不再是入射時的偏振態(tài)Si.雖然該裝置采用的是邁克耳孫干涉儀的結(jié)構(gòu),但這里并不是傳統(tǒng)分振幅,而是分偏振.所說的干涉也并非通常意義上的產(chǎn)生干涉條紋的干涉,而是借用了“干涉”一詞.如圖1,只要把邁克耳孫干涉儀的分光板和補償板換成偏振分束器(PBS),并在兩反射鏡前各加一塊1/4波片(或旋光角為45°的旋光器),即將邁克耳孫干涉儀變形為偏振邁克耳孫干涉儀(POLMINT).在圖1中P1為一可調(diào)方位角的起偏鏡,p、s分別表示平行和垂直紙面的方向,M1和M2是光學(xué)各向同性的平面反射鏡,R1和R2是1/4波片,其快軸與紙面成45°夾角.從偏振分束器PBS分出的兩束相互垂直線偏光先通過與其振動方向成45°角的1/4波片變成圓偏光,這一圓偏光被鏡面M反射后變成旋性相反的圓偏光,反射后的圓偏光再次通過波片R,其振動方向同入射波片前相比旋轉(zhuǎn)了90°,從而反射光可以順利通過偏振分束器PBS,則PBS又相當于一理想的光束合成器.若兩臂的光程相等,則最終出射光的偏振態(tài)So同入射光的偏振態(tài)Si相同,只不過振動方向旋轉(zhuǎn)了90°.這個位置即為零光程差的位置,稱為平衡位置.改變可動平面鏡M2的位置,位移為d,出射光的p、s分量的相位差為:δ=4πnd/λ(1)n為折射率(在空氣中n=1.0),λ為真空中的波長.通過改變可動鏡M2的位移d,p、s分量的相位差就會發(fā)生改變,則圖1的裝置就相當于一可變相位延遲器,從而輸出對應(yīng)的各種偏振態(tài),實現(xiàn)對入射光束偏振態(tài)的調(diào)制.由于采用了邁克耳孫干涉儀的結(jié)構(gòu),這種偏振調(diào)制的方式同其它的偏振調(diào)制方式如電光調(diào)制、磁光調(diào)制、光彈調(diào)制等相比,具有p、s光路完全分開,通光面較大等一系列特點,在實際中獲得了廣泛的應(yīng)用.本文擬就偏振邁克耳孫干涉儀在光學(xué)教學(xué)方面的應(yīng)用談?wù)勎覀兊目捶?3偏振-加光法算法的研究在光學(xué)教學(xué)中,通過“光的干涉”這部分有關(guān)邁克耳孫干涉儀的學(xué)習(xí)以及通過有關(guān)邁克耳孫干涉儀的實驗之后,學(xué)生對邁克耳孫干涉儀的原理都已經(jīng)比較熟悉,尤其是對移動可動鏡M2時出射光強有變化——可以看到有條紋吞入和冒出印象比較深刻.在學(xué)到“光的偏振”這一章時,通過有關(guān)偏振光合成的知識,也就可以理解上述偏振邁克耳孫干涉儀的原理.研制出偏振邁克耳孫干涉儀,并在教學(xué)中有意識地加以引入,定會加深同學(xué)對相關(guān)知識的理解,收到良好的教學(xué)效果.3.1偏振坦克爾pbs-平均法研磨法我們知道,要實現(xiàn)光的干涉必須滿足3個必要條件:頻率相同,相位差恒定,光矢量振動方向相同或存在相互平行的振動分量.要實現(xiàn)光的干涉這3個條件缺一不可.對于前兩個相干條件,通過以往的知識很容易被學(xué)生所接受,也容易進行實驗驗證.而對于第三個條件,也即互相垂直的振動的合成沒有干涉效應(yīng)的驗證就可以利用上述的偏振邁克耳孫干涉儀來實現(xiàn).讓一波長為λ的激光光束入射到PBS,被分為振動方向和傳播方向都互相垂直的兩束光,這兩束光被反射再次通過PBS后,盡管它們有相同的頻率,也有固定的相位差,但是移動可動鏡,并不能觀察到光強強弱的變化,也即沒有干涉現(xiàn)象的發(fā)生.通過對比偏振邁克耳孫干涉儀和普通邁克耳孫干涉儀的結(jié)構(gòu),即可得知二者的差別就在于偏振邁克耳孫干涉儀的兩臂的光是振動方向互相垂直的線偏光,從而,驗證了振動方向互相垂直的光沒有干涉效應(yīng).3.2pep1光量的測量既然在偏振邁克耳孫干涉儀中移動可動鏡,出射光的光強沒有強弱的變化.那么出射的光是否就沒有變化?若在出射端放置一檢偏鏡,則會發(fā)現(xiàn)在移動可動鏡M2時,從檢偏鏡出射的光強發(fā)生了變化,從而表明在偏振邁克耳孫干涉儀中移動可動鏡,從PBS出射的光的偏振態(tài)發(fā)生了變化.這就是振動方向互相垂直的線偏光的合成.在光學(xué)教材中,對于垂直振動的線偏光的合成是通過將垂直入射到雙折射晶片的線偏光分解為互相垂直的分量來分析的,比較抽象,也難于理解.而在偏振邁克耳孫干涉儀中,這兩束光的振動方向互相垂直是很明顯的.設(shè)從PBS出射的光矢量為E=Eses+Epep(2)Es、Ep分別為s和p方向的分量:Es=a1cos(ωt?kr+δ1)=a1cos(τ+δ1)Ep=a2cos(ωt?kr+δ2)=a2cos(τ+δ2)(3)Es=a1cos(ωt-kr+δ1)=a1cos(τ+δ1)Ep=a2cos(ωt-kr+δ2)=a2cos(τ+δ2)(3)其中a1、a2為振幅,τ=ωt-kr,δ1、δ2為兩互相垂直振動相位.從式(3)消去τ,得:Esa1=cosτ?cosδ1?sinτ?sinδ1Epa2=cosτ?cosδ2?sinτ?sinδ2Esa1=cosτ?cosδ1-sinτ?sinδ1Epa2=cosτ?cosδ2-sinτ?sinδ2故有∶Esa1sinδ2?Epa2sinδ1=cosτ?sin(δ2?δ1)Esa1cosδ2?Epa2cosδ1=sinτ?sin(δ2?δ1)故有∶Esa1sinδ2-Epa2sinδ1=cosτ?sin(δ2-δ1)Esa1cosδ2-Epa2cosδ1=sinτ?sin(δ2-δ1)將上兩式平方相加得(Esa1)2+(Epa2)2?2Esa1?Epa2cosδ=sin2δ(4)(Esa1)2+(Epa2)2-2Esa1?Epa2cosδ=sin2δ(4)式(4)就表示光矢量端點的軌跡,這是一個橢圓,稱為偏振橢圓,表示了光的偏振態(tài).從式(4)可以看出,當相位差δ發(fā)生變化時,橢圓的形狀也會變化,也即光的偏振態(tài)發(fā)生了變化.特別地當δ=0時,出射的是線偏光;當δ=π/2時,出射的是正橢圓偏振光.從而可以很容易理解移動可動鏡出射光的偏振態(tài)就會發(fā)生變化的原因.從PBS出射的光強I=a2112+a2222(5)可見光強與相位差δ無關(guān),即無論怎樣移動M2,從偏振邁克耳孫干涉儀出射光強都不發(fā)生變化.這就說明偏振邁克耳孫干涉儀分的是偏振而不是振幅,有助于學(xué)生理解偏振光的合成.3.3偏振前相位差可選時補充器的使用在光學(xué)教材中給出的雙折射波片的相位差公式為δ=2πλ(no?ne)d(6)δ=2πλ(no-ne)d(6)其中d為晶片厚度,可見,o光和e光通過晶片后的相位差,除與折射率之差成正比外,還與晶片的厚度成正比,對于一給定的波片,其相位差是恒定的,對偏振態(tài)的變換作用受到一定的限制.而對于偏振邁克耳孫干涉儀,通過移動可動鏡相位差δ就可以為任意值,輸出與式(4)對應(yīng)的偏振態(tài),從而可以作為一相位差可調(diào)的補償器來使用.若轉(zhuǎn)動可調(diào)方位角的起偏鏡P1,則式(4)中的大小就會改變,調(diào)整P1使其與紙面成45°角,則a1=a2,故當δ=π/2時PBS就會輸出圓偏光.若將可調(diào)方位角的起偏鏡P1和可動鏡M2配合調(diào)整,就可以輸出任意的偏振態(tài),從而作為真正的全偏振態(tài)產(chǎn)生器在教學(xué)或科研中使用.式(6)又可以寫為δ=2πλΔn?d(