物理光学与应用光学——第2章-优秀PPT.ppt

2.4.1 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪SLDG1CEM 2M1M2G2PIII 相对于半反射面相对于半反射面A，作出平面反射镜，作出平面反射镜M2的虚像的虚像M2。于是可以认为视察系统于是可以认为视察系统 L 所视察到的干涉图样，是由实反所视察到的干涉图样，是由实反射面射面M1和虚反射面和虚反射面M2 构成的虚平板产生的，虚平板的构成的虚平板产生的，虚平板的厚度和楔角可通过调整厚度和楔角可通过调整M1和和M2反射镜限制。反射镜限制。因此，迈克尔逊干涉仪可以产生厚的或者薄的平行因此，迈克尔逊干涉仪可以产生厚的或者薄的平行平板平板(M1和和M2 平行平行)和楔形平板和楔形平板(M1和和M2 有一小的夹角有一小的夹角)的干涉现象。的干涉现象。扩展光源可以是单色性很好的激光，也可以扩展光源可以是单色性很好的激光，也可以是单色性很差的是单色性很差的(白光白光)光源光源。2.4.1 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪 调调整整M2，使使M2与与M1平平行行，视视察察到到的的干干涉涉图图样样是是一组在无穷远处一组在无穷远处(或在或在L的焦平面上的焦平面上)的等倾干涉圆环。的等倾干涉圆环。当当M1向向M2移移动动时时(虚虚平平板板厚厚度度减减小小)，圆圆环环条条纹纹向向中心收缩，并在中心一一消逝。中心收缩，并在中心一一消逝。M1每移动每移动 的距离，在中心就消逝一个条纹。的距离，在中心就消逝一个条纹。2.4.1 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪 依依据据条条纹纹消消逝逝的的数数目目，可可确确定定M1移移动动的的距距离离。依依据据(2-26)式式，此此时时条条纹纹变变粗粗(因因为为h变变小小，eN变变大大)，同同一一视视场场中的条中的条纹纹数数变变少。少。M1与与M2完完全全重重合合时时，各各个个方方向向入入射射光光的的光光程程差差均均相相等等，所所以以视视场场匀匀整整。M1渐渐渐渐离离开开M2时时，条条纹纹不不断断从从中心冒出，且随虚平板厚度的增大，条纹越来越细越密。中心冒出，且随虚平板厚度的增大，条纹越来越细越密。2.4.1 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪 假假如如调调整整M2，使使M2与与M1相相互互倾倾斜斜一一个个很很小小的的角角度度，且且当当M2与与M1比比较较接接近近，视视察察面面积积很很小小时时，所所视视察察到到的的干干涉涉图图样样近近似似是是定定域域在在楔楔表表面面上上或或楔楔表表面面旁旁边边的的一一组组平平行行于于楔楔边边的的等等厚厚条条纹纹。在在扩扩展展光光源源照照明明下下，假假如如M1与与M2的的距距离离增增加加，则则条条纹纹将将发发生生弯弯曲曲，弯弯曲曲的的方方向向是是凸凸向向楔楔棱棱一一边边，同，同时时条条纹纹可可见见度下降。度下降。干涉条纹弯曲的缘由如下：干涉条纹弯曲的缘由如下：如前所述，干涉条纹应当是等光程差线如前所述，干涉条纹应当是等光程差线,当入射光不是平行当入射光不是平行光时，对于倾角较大的光束，若要与倾角较小的入射光束等光时，对于倾角较大的光束，若要与倾角较小的入射光束等光程差，其平板厚度应增大光程差，其平板厚度应增大(这可由这可由 看出看出)。2.4.1 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪 由图2-33可见，靠近楔板边缘的点对应的入射角较大，因此，干涉条纹越靠近边缘，越偏离到厚度更大的地方，即弯曲方向是凸向楔棱一边。在楔板很薄的状况下，光束入射角引起的光程差变更不明显，干涉条纹仍可视作一些直线条纹。对于楔形板的条纹，与平行平板条纹一样，M1每移动一个/2 距离，条纹就相应地移动一个。补偿板补偿板G2的作用：消退两束光的作用：消退两束光和和的不对称性。的不对称性。对于单色光照明，这种补偿并非必要；对于单色光照明，这种补偿并非必要；视察白光条纹时，补偿板不行缺少。视察白光条纹时，补偿板不行缺少。2.4.1 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪激光比长仪示意简图激光比长仪示意简图 M1M2干涉仪干涉仪可移动平台可移动平台光电显微镜光电显微镜记录仪记录仪光电计数器光电计数器激光器激光器待测物体待测物体1.激光比激光比长仪长仪应应用用举举例例2.4.1 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪光纤迈克尔逊测长干涉仪原理图光纤迈克尔逊测长干涉仪原理图 M1DLPM22.光光纤迈纤迈克克尔尔逊逊干涉干涉仪仪应应用用举举例例2.4.1 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪马赫马赫-泽德干涉仪泽德干涉仪2.4.2 马赫马赫-泽德干涉仪泽德干涉仪SPW1A2G2A1G1L2M1M2L1W 1W2NP 例例如如，为为了了探探讨讨尺尺寸寸较较大大的的风风洞洞中中任任一一平平面面旁旁边边的的空空气气涡涡流流，将将风风洞洞置置于于M2和和G2之之间间，并并在在M1和和G1之之间间的的另另一一支支光光路路上上放放置置补补偿偿，调调整整M2和和G2，使使定定域域面面在在风风洞洞中中选选定定的的平平面面上上，由由透透镜镜L2和和照照相相机机拍拍摄摄下下这这个个平平面面上上的的干干涉涉图图样样。只只要要比比较较有有气气流流和和无无气气流流时时的的条条纹纹图图样样，就就可可确确定定出气流所引起空气密度的变更状况。出气流所引起空气密度的变更状况。2.4.2 马赫马赫-泽德干涉仪泽德干涉仪马赫马赫-泽德光纤干涉仪的定域温度传感器泽德光纤干涉仪的定域温度传感器 激光器激光器扩束器扩束器分束器分束器显微物镜显微物镜单模光纤单模光纤温度温度干涉干涉应应用用举举例例2.4.2 马赫马赫泽德干涉仪泽德干涉仪1.法布里法布里珀罗干涉仪的结构珀罗干涉仪的结构hG2G1L1SPL2 为为了了得得到到尖尖锐锐的的条条纹纹，两两镀镀膜膜面面应应精精确确保保持持平平行行，平平行行度度一一般般要要达达到到(1/201/100)。每每块块玻玻璃璃板板两两表表面面通通常常制成一个小楔角制成一个小楔角(1 10)，以避开无镀膜表面的反射光干扰。，以避开无镀膜表面的反射光干扰。2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪两板之间的距离可以调整两板之间的距离可以调整法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪两板间的距离固定不变（两板间放殷钢制成的空心两板间的距离固定不变（两板间放殷钢制成的空心圆柱形间隔器）圆柱形间隔器）法布里法布里-珀罗标准具珀罗标准具1.法布里法布里珀珀罗罗干涉干涉仪仪的的结结构构hG2G1L1SPL22.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪(a)迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪 (b)F-P干涉仪干涉仪两种干涉仪中干涉条纹的比较两种干涉仪中干涉条纹的比较2.法布里法布里珀珀罗罗干涉干涉仪仪的光的光强强两种条两种条纹纹的角半径和角的角半径和角间间距距计计算公式相同。算公式相同。2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪 条条纹纹干干涉涉级级确确定定于于空空气气平平板板的的厚厚度度h，通通常常法法布布里里-珀珀罗罗干干涉涉仪仪的的运运用用范范围围是是1200 mm，在在一一些些特特殊殊装装置置中，中，h可大到可大到 1m。以以h=5mm计计算算，中中心心条条纹纹的的干干涉涉级级约约为为20000，因而这种仪器只适用于单色性很好的光源。因而这种仪器只适用于单色性很好的光源。2.法布里法布里珀珀罗罗干涉干涉仪仪的光的光强强2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪 当当干干涉涉仪仪两两板板内内表表面面镀镀金金属属膜膜时时，由由于于金金属属膜膜对对光光产产生生猛猛烈烈吸吸取取，使使得得整整个个干干涉涉图图样样的的强强度度降降低低。假假设设金金属属膜膜的的吸吸取取率率为为A A，则依据能量守恒关系有：，则依据能量守恒关系有：R+T+A=1 R+T+A=12.法布里法布里珀珀罗罗干涉干涉仪仪的光的光强强2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪 当干涉仪两板的膜层相同时，由爱里公式可以得到膜当干涉仪两板的膜层相同时，由爱里公式可以得到膜层存在吸取时的透射光干涉强度：层存在吸取时的透射光干涉强度：光光在在金金属属内内表表面面反反射射时时的的相相位位变变更更，R金金属属膜膜内内表表面面反反射射率率。可可见见，由由于于金金属属膜膜的的吸吸取取，干干涉涉图图样样强强度度降降低低了了1 A/(1 R)2 倍倍，严严峻峻时时，峰峰值值强强度度只只有有入入射射光强的几特别之一。光强的几特别之一。2.法布里法布里珀珀罗罗干涉干涉仪仪的光的光强强2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪 法布里法布里-珀罗标准具能够产生特别细而亮的等倾干珀罗标准具能够产生特别细而亮的等倾干涉条纹，其重要应用之一是探讨光谱线的精细结构，即涉条纹，其重要应用之一是探讨光谱线的精细结构，即将一束光中不同波长的光谱线分开。将一束光中不同波长的光谱线分开。2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应应用用举举例例1.探探讨讨光光谱线谱线的超精的超精细结细结构构 分光元件的三个技分光元件的三个技术术指指标标：自由光自由光谱谱范范围围 辨辨别别本事本事 角色散角色散F-PF-P标准具的两套干涉圆环标准具的两套干涉圆环 2 1干涉级干涉级 mm+1m+22.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应应用用举举例例(1)自由光谱范围自由光谱范围标准具常数标准具常数 当波当波长为长为 1和和 2(2 1)的的光入射至光入射至标标准具，由于两种波准具，由于两种波长长的同的同级级条条纹纹角半径不同，因角半径不同，因而将得到两而将得到两组组干涉干涉圆环圆环。允允许许的的最最大大分分光光波波长长差差，称称为为自由光自由光谱谱范范围围()f。1.探探讨讨光光谱线谱线的超精的超精细结细结构构 对对于于靠靠近近条条纹纹中中心心的的某某一一点点(0)处处,2的的第第m级级条纹与条纹与 1的第的第m+1级条纹发生重叠时，其光程差相等。级条纹发生重叠时，其光程差相等。因此因此2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应应用用举举例例(1)自由光谱范围自由光谱范围标准具常数标准具常数例例如如：对对于于h=5mm的的标标准准具具，入入射射光光波波长长 =0.5461 m，n=1 时时，()f=0.310-4 m1.探探讨讨光光谱线谱线的超精的超精细结细结构构分光仪器所能辨别开的最小波长差分光仪器所能辨别开的最小波长差()m称为辨别极限。称为辨别极限。辨别本事辨别本事2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应应用用举举例例(2)辨别本事辨别本事1.探探讨讨光光谱线谱线的超精的超精细结细结构构瑞利判据瑞利判据两个等强度波两个等强度波长的亮条纹只有当它们的合长的亮条纹只有当它们的合强度曲线中心微小值低于两强度曲线中心微小值低于两边极大值的边极大值的81%81%时，才算被时，才算被分开分开 。2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应应用用举举例例(2)辨别本事辨别本事两个波长的亮条纹刚好两个波长的亮条纹刚好被辨别开时的强度分布被辨别开时的强度分布 I00.81IMIM GF1.探探讨讨光光谱线谱线的超精的超精细结细结构构 假如不考虑标准具的吸取损耗，假如不考虑标准具的吸取损耗，1和和2的透射光合强度为的透射光合强度为:1和和 2是在干涉场上同一点的两波长条纹所对应的相位差。是在干涉场上同一点的两波长条纹所对应的相位差。2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应应用用举举例例(2)辨别本事辨别本事1.探探讨讨光光谱线谱线的超精的超精细结细结构构因此微小值强度因此微小值强度:在合强度极大值处，在合强度极大值处，1=2m，2=2m ，2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应应用用举举例例设设I1i=I2i=Ii，12=，则在合强度微小值处，则在合强度微小值处 1=2m /2,2=2m /2(2)辨别本事辨别本事因此极大值强度因此极大值强度:1.探探讨讨光光谱线谱线的超精的超精细结细结构构依据瑞利判据，两个波长条纹恰能辨别的条件是依据瑞利判据，两个波长条纹恰能辨别的条件是:因此有因此有:(2)辨别本事辨别本事2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应应用用举举例例由于由于 很小，很小，sin/2 /2，则则 N 条纹的精细度。条纹的精细度。1.探探讨讨光光谱线谱线的超精的超精细结细结构构 由于此时两波长刚被辨别开，由于此时两波长刚被辨别开，=，所以标准具，所以标准具的辨别本事为：的辨别本事为：2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应应用用举举例例(2)辨别本事辨别本事由由 ，略去，略去 的影响，有的影响，有:1.探探讨讨光光谱线谱线的超精的超精细结细结构构 辨辨别别本本事事与与条条纹纹干干涉涉级级数数和和精精细细度度成成正正比比。由由于于法法布里布里-珀罗标准具的珀罗标准具的 m很大，所以辨别本事极高。很大，所以辨别本事极高。例例如如：h=5mm,N30(R0.9)，=0.5 m，则则在在接接近近正入射时，标准具的辨别本事正入射时，标准具的辨别本事：2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应应用用举举例例(2)辨别本事辨别本事 这这相相当当于于在在=0.5m上上，标标准准具具能能辨辨别别的的最最小小波波长长差差为为0.008 310-4m，这这样样高高的的辨辨别别本本事事是是一一般般光光谱谱仪仪所达不到的。所达不到的。1.探探讨讨光光谱线谱线的超精的超精细结细结构构 应应当当指指出出，上上面面的的探探讨讨是是把把 1 和和 2 的的谱谱线线视视为为单单色色谱谱线线，由由于于任任何何实实际际谱谱线线的的本本身身都都有有确确定定的的宽宽度度，所所以标准具的实际辨别本事达不到这样高。以标准具的实际辨别本事达不到这样高。有时把有时把 0.97N 称为标准具的有效光束数称为标准具的有效光束数N。于是：。于是：2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应应用用举举例例(2)辨别本事辨别本事1.探探讨讨光光谱线谱线的超精的超精细结细结构构 角色散定义为单位波长间隔的光，经分光仪所分开角色散定义为单位波长间隔的光，经分光仪所分开的角度，用的角度，用d /d 表示。表示。d /d 愈大，不同波长的光经分光仪分得愈开。愈大，不同波长的光经分光仪分得愈开。2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应应用用举举例例(3)角色散角色散1.探探讨讨光光谱线谱线的超精的超精细结细结构构 可见角度可见角度 愈小，仪器的角色散愈大。因此，愈小，仪器的角色散愈大。因此，F-P 干干涉仪的干涉环中心处光谱最纯。涉仪的干涉环中心处光谱最纯。2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应应用用举举例例(3)角色散角色散 由由F-P干涉干涉仪仪透射光极大透射光极大值值条件条件：或或不计平行板材料的色散，两边进行微分得：不计平行板材料的色散，两边进行微分得：1.探探讨讨光光谱线谱线的超精的超精细结细结构构 性能指标性能指标 中心波中心波长长 0 透光率最大透光率最大(TM)时时的波的波长长；透射透射带带的波的波长长半半宽宽度度透透过过率率为为最大最大值值一半一半处处的波的波 长长范范围围 1/2 ；峰峰值值透透过过率率TM 2）滤光片的作用）滤光片的作用只让某一波段范围的光通过。只让某一波段范围的光通过。吸收吸收滤滤光片光片利用物利用物质对质对光波的光波的选择选择性吸收性吸收进进行行滤滤光。光。干涉干涉滤滤光片光片利用多光束干涉原理利用多光束干涉原理实现滤实现滤光。光。滤光片的分类滤光片的分类2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应应用用举举例例1、法布里、法布里-珀罗型干涉滤光片珀罗型干涉滤光片全介质干涉滤光片全介质干涉滤光片金属反射膜干涉滤光片金属反射膜干涉滤光片 2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应应用用举举例例正入射时，透射光产生极大的条件为正入射时，透射光产生极大的条件为 滤光片的中心波长滤光片的中心波长 2nh=m m=1,2,3,滤光片的中心波长滤光片的中心波长 相邻干涉级相邻干涉级(m=1)的中心波长差的中心波长差 =2m m=1,2,3,1、法布里、法布里-珀罗型干涉滤光片珀罗型干涉滤光片2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应应用用举举例例m、R 愈大，愈大，1/2愈小，干涉滤光片的输出单色性愈好。愈小，干涉滤光片的输出单色性愈好。透射透射带带的波的波长长半半宽宽度度 或或1、法布里、法布里-珀罗型干涉滤光片珀罗型干涉滤光片2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应应用用举举例例 对应于透射率最大的中心对应于透射率最大的中心 波长的透射光强与入射光强之比波长的透射光强与入射光强之比考虑膜层的吸取损耗，透射光干涉图样强度考虑膜层的吸取损耗，透射光干涉图样强度 峰值透射率峰值透射率 TM(2.4-3)得得1、法布里、法布里-珀罗型干涉滤光片珀罗型干涉滤光片2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应应用用举举例例一种典型的多层介质膜干涉滤光片透射率曲线一种典型的多层介质膜干涉滤光片透射率曲线 1、法布里、法布里-珀罗型干涉滤光片珀罗型干涉滤光片2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应应用用举举例例几种干涉滤光片的特性几种干涉滤光片的特性 1、法布里、法布里-珀罗型干涉滤光片珀罗型干涉滤光片2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应应用用举举例例膜厚变化对截止带的影响膜厚变化对截止带的影响 2、红外滤光片、红外滤光片 依依据据多多层层高高反反射射膜膜的的反反射射率率光光谱谱特特性性，膜膜厚厚的的变变更更将变更截止带的位置。将变更截止带的位置。假假如如 nh=0.22 m，则则反反射射红外线而透过可见光。红外线而透过可见光。假假如如 nh=0.13 m，膜膜系系反反射可见光而透过红外光。射可见光而透过红外光。2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应应用用举举例例 在在玻玻璃璃上上镀镀高高折折射射率率薄薄膜膜，可可以以增增大大反反射射率率，当当光光束束斜斜入入射射时时，其其反反射射率率的的大大小小因因 p 重重量量和和 s 重重量量而而异异，并并且且在在某某个个入入射射角角上上，反反射射光光中中的的p重重量量可可以以变变为为零零。所所以以，与与只只有有玻玻璃璃板板的的状状况况相相像像，这这种高反膜也可以起到偏振元件的作用，种高反膜也可以起到偏振元件的作用，3、偏振滤光片、偏振滤光片2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应应用用举举例例 利用物质对光波的选择性吸取进行滤光。例如：红、利用物质对光波的选择性吸取进行滤光。例如：红、绿玻璃以及各种有色液体等。绿玻璃以及各种有色液体等。假如光的假如光的 吸取较大，且吸取系数随波长有显著变更，吸取较大，且吸取系数随波长有显著变更，称为选择性吸取。称为选择性吸取。如对红光和橙光吸取少，而对绿光、蓝光和紫光几乎如对红光和橙光吸取少，而对绿光、蓝光和紫光几乎全部吸取。全部吸取。4、吸取滤光片、吸取滤光片2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应应用用举举例例2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应应用用举举例例(1)构成激光谐振腔构成激光谐振腔3.用作激光器的用作激光器的谐谐振腔振腔激光器及其纵模激光器及其纵模 激光器输出的纵模频率事实上是满足法激光器输出的纵模频率事实上是满足法布里布里-泊罗干涉仪干涉亮条纹条件的一系列泊罗干涉仪干涉亮条纹条件的一系列频率。在正入射状况下满足：频率。在正入射状况下满足：2nL=m m=1,2,3 n 和和 L分别是腔内介质折射率和腔长分别是腔内介质折射率和腔长，m为为干涉级。干涉级。2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应应用用举举例例(2)纵模频率纵模频率2.用作激光器的用作激光器的谐谐振腔振腔由此可得由此可得纵纵模模频频率率：相相应应的波的波长长：相应的纵模间隔：只与谐振腔的长度和激光工作物质的折射率有关。由此可见，在激光谐振腔中，满足纵模条件并且在阈值以上能够起振的各个纵模，其频率间隔相等；同理可证，它们的波长间隔也相等。2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应应用用举举例例(3)纵模间隔纵模间隔2.用作激光器的用作激光器的谐谐振腔振腔 由多光束干涉条纹锐度，干涉条纹的相位差半宽度为：而当光波包含有很多波长时，与相位差半宽度相应的波长差为：2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应应用用举举例例(4)单模线宽单模线宽2.用作激光器的用作激光器的谐谐振腔振腔 假如以频率表示，则相应的谱线宽度可表为：假如以频率表示，则相应的谱线宽度可表为：可见可见:谐振腔的反射率越高或腔长越长，谱线宽度越小。谐振腔的反射率越高或腔长越长，谱线宽度越小。例如，以例如，以He-Ne激光器为例，假如激光器为例，假如L=1 m并且并且R=98%，则可算出则可算出1/2=1MHz。事实上，由于激光工作物质对激光输出的单色性影响很事实上，由于激光工作物质对激光输出的单色性影响很大，就使得激光谱线宽度远小于该计算值。大，就使得激光谱线宽度远小于该计算值。2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪应应用用举举例例(4)单模线宽单模线宽2.用作激光器的用作激光器的谐谐振腔振腔作作 业业27，28，29，31