物理光学与应用光学-第2章.ppt
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1、2.4 典型典型干涉干涉仪仪2.4.1 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪2.4.2 马赫马赫-泽德干涉仪泽德干涉仪2.4.3 法布里法布里-珀罗干涉仪珀罗干涉仪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。于是可以认为观察系统于是可以认为观察系统 L 所观察到的干涉图样,是由实反所观察到的干涉图样,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,虚平板的厚构成的虚平板产生的,虚平板的厚度和楔角可通过调节度和楔角可通过调节M1和和M2反射镜控制。反射镜控制。因此,
2、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 调调节节M2,使使M2与与M1平平行行,观观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)的的等倾干涉圆环。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)
3、,圆圆环环条条纹纹向向中心收缩中心收缩,并在中心一一消失。,并在中心一一消失。M1每移动每移动 的距离,在中心就消失一个条纹。的距离,在中心就消失一个条纹。2.4.1 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪 根根据据条条纹纹消消失失的的数数目目,可可确确定定M1移移动动的的距距离离。根根据据(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,所所以以视视场场均均匀匀。M1逐逐渐渐离离开开M2时时,条条纹纹不不断断从从中中心冒出,且随虚平板
4、厚度的增大,条纹越来越细越密。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 如如果果调调节节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,观观察察面面积积很很小小时时,所所观观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附附近近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,如如果果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
5、纹纹可可见见度下降。度下降。干涉条纹弯曲的原因如下:干涉条纹弯曲的原因如下: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 由由图图2-33可可见见,靠靠近近楔楔板板边边缘缘的的点点对对应应的的入入射射角角较较大大,因因此此,干干涉涉条条纹纹越越靠靠近近边边缘缘,越越偏偏离离到到厚厚度度更更大大的的地地方方,即即弯弯曲曲方
6、方向向是是凸凸向向楔楔棱棱一一边边。在在楔楔板板很很薄薄的的情情况况下下,光光束束入入射射角角引引起起的的光光程程差差变变化化不不明明显显,干干涉涉条条纹纹仍仍可可视视作作一一些些直直线线条条纹纹。对对于于楔楔形形板板的的条条纹纹,与与平平行行平平板板条条纹纹一一样样,M1每移每移动动一个一个 /2 距离,条距离,条纹纹就相就相应应地移地移动动一个。一个。补偿板补偿板G2的作用:的作用:消除两束光消除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;观察白光条纹时,补偿板不可缺少。观察白光条纹时,补偿板不可缺少。2.4.1 迈克尔逊干涉仪迈克
7、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,为为了了研研究究尺尺寸寸较较大大的的风风洞洞中
8、中任任一一平平面面附附近近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,调调节节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化情况。出气流所引起空气密度的变化情况。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
9、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制成一个小楔角成一个小楔角(1 10),以避免无镀膜表面的反射光干扰。,以避免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节两板之间的距离可以调节法布里法布里-珀罗干
10、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决决定定于于空空
11、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使使用用范范围围是是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,中中央央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强强烈烈吸吸收收,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
12、的吸收率为膜的吸收率为A,则根据能量守恒关系有:,则根据能量守恒关系有: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收时的透射光干涉强度:层存在吸收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化化,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收收,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,严严重重时时,峰峰值值强强度度只只有有入入射射光强的几十
13、分之一。光强的几十分之一。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十分细而亮的等倾干珀罗标准具能够产生十分细而亮的等倾干涉条纹,其重要应用之一是研究光谱线的精细结构,即涉条纹,其重要应用之一是研究光谱线的精细结构,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.研究光研究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:自由光谱范围自由光谱范围 分辨本领分辨本领 角色散角色散F-PF-P标准具
14、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.研究光研究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
15、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 m,n=1 时时,()f=0.310-4 m1.研究光研究光谱线谱线的超精的超精细结细结构构分光仪器所能分辨开的最小波长差分光仪器所能分辨开的最小波长差()m称为分辨极限。称为分辨极限。分辨本领分辨本领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)分辨本领分辨本领1.研究光研究光谱线谱线的超精的超精细结细结构构瑞利
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