光的干涉應(yīng)用舉例課件

1、光的干涉應(yīng)用舉例精1簡(jiǎn)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）精2Light beams can interfere with each other: Two point sourcesDifferent separations. Note the different patterns.Constructive vs. destructive interference精3Constructive vs. destructive interference;Coherent vs. incoherent interference

2、Waves that combine in phase add up to relatively high irradiance.Waves that combine 180 out of phase cancel out and yield zero irradiance.Waves that combine with lots of different phases nearly cancel out and yield very low irradiance.=Constructive interference(coherent)Destructive interference(cohe

3、rent)Incoherent addition相長(zhǎng)相消不相干精4Coherent vs. Incoherent LightItotal = I1 + I2 + + InEtotal = E1 + E2 + + En Coherent light:1. Its strong.2. Its directional.3. Total irradiance N2 or 0.4. Total irradiance is the mag-square of the sum of individual fields mag-square of the sum of individual fields. I

4、ncoherent light:1. Its relatively weak.2. Its omni-directional.3. Total irradiance N.4. Total irradiance is the sum of individual irradiances.Laser相干光源不相干光源精5Youngs double-slit interference 測(cè)定波長(zhǎng)測(cè)定折射率精6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(jí)條紋對(duì)應(yīng)著同一傾角。ACa1a2Cd0n1n2n1i1i2B干涉相長(zhǎng) 亮點(diǎn)干涉相消 暗點(diǎn)干涉原理精7等厚干涉等厚干涉是厚度不同的薄膜所發(fā)生的干涉

5、。同一級(jí)條紋對(duì)應(yīng)著同一厚度。DL2can1c1n2a2n1CBACd0i1i2干涉相長(zhǎng) 亮紋干涉相消 暗紋ddAdj+1djdlBO精8等傾與等厚干涉的區(qū)別 類別項(xiàng)目等傾等厚光源面光源點(diǎn)光源條紋形狀內(nèi)疏外密的同心圓環(huán)等間距直線狀干涉級(jí)內(nèi)高外低高高低低精9對(duì)光學(xué)表面磨光的檢驗(yàn)光學(xué)部件的精密測(cè)量長(zhǎng)度微小改變的精密測(cè)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(yàn)研究光譜譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)測(cè)定物質(zhì)的折射率光的干涉的應(yīng)用精10本課主要內(nèi)容一、等傾干涉及其應(yīng)用 (一） 邁克爾孫干涉儀（實(shí)驗(yàn)）及其應(yīng)用 （二） 法布羅-珀羅干涉儀及其應(yīng)用 （三） 全光纖邁克爾孫干涉儀及其應(yīng)用 （四）其它干涉儀及其應(yīng)用二、

6、等厚干涉及其應(yīng)用 （一） 劈尖及其應(yīng)用 （二） 牛頓環(huán)（實(shí)驗(yàn)）及其應(yīng)用三、鍍膜光學(xué)元件 （一） 增透膜與增反膜 （二） 照相機(jī)四、全息干涉及其應(yīng)用精11一、等傾干涉及其應(yīng)用 (一） 邁克爾孫干涉儀（實(shí)驗(yàn)）及其應(yīng)用 （二） 法布羅-珀羅干涉儀及其應(yīng)用 （三） 全光纖邁克爾孫干涉儀及其應(yīng)用 （四）其它干涉儀及其應(yīng)用精12觀察屏分光板補(bǔ)償板全反鏡粗調(diào)手輪細(xì)調(diào)手輪豎直調(diào)節(jié)螺絲水平調(diào)節(jié)螺絲（一 ） 邁克爾孫干涉儀及其應(yīng)用1. 邁克耳孫干涉儀基本原理（1） 儀器結(jié)構(gòu)精13邁克耳孫：美國(guó)物理學(xué)家。主要從事光學(xué)和光譜學(xué)方面的研究，以畢生精力從事光速的精密測(cè)量。 由于他在光學(xué)精密測(cè)量?jī)x器、光譜學(xué)及基本度量學(xué)中的

7、卓越貢獻(xiàn)，1907 年獲得了美國(guó)第一個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。精141.9（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(shí)，干涉條移過(guò) N 條，則有:2 1 可觀測(cè)到 l / 20 的量級(jí)（幾十 nm）!M 1 S 2 1 半透半反膜 M2 M1 G1 G2 E 補(bǔ)償板 ！ 通?？紤]垂直入射精15實(shí)驗(yàn)測(cè)量折射率邁克爾孫莫雷實(shí)驗(yàn)2. 邁克耳孫干涉儀的應(yīng)用精16例：測(cè)量折射率 在邁克耳孫干涉儀的兩臂 中分別引入100.0 mm長(zhǎng)的 玻璃管 A、B ，其中一個(gè) 抽成真空，另一個(gè)在充以 一個(gè)大氣壓空氣的過(guò)程中 觀察到1

8、07.2 條條紋移動(dòng)， 所用波長(zhǎng)為546.1nm。求空氣的折射率？解：設(shè)空氣的折射率為 n相鄰條紋或說(shuō)條紋移動(dòng)一條時(shí)，對(duì)應(yīng)光程差的變化為一個(gè)波長(zhǎng)，當(dāng)觀察到107.2 條移過(guò)時(shí)，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(cè)樣品，由條 紋的變化測(cè)量有關(guān)參數(shù)。精度高。 ！ 精171887年邁克耳孫和莫雷（英國(guó)化學(xué)家）根據(jù)設(shè)想：如果存在以太，而且以太又完全不為地球運(yùn)動(dòng)所帶動(dòng)，則地球?qū)τ谝蕴倪\(yùn)動(dòng)速度就是地球的絕對(duì)速度。利用地球的絕對(duì)速度和光速在方向上的不同，應(yīng)該在所設(shè)計(jì)的邁克耳孫干涉儀實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到某種預(yù)期的結(jié)果，從而求得地球相對(duì)于以太的絕對(duì)速度。 邁克爾孫莫雷實(shí)驗(yàn)精181 ）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?測(cè)量

9、運(yùn)動(dòng)參考系（主要是地球）相對(duì)以太的速度。2）實(shí)驗(yàn)裝置： 邁克爾遜干涉儀 3 )實(shí)驗(yàn)原理： 地球假定沿GM1方向運(yùn)動(dòng)。若伽利略變換成立，光沿GM1相對(duì)于地球的速度為 c-v，光沿M1G，相對(duì)于地球的速度為速度c+v，光從G-M1-G所需時(shí)間為 G M1 M2 v 精19 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(shí)間為 光沿GM2光沿M2GG點(diǎn)發(fā)出的兩束光到達(dá)望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間差精20光程差儀器旋轉(zhuǎn)900，前后兩次光程變化 2d ，干涉條紋移動(dòng) 測(cè)出DN，便可由上式計(jì)算出地球相對(duì)以太的速度 v .4)實(shí)驗(yàn)結(jié)果： 在不同季節(jié)，不同地理?xiàng)l件下做實(shí)驗(yàn)，都沒(méi)有觀察到條紋的移動(dòng)

10、。實(shí)驗(yàn)表明：相對(duì)以太的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是不存在的，以太不能作為絕對(duì)參考系，以太假設(shè)不能采用； 地球上沿各個(gè)方向的光速都是相等的。邁克耳遜-莫雷實(shí)驗(yàn)一直被認(rèn)為是狹義相對(duì)論的主要實(shí)驗(yàn)支柱. 精21（二）布羅-珀羅干涉儀及其應(yīng)用Applications of Fabry-Perot interferometers and etalonsTo frequency filter a beam (this is often done inside a laser).Money is now coated with interferometric inks to help foil counterfeiters.

11、Notice the shade of the “20,” which is shown from two different angles.精22The LaserA laser is a medium that stores energy, surrounded by two mirrors.Photons entering the medium undergo stimulated emission. As aresult, the irradiance exiting from the medium exceeds that entering it.A partially reflec

12、ting output mirror lets some light out.A laser will lase if the beam increases in irradiance during a round trip:that is, if I3 I0.精23Absorption Spontaneous Emission Stimulated EmissionBefore After精24（三）全光纖激光邁克爾孫干涉儀光學(xué)干涉測(cè)量，如用鈉光測(cè)量凸透鏡曲率半徑，用邁克爾孫干涉儀測(cè)量位移等，很久以來(lái)都是物理實(shí)驗(yàn)的和總要內(nèi)容。然而，那些把空氣作為介質(zhì)的激光干涉裝置，存在著致命的缺陷，如溫度的

13、不均勻、振動(dòng)、空氣中的水分等將使得這些激光干涉裝置在工程應(yīng)用中收到限制。而光纖干涉測(cè)量裝置則耐振動(dòng)、不怕電磁干擾、可在較高溫度環(huán)境中工作。利用干涉原理，將激光耦合在直徑為4微米的單模光纖中制作成全光纖邁克爾孫干涉儀，就可解決上述問(wèn)題。精25Optical fibers use TIR to transmit light long distances.Fiber Optics 光學(xué)光纖They play an ever-increasing role in our lives!精26Core: Thin glass center of the fiber that carries the lig

14、htCladding: Surrounds the core and reflects the light back into the core Buffer coating: Plastic protective coatingDesign of optical fibersncore ncladding精27Propagation of light in an optical fiberLight travels through the core bouncing from the reflective walls. The walls absorb very little light f

15、rom the core allowing the light wave to travel large distances.Some signal degradation occurs due to imperfectly constructed glass used in the cable. The best optical fibers show very little light loss - less than 10%/km at 1,550 nm. Maximum light loss occurs at the points of maximum curvature. 精28M

16、icrostructure fiberSuch fiber has many applications, from medical imaging to optical clocks.Air holesCoreIn microstructure fiber, air holes act as the cladding surrounding a glass core. Such fibers have different dispersion properties.精29精30（四）其它類型的干涉儀及其應(yīng)用馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x及其應(yīng)用薩格奈克干涉儀及其應(yīng)用精31Mach-Zehnder Inte

17、rferometer馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x 原理圖The Mach-Zehnder interferometer is usually operated “misaligned” and with something of interest in one arm.Beam-splitterInputbeamMirrorMirrorBeam-splitterOutput beamObject精32Mach-Zehnder InterferogramNothing in either pathPlasma in one path精33The Sagnac Interferometer薩格奈克干涉儀 原

18、理圖The two beams take the same path around the interferometer and the output light can either exit or return to the source.Beam-splitterInputbeamMirrorMirrorMirrorBeam-splitterInputbeamMirrorMirrorIt turns out that no light exits! It all returns to the source!精34Why all the light returns to the sourc

19、e in a Sagnac interferometerFor the exit beam:Clockwise path has phase shifts of p, p, p, and 0.Counterclockwise path has phase shifts of 0, p, p, and 0. Perfect cancellation!For the return beam: Clockwise path has phase shifts of p, p, p, and 0. Counterclockwise path has phase shifts of 0, p, p, an

20、d p. Constructive interference!Beam-splitterInputbeamMirrorMirrorReflection off a front-surface mirror yields a phase shift of p (180 degrees).Reflective surfaceReflection off a back-surface mirror yields no phase shift.Exit beamReturnbeam精35Sagnac干涉儀的基本結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉的兩個(gè)光場(chǎng)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(gòu)緊湊、穩(wěn)定，制作相

21、對(duì)容易，對(duì)環(huán)境不敏感等優(yōu)點(diǎn),它可以靈活地構(gòu)成各種全光器件 精36 非對(duì)稱的實(shí)現(xiàn)方法提高非線性 結(jié)構(gòu)非對(duì)稱 高非線性光纖微納光纖 光相位調(diào)制器SOA 精37光纖長(zhǎng)度精密測(cè)量?jī)蓚€(gè)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 精38光纖陀螺相對(duì)速度 繞環(huán)一圈的時(shí)間差 光程差： 光纖陀螺是基于光纖通信和集成光學(xué)發(fā)展而來(lái)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(lái)測(cè)量物體相對(duì)于慣性空間的角速度或轉(zhuǎn)動(dòng)角度的無(wú)自轉(zhuǎn)質(zhì)量。光纖陀螺在當(dāng)今的慣性傳感器領(lǐng)域有著特殊的重要意義，具有壽命長(zhǎng)、啟動(dòng)快、精度高、耗電少、動(dòng)態(tài)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外都將光纖陀螺及其構(gòu)成的導(dǎo)航系統(tǒng)作為慣性技術(shù)領(lǐng)域的主攻方

22、向，在航空航天、武器導(dǎo)航等領(lǐng)域起到了極為關(guān)鍵的作用 。精39二、等厚干涉及其應(yīng)用 （一） 劈尖及其應(yīng)用 （二） 牛頓環(huán)（實(shí)驗(yàn)）及其應(yīng)用精40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(yīng)用精411.11檢查光學(xué)平面的缺陷平面上有凹坑。 “凹”向薄處偏！ ！ “凸” 向厚處偏！ 精42（1）干涉膨脹儀干涉條紋移動(dòng) 測(cè)量長(zhǎng)度的微小改變精43（2）測(cè)膜厚、細(xì)絲直徑Si空氣 精44The Unbalanced Michelson Interferometercan sensitively measure phase vs. position.Phas

23、e variations of a small fraction of a wavelength can be measured.Placing an object in one arm of a misaligned Michelsoninterferometer will distort the spatial fringes.Beam-splitterInputbeamMirrorMirrorqSpatial fringes distorted by a soldering iron tip in one path劈尖干涉測(cè)量相移精45平行光入射,平凸透鏡與平晶間形成空氣劈尖.平晶S 分

24、束鏡 M 顯微鏡0平凸透鏡. 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)）及其應(yīng)用精46（1）牛頓環(huán)中心是暗點(diǎn)。愈往邊緣，條紋級(jí)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(duì)j 求導(dǎo)):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)精47（3）復(fù)色光入射 彩色圓環(huán)（4）透射光 與反射情況互補(bǔ)（5）動(dòng)態(tài)反應(yīng)：連續(xù)增加薄膜的厚度, 視場(chǎng)中條紋縮入, 反之,冒出。0 1 2 345.與等傾干涉條紋情況相反 !“紅包紫” 精48壓環(huán)外擴(kuò):要打磨

25、中央部分壓環(huán)內(nèi)縮:要打磨邊緣部分牛頓環(huán)在光學(xué)冷加工中的應(yīng)用每一圈對(duì)應(yīng) 厚度差（因?yàn)?n=1）打磨工件精49三、鍍膜光學(xué)元件 （一） 增透膜與增反膜 （二）照相機(jī)精50（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(lái)減少反射，從而使透射增強(qiáng)。增反膜- 利用薄膜上、下表面反射光的光程差滿足相長(zhǎng)干涉，因此反射光因干涉而加強(qiáng)。精51Anti-reflection Coating 減反膜-增透膜Notice that the center of the round glass plate looks like its missing.Its not! Theres an

26、“anti-reflection coating” there (on both the front and back of the glass).精52正入射時(shí)：例: 空氣 （n1 =1） 玻璃（ n2 =1.5) 鍍膜光學(xué)元件基本原理n0 n2 n1 (1) (2) (3) (4) 第一界面 第二界面 入射光 精53 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(shí)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： 精54r 與n0、d 無(wú)關(guān)，故 n0 膜層稱為“無(wú)影響膜層”. (2) l /膜層 當(dāng)當(dāng)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(guān). (1) l / 2 膜層精55an0 n2 時(shí)， bn0n2 時(shí)，為增透膜 ； 結(jié)論：正入射， 時(shí)，無(wú)論 n0、d 為何值 ，當(dāng) c. 零反射條件為增反膜 ；精56（二）照相機(jī)增透膜：增加某波段光的通光量（照相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡等助視儀器的鏡頭）。增反膜：紫外防護(hù)鏡、冷光膜