光外差检测系统

光外差检测系统第一页，共三十六页，编辑于2023年，星期五概述相干检测：利用光的相干性对光波所携带的信息信号进行检测对光源的要求：激光相干检测具有更高的精度和灵敏度第二页，共三十六页，编辑于2023年，星期五光到底是什么？……………17世纪明确形成了两大对立学说牛顿惠更斯微粒说波动说19世纪初证明了波动说的正确性由于波动说没有数学基础以及牛顿的威望使得微粒说一直占上风19世纪末光电效应现象使得爱因斯坦在20世纪初提出了光子说：光具有粒子性第三页，共三十六页，编辑于2023年，星期五干涉现象是波动独有的特征，如果光真的是一种波，就必然会观察到光的干涉现象．光的干涉---预备知识复习第四页，共三十六页，编辑于2023年，星期五思考1：如果我们先假设光是一种波，那么按照我们所学的波动知识，光要发生干涉现象需要满足什么条件？（频率相同）思考2：有没有什么方法可以获得相干光—频率相同的光呢？第五页，共三十六页，编辑于2023年，星期五天才的设想光束单缝双缝红滤色片

(激光)屏幕s0s1s2托马斯·杨杨氏双缝实验被评为十大物理实验之一。巧妙解决了相干光问题第六页，共三十六页，编辑于2023年，星期五实验演示：用氦氖激光器演示光的双缝干涉现象：出现明暗相间条纹。思考3：为什么有的地方亮一些有些地方暗一些？叠加（振动）加强的地方出现亮条纹，振动减弱的地方出现暗条纹。第七页，共三十六页，编辑于2023年，星期五P1PP1S2－P1S1=d光程差P2思考：当P1点外移时光程差怎么变？S1S2P1PdP2（变大）讨论：明和暗为什么相间（依次出现）呢？第八页，共三十六页，编辑于2023年，星期五S1S2PdS1PPS1S1S2PS2PPS2光程差d=0，S1、S2步调一致，该点振动加强。（明）第九页，共三十六页，编辑于2023年，星期五S1S2P1PdS1S2P1P1P1S1P1S2dS1S2P1d=λ/2光程差d=λ/2

，S1、S2在P1处步调相反，该点振动减弱。(暗）第十页，共三十六页，编辑于2023年，星期五S1S2P2PdS1S2P2P2P1S1P1S2dS1S2P2d=λ光程差d=λ，S1、S2在P2处步调一致，该点振动加强。(明）第十一页，共三十六页，编辑于2023年，星期五1801年，英国物理学家托马斯·杨（1773~1829）在实验室里成功的观察到了光的干涉．第十二页，共三十六页，编辑于2023年，星期五S1S2PPδ=0中央亮纹

由于从S1S2发出的光是振动情况完全相同，又经过相同的路程到达P点，其中一条光传来的是波峰，另一条传来的也一定是波峰，其中一双缝S1S2屏幕条光传来的是波谷,另一条传来的也一定是波谷,在P点激起的振动总是波峰与波峰相遇或波谷与波谷相遇,振幅A＝A1+A2为最大,P点总是振动加强的地方,故应出现亮纹,这一条亮纹叫中央亮纹.第十三页，共三十六页，编辑于2023年，星期五P1

第一亮纹双缝S1S2屏幕S1S2P1

取P点上方的点P1，从S1S2发出的光到P1点的光程差就不同，若这个光程差正好等于波长的整数倍，比如δ=S1－S2=λ，出现第一条亮纹。λλδ=λ第十四页，共三十六页，编辑于2023年，星期五P2

第二亮纹双缝S1S2屏幕

屏上P1点的上方还可以找到δ=S1－S2＝2λ的P2点出现第二条亮纹。2λ第十五页，共三十六页，编辑于2023年，星期五P3

第三亮纹双缝S1S2屏幕

屏上P1点的上方还可以找到δ=S1－S2＝4λ的P2点，δ=S1－S2＝5λ的P3点……等处的第四条、第五条……亮纹；在中央明纹P的下方可找到δ=S1－S2＝λ的P1/点，δ=S1－S2＝2λ的P2/点，δ=S1－S2＝3λ的P3/点等处与中央明纹为对称的第一、第二、第三…，第n条亮纹。3λ第十六页，共三十六页，编辑于2023年，星期五双缝S1S2屏幕P1第一亮纹δ=λP中央亮纹δ=0P2第二亮纹δ=2λP3第三亮纹δ=3λP3第三亮纹δ=3λP2第二亮纹δ=2λP1第一亮纹δ=λ第十七页，共三十六页，编辑于2023年，星期五Q1

第一暗纹双缝S1S2屏幕S1S2P1

取P点上方的点Q1，与两个狭缝S1、S2路程差δ=S1－S2＝λ/2，其中一条光传来的是波峰，另一条传来的就是波谷，其中一条光传来的是波谷，另一条传来的一定是波峰，Q1点激起的振动总是波峰与波谷相遇，振幅最小，Q1点总是振动减弱的地方，故应出现暗纹。λ/2λ/2P中央亮纹第十八页，共三十六页，编辑于2023年，星期五Q2

第二暗纹双缝S1S2屏幕

屏上Q1点的上方还可以找到δ=S1－S2＝3λ/2的Q2点出现第二条暗纹。同样可以找到第三条暗纹Q3……，在中央明纹下方也可以找到对称的Q1/、Q2/、Q3/……等暗纹。3λ/2Q1

第一暗纹P

中央亮纹第十九页，共三十六页，编辑于2023年，星期五双缝S1S2屏幕P1第一亮纹δ=λP

中央亮纹δ=0P2第二亮纹δ=2λP3/

第三亮纹δ=3λP3第三亮纹δ=3λP3/

第二亮纹δ=2λP3/

第一亮纹δ=λQ2第二暗纹Q1第一暗纹Q3第三暗纹Q3/

第三暗纹Q2/

第二暗纹Q1/

第一暗纹δ=5λ/2δ=λ/2δ=3λ/2δ=5λ/2δ=3λ/2δ=λ/2第二十页，共三十六页，编辑于2023年，星期五（1）空间的某点距离光源S1和S2的路程差为0、1λ、2λ、3λ、等波长的整数倍（半波长的偶数倍）时，该点为振动加强点。

（2）空间的某点距离光源S1和S2的路程差为λ/2、3λ/2、5λ/2、等半波长的奇数倍时，该点为振动减弱点。总结规律光程差δ=kλ（k=0，1，2，等）光程差δ=（2k-1)λ/2(k=1,2,3,等）亮纹暗纹第二十一页，共三十六页，编辑于2023年，星期五

小结

1、两个独立的光源发出的光不是相干光，双缝干涉的装置使一束光通过双缝后变为两束相干光，在光屏上形成稳定的干涉条纹．

2、在双缝干涉实验中，光屏上某点到双缝的光程差为半波长的偶数倍时，该点出现亮条纹；光屏上某点到双缝的光程差为半波长的奇数倍时，该点出现暗条纹．3、干涉条纹间距与波长的关系△X随波长λ的增大而增大第二十二页，共三十六页，编辑于2023年，星期五相干信号相位调制与检测利用被测量使得其中一束光线的相位发生变化，再通过干涉作用把相位变化变换为幅值变化，叫做相位调制。典型应用迈克尔逊干涉仪第二十三页，共三十六页，编辑于2023年，星期五实验原理图第二十四页，共三十六页，编辑于2023年，星期五如果d逐渐减小，看到的现象是干涉圆环内缩（吞）；如果d逐渐增大，同理，看到的现象是干涉圆环外（吐）。对于中央条纹，当内缩或外扩N次，则光程差变化为2d＝N第二十五页，共三十六页，编辑于2023年，星期五特点特点：具有更高的测试灵敏度和准确度；绝大部分的干涉测试都是非接触式的，不会对被测件带来表面损伤和附加误差；在精密测量、精密加工和实时测控的诸多领域获得广泛应用。第二十六页，共三十六页，编辑于2023年，星期五相干光外差检测原理与应用概念外差检测将被测量调制在信号光波的频率之中第二十七页，共三十六页，编辑于2023年，星期五，入射到探测器上的总光场为由于光探测器的响应与光电场的平方成正比，所以光探测器的光电流为第二十八页，共三十六页，编辑于2023年，星期五设入射到探测器上的信号光场为：本机振荡光场为：入射到探测器上的总光场为：基本原理第二十九页，共三十六页，编辑于2023年，星期五

；:量子效率；:光子能量；:差频。式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于1／2。第三项（和频项）是余弦函数的平均值为零。而第四项（差频项）相对光频而言，频率要低得多。当差频低于光探测器的截止频率时，光探测器就有频率为的光电流输出。

光探测器输出的光电流输出为频率为两束光波的光频差信号第三十页，共三十六页，编辑于2023年，星期五外差探测应用------激光多普勒测速频率调制：运动物体的反射或散射光发生多普勒频移而改变光的频率。将物体的速度信息调制入光的频率，频率变化量与速度有关。光外差检测：可见光的频率很高（１０１４Hz)，一般光电器件不能响应，也就无法直接检测多普勒频移．因此，需要光外差的方法：

第三十一页，共三十六页，编辑于2023年，星期五

概念—声波多普勒效应

一辆汽车在我们身旁急驰而过，车上喇叭的音调有一个从高到低的突然变化；站在铁路旁边听列车的汽笛声也能够发现，列车迅速迎面而来时音调较静止时为高，而列车迅速离去时则音调较静止时为低。此外，若声源静止而观察者运动，或者声源和观察者都运动，也会发生收听频率和声源频率不一致的现象。这种现象称为多普勒效应。第三十二页，共三十六页，编辑于2023年，星期五多普勒效应的应用美国霍普金斯大学利用多普勒效应对苏联第一颗人造卫星进行了跟踪试验，科学家发现，当卫星在近地点时信号频率就增加，远地点时信号频率就降低。因为卫星轨道是已知的，所以接收卫星信号的接收机不论处于何方，它的位置都能被测定。第三十三页，共三十六页，编辑于2023年，星期五光波的多普勒效应光波的多普勒效应具有波动性的光也会出现这种效应，它又被称为多普勒-斐索效应.因为法国物理学家斐索（1819-1896）于1848年独立地对来自恒星的波长偏移做了解释，指出了利用这种效应测量恒星相对速度的办法.光波与声波的不同之处在于,光波频率的变化使人感觉到是颜色的变化.

如果恒星远离我们而去,则光的谱线就向红光方向移动，称为红移；如果恒星朝向我们运动，光的谱线就向紫光方向移动，称为蓝移.第三十四页，共三十六页，编辑于2023年，星期五多普勒