物理光学A---第三章 光的干涉和干涉仪 （下）.ppt

3.10 Michelson干涉仪,1. 历史背景,声波 介质 光电磁波 介质？,James Clerk Maxwell (1831-1879),Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894),Aristotle (384 BC 322 BC),Michelson-Morley Experiment 1897,实验设计无可挑剔，仪器的灵敏度至今令人叹服。用这样的精密仪器可以测得一根条纹的百分之一的移动变化。他们在一年四季的所有日子，以及一天的白昼和夜晚都进行观测，结果都未观测到预期的条纹移动，就连百分之一的移动也没有。 实验结果迫使人们作非此即彼的选择： 要么地球不在运动；要么根本就没有以太这种东西。 新的理论？,否定“以太” 1905年， 狭义相对论 1.相对性原理 2.光速不变原理,我尊敬的迈克耳逊博士，您开始工作时，我还是一个小孩子，只有一米高。正是您，将物理学家引向新的道路。通过您的精湛的实验工作，铺平了相对论发展的道路。您揭示了光以太理论的隐患，激发了洛伦兹和菲兹杰诺的思想，狭义相对论正是由此发展而来。没有您的工作，这个理论今天顶多也只是一个有趣的猜想，您的验证使之得到了最初的实际基础。,A爱因斯坦（1931）,2.迈克尔逊干涉仪结构与原理,迈克耳孙干涉仪,分束玻片,补偿玻片,反射镜,反射镜,M,1,观察屏,入射光线,（1）M1M2,等倾干涉,条纹特点： 中心是点，亮暗可算； 中间级次高； 里疏外密； 膜越厚，条纹越密 基本公式：,迈克耳孙干涉仪,移动M1，等倾条纹如何变化？,结论：,薄膜变薄：条纹吞入； 薄膜变厚：条纹吐出。 原因？ 眼睛条纹光强位相光程差hcos,（2）M1不严格M2,混合型干涉,条纹弯向厚度大的方向,迈克耳孙干涉仪,移动M1，等倾条纹如何变化？,时间相干性！,结论,薄膜变薄，条纹移向厚度增加方向（楔顶）； 薄膜变厚，条纹移向厚度减小方向（楔脚）； 厚度过大，干涉条纹消失。（时间相干性）,（3）白光入射，为什么一定要有补偿板？,G1和G2是厚度和折射率都均匀相等的玻璃板，G1背后镀了一层半反半透的银膜。两束光一个在G1背面内部反射一次，另外一束光在G1背面的外部反射一次，因为有银膜，两束光的相位突变比较复杂，附加相位并非恰好为。,首先用单色光入射，调出等厚干涉条纹，然后换上白光光源，微调M2可观察到彩色条纹。当彩色条纹中心黑条纹位于视场中心时，仪器处于零光程点。 若在M2镜前加一厚度为h的玻璃板，向G1方向移动M2镜，直至再次出现白光条纹。测出M2镜移动的距离，可求出折射率。,正是零光程处的黑条纹，在两侧的彩色条纹中起到了“标杆”的作用。,应用举例：P243 题目10-6,某一台迈克尔逊干涉仪，所用红光波长=632.8nm，谱线宽度=10-4nm,整机接收灵敏度N=1/10。求 (1)此仪器的测量精度 (2) 测量范围,解答：(1).设M1固定，移动M2，则到达观察屏的两束光的光程差为：,0.032um的意义：相当于一把尺子的最小刻度,当一对相干光束的光程差超过一定范围后，将看不到干涉条纹。,光程差不大,波列a1 与 a2发生重叠 1、2 两光发生干涉.,(2).测量范围问题：,根据光谱宽度与波列长度的关系：,2m的意义：相当于一把尺子的量程,3.Michelson干涉仪的 理论意义 应用价值,狭义相对论的实验支持； “米”的现代定义 其他类型干涉仪的原型,铂铱合金基准米原器 （巴黎国际计量局）,1892年到1893年，迈克耳逊发现保存在巴黎国际度量局的标准米是镉(Cd)光谱红线波长的1553163.5倍。这样，他就为长度基准找到一个非实物标准。（643.8nm） 1907年迈克耳逊就是由于在“精密光学仪器和用这些仪器进行光谱学的基本长度测量“方面的工作，荣获诺贝尔物理奖。,实物基准：1889年第一届国际计量大会，铂铱米尺，称为米原尺。,自然基准：1960年第十一届国际计量大会，“1米的长度等于氪86原子的2p10和5d5能级之间跃迁的辐射光，在真空中波长的1650763.73倍”。,自然基准：光速的定义，1983年第17届国际计量大会，“米是光在真空中(1/299792458)s时间间隔内所径路径的长度”。,长度的精密测量长度单位和基准的重定义,其他干涉仪,（1）Twyamn-Green干涉仪,特点： 单色光照明， 无需补偿板,（2）Fourier分光干涉仪,傅立叶变换光谱仪的优点： A、速度快，B、分辨本领高，C、信噪比高。 这些优点在红外区显得更为重要，因此它多用于红外区域。,特点： 光路可以做的很长，用于航空工程，风洞测试,(3)Mach-Zehnder干涉仪,（4）Sagnac干涉仪,应用： 测量转速,激光陀螺仪,采用光学相干断层扫描技术（optical coherence tomography ）制造的新型医学诊断和监测仪器被称为“分子雷达”。这种新型仪器的分辨率可达到1um，比现在常用的人体外诊断和核磁共振术的精密度要高出上千倍。这种仪器能够一每秒2000次的速度快速完成生物体内活细胞的动态成像，可以实时观察活细胞的动态过程和变化，这样即使是单个细胞出现的病变也可以准确地检测出来。并且，这种新型仪器还不会像X光、CT(Computer Tomography )、核磁共振那样杀死活细胞。,（5）光学相干断层扫描(OCT),动脉粥样硬化的OCT图,人眼的OCT图，可以清楚地看到角膜、巩膜、虹膜等等组