「光源的非单色性对干涉条纹的影响 多光束干涉【讲课复习】」.ppt

时间相干性temporalcoherence多光束干涉MultipleBeamInterference 1 上课复习 a 双线结构 b 单色线宽 1 非单色性的两种典型 光源的非单色性对干涉条纹的影响 2 上课复习 准单色光 2 光谱双线结构导致反衬度周期性变化 双线结构使条纹反衬度随 L作周期性变化 3 上课复习 用具有双线光谱的光源 如钠光灯 照明时 每条谱线的光产生干涉条纹 其光强分布为 4 上课复习 5 上课复习 提供了一个分解双谱线的测量方法 1 先由低分辨率的分光仪粗测平均波长 2 再由迈克尔逊干涉仪平移动臂以改变光程差 直到视场模糊不清 计下条纹变动数目 6 上课复习 3 单色线宽使条纹反衬度随光程差单调下降 入射光单色性越好 Lm越大 7 上课复习 光场的时间相干性 相干 完全非相干 准单色光源发射波列长度是有限的 相邻波列之间的相位关系是随机变化的 1 相干时间和相干长度 8 上课复习 9 上课复习 2 时间相干性的突出表现 长程差干涉 当两路光程差 LL0时 由同一波列分解出来的两路波列首尾错开 不再重叠 而相互重叠的是由前后两波列a b分解出来的波列 它们是非相干光波 这时不发生干涉 反衬度为0 表明干涉测长仪中双臂的最大光程差 Lm受限于相干长度L0 干涉测长仪的最大量程lm等于相干长度L0的一半 10 上课复习 3 波列长度与谱线宽度互为表里 推导略 11 上课复习 波列长度即相干长度越长 则单色性越好 一次持续发光时间越长 则单色性越好 见P142图3 57 Temporalcoherenceisamanifestationofspectralpurity 12 上课复习 Ifthelightwereideallymonochromatic thewavewouldbeaperfectsinusoidwithaninfinitecoherencelength Allrealsourcesfallshortofthis andallactuallyemitarangeoffrequencies albeitsometimesquitenarrow Forinstance anordinarylaboratorydischargelamphasacoherencelengthofseveralmillimeters whereascertainkindsoflasersroutinelyprovidecoherencelengthsoftensofkilometers 13 上课复习 光场的相干性小结 实际光源光场的相干性 14 上课复习 15 上课复习 Fabry Perotinterferometers 法布里 玻罗干涉仪 16 上课复习 1 反射 透射相干光束 反射多光束 透射多光束 振幅以等比递减 位相以等差递增 除第一束以外振幅值等比 位相等差 相邻两束光 17 上课复习 斯托克斯倒逆关系 18 上课复习 19 上课复习 2 多光束干涉的光强分布和特点 透射多光束干涉场为 透射多光束干涉的共轭场为 透射多光束干涉强度为 20 上课复习 0 1 1 同心圆环 多光束干涉的光强分布和特点 2 当时 透射光强极大值 3 当时 透射光强极小值 4 反射光强的极大值和极小值位置刚好对调 位置均与R无关 5 单界面光强反射率R影响光强曲线的峰值锐度 R值越高 极小值越小 锐度越好 反射率R值增大意味着无穷系列中后面的光束的作用越来越不可忽略 越来越多的光束参加干涉导致干涉条纹的锐度变大 21 上课复习 Transmission reflectionvspath 22 上课复习 3 相邻两光束之间的相位差是波长 光学厚度nh 以及光源入射到介质时的内折射角i的应变量 1 当光源为准单色扩展光源时 突出了 2 当非单色平行光照明时 突出了 23 上课复习 4 法布里 玻罗干涉仪 1 仪器结构 长度计量和研究光谱超精细结构的有效工具激光器谐振腔的基本构型为研究干涉滤波片提供一种理论基础G1G2高度平行H约为0 1 10cm内壁镀银而高反射率准单色光源经透镜后平行光入射到空气膜 24 上课复习 迈克耳孙干涉仪和法 珀干涉仪条纹的比较 由于G1G2之间空气薄膜表面的反射率较大 光线入射后将在它的两个表面之间反复反射 多次反射的过程中强度递减得很慢 因而从G2透射出来的是一系列强度递减很慢的光束 它们相干迭加后在幕上形成的等倾干涉条纹 与迈克耳孙干涉条纹相似 也是同心圆环 但条纹比迈克耳孙干涉条纹细锐 2 干涉条纹 25 上课复习 由于原子核磁矩的影响 有的光谱分裂成几条十分接近的谱线 这叫做光谱线的超精细结构 法布里 珀罗干涉仪的条纹很细 使得我们有可能更精密地测定它们的确切位置 因此用这种干涉仪可以精确地比较各光谱线的波长 以及用波长来度量长度 但其主要应用还在于光谱线超精细结构的研究方面 26 上课复习 3 强度峰值的半高宽 R越接近于1 则半值宽度越小腔长h越大 则条纹越细锐 即谱线宽度越窄 光强 相位 光强 角度 光强 波长 27 上课复习 以单色的扩展光入射 有各种可能的倾角 在特定的方向上出现干涉极强 我们关心某一极大附近的半角宽度 它比更直接地反映条纹的细锐程度 则固定 取因变化引起的微分 得第k级亮纹的角宽度 R越高 条纹越细锐 即方向性越强 且腔长h越大 条纹也细锐 以非单色的平行光入射 有各种不同的波长 在特定的波长附近出现干涉极强 我们关心某一极大附近的或 则固定 位相差主要是波长的函数 光强 角度 光强 波长 分辨超精细谱线结构 产生了选频效应 用于滤波器 谐振腔 28 上课复习 令 把写成 表示它是第k级纵模的谱线宽度 得 固定 取因变化引起的微分 用频率表示 上式表明 反射率R越高 或腔长h越长 谱线宽度越窄 每一条谱线或称为一个纵模 29 上课复习 4 法布里 玻罗谐振腔的选频功能 若平行光正入射到FP腔内 则透射光也是一束平行光 在屏幕上将看不到同心圆环 但光在FP腔内多次反射和透射而相干叠加 其结果使得透射光的光谱结构明显区别于入射光光谱 即FP腔将入射光的连续宽光谱改变为透射光的准分立谱 那些能出现谱峰的特定波长必定满足往返光程差为其波长的整数倍 或 30 上课复习 31 上课复习 若以光频为横坐标表示谱峰位置 则 即为FP谐振腔透射相干的频率条件 相邻两个谱峰所对应的频率间隔为 频差为一常数与级次k无关 表现在光谱图上应为一组等间距的分立谱峰 可见相邻极强的频率是等间隔的 与腔长h成反比 i 0 干涉亮纹 32 上课复习 若两个反射面和中间的间隔层都是薄膜 FP滤光膜 它可以用来从白光和其他连续光谱中选择一条或若干条透射谱线 这种滤光膜可代替单色仪获得单色光 也可用于激光接收器前以提高信噪比 例如 取间隔层的光学厚度为500nm 则可透过该滤光膜的光波长应满足 白光 500nm 33 上课复习 一边厚一边薄的间隔层 在不同厚度处可透过不同波长的光 这样的滤光膜就可以代替单色仪来分光 其突出的优点就是小而轻 在卫星上进行气象观测与大地遥感等是特别有利的 34 上课复习 5 FP仪器的分辨本领 双谱线形成的FP仪器干涉条纹 若入射光谱为双线结构 它们将产生两套干涉环 同一级次的两环挨得很近 而每个环本身有一定的宽度 根据瑞利判据 将有一可分辨的最小波长间隔 双谱线k级两个亮纹的角间距 每个亮环自身的半值宽度 据瑞利判据 当角间距大于半值宽度时双谱可分辨 反之不可分辨 最小可分辨角 35 上课复习 相应的可分辨的最小波长间隔为 FP仪的色分辨本领或色分辨率为 折射率越大 越靠近中心 腔长越长 级次越高 色分辨本领越大 36 上课复习 一FP仪 腔长h 2cm 镀膜反射率R 0 98 在波长500nm附近的最小波长间隔为 视场中心倾角为小角 高级次 在这个级次的色分辨本领为 这个分辨率是极高的 足可以分辨由塞曼效应导致的谱线分裂 钠光黄双线589 0nm和586 9nm 在外磁场103高斯时所分裂的谱线差约为10 4nm 37 上课复习 6 FP仪器的自由光谱范围 表明腔长h限制了自由光谱范围 这与提高分辨率是个矛盾同时要注意的是光谱分辩必须是针对同一级次的两谱线而言 38 上课复习 SpectroscopyusingFabry Perotcavity Goal tomeasurethespecimen sabsorptionasfunctionoffrequency Experimentalmeasuremen