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光的干涉应用举例 1 简要回顾 干涉条件 充分条件 必要条件 相干和不相干相干光源与不相干光源杨氏双缝干涉薄膜干涉 等倾干涉 等厚干涉 2 Lightbeamscaninterferewitheachother Twopointsources Differentseparations Notethedifferentpatterns Constructivevs destructiveinterference 3 Constructivevs destructiveinterference Coherentvs incoherentinterference Wavesthatcombineinphaseadduptorelativelyhighirradiance Wavesthatcombine180 outofphasecanceloutandyieldzeroirradiance Wavesthatcombinewithlotsofdifferentphasesnearlycanceloutandyieldverylowirradiance Constructiveinterference coherent Destructiveinterference coherent Incoherentaddition 相长 相消 不相干 4 Coherentvs IncoherentLight Itotal I1 I2 In Etotal E1 E2 En Coherentlight 1 It sstrong 2 It sdirectional 3 TotalirradianceN2or0 4 Totalirradianceisthemag squareofthesumofindividualfieldsmag squareofthesumofindividualfields Incoherentlight 1 It srelativelyweak 2 It somni directional 3 TotalirradianceN 4 Totalirradianceisthesumofindividualirradiances 相干光源 不相干光源 5 Young sdouble slitinterference 测定波长 测定折射率 6 等倾干涉 等倾干涉是指厚度相等的薄膜所发生的干涉 同一级条纹对应着同一倾角 干涉原理 7 等厚干涉 等厚干涉是厚度不同的薄膜所发生的干涉 同一级条纹对应着同一厚度 8 等倾与等厚干涉的区别 9 对光学表面磨光的检验 光学部件的精密测量 长度微小改变的精密测定 增透光薄膜的制备 干涉滤光片的制作 轴承滚珠的分类和检验 研究光谱谱线的精细结构 测定物质的折射率 光的干涉的应用 10 本课主要内容 一 等倾干涉及其应用 一 迈克尔孙干涉仪 实验 及其应用 二 法布罗 珀罗干涉仪及其应用 三 全光纤迈克尔孙干涉仪及其应用 四 其它干涉仪及其应用二 等厚干涉及其应用 一 劈尖及其应用 二 牛顿环 实验 及其应用三 镀膜光学元件 一 增透膜与增反膜 二 照相机四 全息干涉及其应用 11 一 等倾干涉及其应用 一 迈克尔孙干涉仪 实验 及其应用 二 法布罗 珀罗干涉仪及其应用 三 全光纤迈克尔孙干涉仪及其应用 四 其它干涉仪及其应用 12 一 迈克尔孙干涉仪及其应用 1 迈克耳孙干涉仪基本原理 1 仪器结构 13 迈克耳孙 美国物理学家 主要从事光学和光谱学方面的研究 以毕生精力从事光速的精密测量 由于他在光学精密测量仪器 光谱学及基本度量学中的卓越贡献 1907年获得了美国第一个诺贝尔物理学奖 14 1 9 2 工作原理 光束1 和2 发生干涉 若M1 M2平行 等倾条纹 若M1 M2有小夹角 等厚条纹 若M1平移 d时 干涉条移过N条 则有 2 1 可观测到l 20的量级 几十nm 通常考虑垂直入射 15 实验测量折射率迈克尔孙 莫雷实验 2 迈克耳孙干涉仪的应用 16 例 测量折射率 在迈克耳孙干涉仪的两臂中分别引入100 0mm长的玻璃管A B 其中一个抽成真空 另一个在充以一个大气压空气的过程中观察到107 2条条纹移动 所用波长为546 1nm 求空气的折射率 解 设空气的折射率为n 相邻条纹或说条纹移动一条时 对应光程差的变化为一个波长 当观察到107 2条移过时 光程差的改变量满足 迈克耳孙干涉仪的两臂中便于插放待测样品 由条纹的变化测量有关参数 精度高 17 1887年迈克耳孙和莫雷 英国化学家 根据设想 如果存在以太 而且以太又完全不为地球运动所带动 则地球对于以太的运动速度就是地球的绝对速度 利用地球的绝对速度和光速在方向上的不同 应该在所设计的迈克耳孙干涉仪实验中观测到某种预期的结果 从而求得地球相对于以太的绝对速度 迈克尔孙 莫雷实验 18 1 实验目的 测量运动参考系 主要是地球 相对以太的速度 2 实验装置 迈克尔逊干涉仪 3 实验原理 地球假定沿GM1方向运动 若伽利略变换成立 光沿GM1相对于地球的速度为c v 光沿M1G 相对于地球的速度为速度c v 光从G M1 G所需时间为 19 光沿GM2的速度和光沿M2G的速度 光从G M2 G所需时间为 G点发出的两束光到达望远镜的时间差 20 光程差 仪器旋转900 前后两次光程变化2d 干涉条纹移动 测出DN 便可由上式计算出地球相对以太的速度v 4 实验结果 在不同季节 不同地理条件下做实验 都没有观察到条纹的移动 实验表明 相对以太的绝对运动是不存在的 以太不能作为绝对参考系 以太假设不能采用 地球上沿各个方向的光速都是相等的 迈克耳逊 莫雷实验一直被认为是狭义相对论的主要实验支柱 21 二 布罗 珀罗干涉仪及其应用ApplicationsofFabry Perotinterferometersandetalons Tofrequencyfilterabeam thisisoftendoneinsidealaser Moneyisnowcoatedwithinterferometricinkstohelpfoilcounterfeiters Noticetheshadeofthe 20 whichisshownfromtwodifferentangles 22 TheLaser Alaserisamediumthatstoresenergy surroundedbytwomirrors Photonsenteringthemediumundergostimulatedemission Asaresult theirradianceexitingfromthemediumexceedsthatenteringit Apartiallyreflectingoutputmirrorletssomelightout Alaserwilllaseifthebeamincreasesinirradianceduringaroundtrip thatis ifI3 I0 23 AbsorptionSpontaneousEmissionStimulatedEmission BeforeAfter 24 三 全光纤激光迈克尔孙干涉仪 光学干涉测量 如用钠光测量凸透镜曲率半径 用迈克尔孙干涉仪测量位移等 很久以来都是物理实验的和总要内容 然而 那些把空气作为介质的激光干涉装置 存在着致命的缺陷 如温度的不均匀 振动 空气中的水分等将使得这些激光干涉装置在工程应用中收到限制 而光纤干涉测量装置则耐振动 不怕电磁干扰 可在较高温度环境中工作 利用干涉原理 将激光耦合在直径为4微米的单模光纤中制作成全光纤迈克尔孙干涉仪 就可解决上述问题 25 OpticalfibersuseTIRtotransmitlightlongdistances FiberOptics光学光纤 Theyplayanever increasingroleinourlives 26 Core ThinglasscenterofthefiberthatcarriesthelightCladding SurroundsthecoreandreflectsthelightbackintothecoreBuffercoating Plasticprotectivecoating Designofopticalfibers ncore ncladding 27 Propagationoflightinanopticalfiber Lighttravelsthroughthecorebouncingfromthereflectivewalls Thewallsabsorbverylittlelightfromthecoreallowingthelightwavetotravellargedistances Somesignaldegradationoccursduetoimperfectlyconstructedglassusedinthecable Thebestopticalfibersshowverylittlelightloss lessthan10 kmat1 550nm Maximumlightlossoccursatthepointsofmaximumcurvature 28 Microstructurefiber Suchfiberhasmanyapplications frommedicalimagingtoopticalclocks Airholes Core Inmicrostructurefiber airholesactasthecladdingsurroundingaglasscore Suchfibershavedifferentdispersionproperties 29 30 四 其它类型的干涉仪及其应用 马赫 曾德尔干涉仪及其应用萨格奈克干涉仪及其应用 31 Mach ZehnderInterferometer马赫 曾德尔干涉仪原理图 TheMach Zehnderinterferometerisusuallyoperated misaligned andwithsomethingofinterestinonearm 32 2020 3 19 33 Mach ZehnderInterferogram Nothingineitherpath Plasmainonepath 34 TheSagnacInterferometer萨格奈克干涉仪原理图 Thetwobeamstakethesamepatharoundtheinterferometerandtheoutputlightcaneitherexitorreturntothesource Itturnsoutthatnolightexits Itallreturnstothesource 35 WhyallthelightreturnstothesourceinaSagnacinterferometer Fortheexitbeam Clockwisepathhasphaseshiftsofp p p and0 Counterclockwisepathhasphaseshiftsof0 p p and0 Perfectcancellation Forthereturnbeam Clockwisepathhasphaseshiftsofp p p and0 Counterclockwisepathhasphaseshiftsof0 p p andp Constructiveinterference 36 Sagnac干涉仪的基本结构 发生干涉的两个光场在同一段光纤内传输 是一种自平衡的干涉仪 具有结构紧凑 稳定 制作相对容易 对环境不敏感等优点 它可以灵活地构成各种全光器件 37 非对称的实现方法 提高非线性 结构非对称 高非线性光纤微纳光纤 光相位调制器SOA 38 光纤长度精密测量 两个方向分别引入的相位 声光调制器引入的频偏 干涉仪的输出 39 光纤陀螺 相对速度 绕环一圈的时间差 光程差 光纤陀螺是基于光纤通信和集成光学发展而来的一种新型现代陀螺仪 是一种非常重要的角速率传感器件 常用来测量物体相对于惯性空间的角速度或转动角度的无自转质量 光纤陀螺在当今的惯性传感器领域有着特殊的重要意义 具有寿命长 启动快 精度高 耗电少 动态范围宽等优点 国内外都将光纤陀螺及其构成的导航系统作为惯性技术领域的主攻方向 在航空航天 武器导航等领域起到了极为关键的作用 40 二 等厚干涉及其应用 一 劈尖及其应用 二 牛顿环 实验 及其应用 41 干涉亮条纹 平行于Y方向的平行条纹 x y 条纹的疏密 等间距的平行条纹 劈尖干涉 一 劈尖及其应用 42 1 11 检查光学平面的缺陷 平面上有凹坑 凹 向薄处偏 凸 向厚处偏 43 干涉条纹移动 测量长度的微小改变 44 45 The Unbalanced MichelsonInterferometercansensitivelymeasurephasevs position Phasevariationsofasmallfractionofawavelengthcanbemeasured PlacinganobjectinonearmofamisalignedMichelsoninterferometerwilldistortthespatialfringes Spatialfringesdistortedbyasolderingirontipinonepath 劈尖干涉 测量相移 46 平行光入射 平凸透镜与平晶间形成空气劈尖 实验装置示意图 d可用r R表示 分析 d 或利用 圆周角 弦切角 二 牛顿环 实验 及其应用 47 1 牛顿环中心是暗点 愈往边缘 条纹级别愈高 即 外环j值大 与等倾干涉条纹相反 2 相邻两环的间隔为 r对j求导 内疏外密 与等倾干涉条纹相似 讨论 或 增大R 条纹间隔变大 增大l 条纹间隔变大 反射暗环 48 3 复色光入射 彩色圆环 4 透射光 与反射情况互补 5 动态反应 连续增加薄膜的厚度 视场中条纹缩入 反之 冒出 012345 与等倾干涉条纹情况相反 红包紫 49 环外扩 要打磨中央部分 环内缩 要打磨边缘部分 牛顿环在光学冷加工中的应用 打磨工件 50 三 镀膜光学元件 一 增透膜与增反膜 二 照相机 51 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条件来减少反射 从而使透射增强 增反膜 利用薄膜上 下表面反射光的光程差满足相长干涉 因此反射光因干涉而加强 52 Anti reflectionCoating减反膜 增透膜 Noticethatthecenteroftheroundglassplatelookslikeit smissing It snot There san anti reflectioncoating there onboththefrontandbackoftheglass 53 正入射时 镀膜光学元件基本原理 54 光从空气正入射到一些材料时的反射率和折射率 薄膜干涉 55 r与n0 d无关 故n0膜层称为 无影响膜层 2 l 膜层 当 当 反射率增大 反射率降低 垂直入射 垂直入射 反射光 透射光的相位差与膜厚 折射率及入射角有关 1 l 2膜层 56 a n0 n2时 b n0 n2时 为增透膜 结论 正入射 时 无论n0 d为何值 当 c 零反射条件 为增反膜 57 二 照相机增透膜 增加某波段光的通光量 照相机 望远镜 显微镜等助视仪器的镜头 增反膜 紫外防护镜 冷光膜 各种面镜 干涉滤光片 从复色光中获得准单色光 58 四 全息干涉及其应用 59 全息图的实际应用 1 全息图像显示 照片 图片 邮票 书籍 杂志的封皮与插页等 2 包装 装潢和防伪 产